Odkritje, kako drobna enocelična alga zaznava svetlobo, je privedlo do ene najpomembnejših raziskovalnih metod sodobne nevroznanosti. Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za leto 2026 so prejeli Karl Deisseroth, Peter Hegemann in Georg Nagel za raziskave svetlobno uravnavanih ionskih kanalčkov in razvoj optogenetike. Ta metoda znanstvenikom omogoča, da s svetlobo aktivirajo izbrane živčne celice in tako raziskujejo delovanje možganov, spomina, spanja in gibanja.
Vse se je začelo z enocelično algo
Peter Hegemann s Humboldtove univerze v Berlinu in Georg Nagel z Univerze v Würzburgu sta želela razumeti, kako enocelična alga Chlamydomonas zaznava svetlobo. Svetloba namreč ni pomembna le za živali z očmi. Tudi številni preprosti organizmi jo uporabljajo za orientacijo, pridobivanje energije in prilagajanje dnevnemu ritmu. Raziskovalca sta odkrila, da ima alga poseben svetlobno občutljiv protein, imenovan kanalrodopsin.
Kanalrodopsin je vgrajen v celično membrano in vsebuje majhno molekulo retinaldehida, ki absorbira svetlobo. Ko jo zadene svetloba, spremeni obliko, zaradi česar se spremeni tudi zgradba proteina. V membrani se odpre droben kanal, skozi katerega v celico vstopijo pozitivno nabiti ioni, med njimi natrijevi. Ta premik električnega naboja sproži signal, ki algi pomaga pri gibanju proti svetlobi ali stran od nje.
Kako lahko svetloba aktivira možganske celice?
Odkritje je postalo posebej zanimivo zaradi podobnosti z delovanjem živčnih celic. Tudi nevroni svojo aktivnost uravnavajo s pretokom ionov skozi celično membrano. Ko v celico vstopijo pozitivno nabiti ioni, se lahko poveča verjetnost, da bo sprožila električni signal. Raziskovalci so zato pomislili, da bi lahko z vnosom kanalrodopsina v nevrone njihovo delovanje nadzorovali s svetlobo.
To zamisel so razvili v metodo, imenovano optogenetika. Pri njej znanstveniki v izbrane živčne celice vnesejo gen za kanalrodopsin, običajno s pomočjo posebej prilagojenega virusnega prenašalca. Celice nato začnejo izdelovati svetlobno občutljiv protein. Ko jih osvetlijo, se ionski kanalčki odprejo in nevroni se aktivirajo, medtem ko sosednje celice brez tega proteina ostanejo neposredno neodzivne na svetlobo.
Foto: whitehoune iz iStock
Novo orodje za raziskovanje možganov
Pri poskusih na miših raziskovalci svetlobo v izbrane dele možganov dovajajo skozi tanko optično vlakno. Ker lahko osvetlijo zelo majhno območje in svetlobo hitro vključujejo ali izključujejo, lahko natančno spremljajo posledice aktivacije posameznih skupin nevronov. Tako ugotavljajo, katere možganske povezave sodelujejo pri spominu, spanju, zaznavanju dražljajev in nadzorovanju gibanja.
Leta 2012 so raziskovalci z Massachusetts Institute of Technology s podobnim pristopom proučevali spomin pri miših. Živali so v določeni kletki prejele blag električni sunek, znanstveniki pa so označili nevrone, dejavne med nastajanjem spomina na neprijetno izkušnjo. Ko so nekaj dni pozneje te celice s svetlobo aktivirali v drugi kletki, so miši otrpnile od strahu, kot bi se spomnile sunka. Miši, ki sunka niso doživele, se niso odzvale enako. Med avtorji raziskave je bil tudi Karl Deisseroth.
Od laboratorija do možnosti zdravljenja
Optogenetika je močno spremenila raziskovanje možganov in živčevja, odpira pa tudi možnosti zdravljenja. Znanstveniki jo že preizkušajo v zgodnjih kliničnih raziskavah pri ljudeh z degenerativnimi boleznimi mrežnice. Pri teh boleznih propadajo svetlobno občutljive celice, imenovane paličice in čepnice. Z vnosom svetlobno občutljivih proteinov v druge, še ohranjene celice mrežnice poskušajo obnoviti vsaj del sposobnosti zaznavanja svetlobe.
Raziskovalci proučujejo tudi možnosti uporabe optogenetike pri Parkinsonovi bolezni in epilepsiji, vendar gre na teh področjih večinoma še za eksperimentalne pristope. Nobelova nagrada tako poudarja pomen temeljnih raziskav, katerih praktične koristi na začetku pogosto niso očitne. Vprašanje, kako se drobna alga premika proti svetlobi, se je zdelo predvsem biološka zanimivost, danes pa je prav odgovor nanj omogočil povsem nov način raziskovanja človeških možganov.
Novinar