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Nobelpreis: Was kann eigentlich die Optogenetik?
Was haben Grünalgen und Parkinson miteinander zu tun? Auf den ersten Blick nichts – aber eine spannende wissenschaftliche Transferleistung ermöglicht es heute, mit einem biologischen Prinzip der Grünalge unter anderem die Zusammenhänge der neurologischen Erkrankung Parkinson zu erforschen.
Das Werkzeug dazu ist die Optogenetik, eine Methode, die darauf basiert, dass sich bestimmte Proteine mit Licht ein- und ausschalten lassen. Schleust man die Gene für solche lichtgesteuerten Ionenkanäle, Transporter oder Enzyme in andere Zellen ein, lassen sich diese Zellen selektiv und gesteuert mit Licht bestimmter Wellenlängen „aktivieren“ oder „deaktivieren“. Insbesondere Zellen des Nervensystems lassen sich so daraufhin untersuchen, welche Auswirkung das „Ein- oder Ausschalten“ hat.
Mitentdecker der Technik ist der deutsche Biophysiker Peter Hegemann, Professor an der Humbold-Universität Berlin und jetziger Mitpreisträger des Nobelpreises 2026 für Medizin oder Physiologie.
Hegemann erforschte Bewegung der Grünalge
Bereits in seiner Promotion 1984 beschäftigte sich Hegemann mit einem lichtinduzierbaren Protein, dem Halorhodopsin, einer lichtgetriebenen Chloridpumpe des Bakteriums Halobacterium halobium. Aber erst die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii sollte dann den Weg zur Optogenetik öffnen – ohne, dass der Biophysiker dies allerdings unmittelbar im Sinn gehabte hätte.
Hegemann wollte die Phototaxis (die durch Licht gesteuerte Fortbewegung) der Alge untersuchen – dazu besitzt der Einzeller einen einfachen Lichtrezeptor, den sogenannten Augenfleck.
Hegemann und sein Team entdeckten später in der Zellmembran in diesem Areal die sogenannten Channelrhodopsine (die Proteine Channelrhodopsin-1 (ChR1) und Channelrhodopsin-2 (ChR2) ). Das sind Ionenkanäle, die ein Retinal-Chromophor besitzen.
Absorbiert dieses Retinal-Chromophor blaues Licht, bewirkt dies eine reversible Konformationsänderung des Proteins, wobei sich der Ionenkanal öffnet. Die Zelle depolarisiert, was im Falle der Alge zu spezifischen Bewegungen der beiden Flagellen und eben einer Orientierung hin zum Licht führt. Die Proteine hatten die Forschenden aber zunächst in Gensequenzen der Alge aufgespürt.
Diese Entdeckung an sich ist bereits spannend und veröffentlichungswert, was Hegemann etwas später im Jahr 2008 im Fachmagazin „Plant Cell“ auch getan hat. Den Nobelpreis gab es aber für die Transferleistung, was sich mit lichtinduzierbaren Ionenkanälen alles erforschen lässt.
Nach der Entdeckung des Channelrhodopsins im Jahr 2002 hatte Hegemann seinen Kollegen und nun ebenfalls Nobelpreisträger Georg Nagel, Biologe und Professor an der Universität Würzburg, davon berichtet. Nagels Team gelang es schließlich, ChR1 in Krallenfrosch-Oozyten zu exprimieren und die Eigenschaften des Proteins darzustellen.
Optogenetik: Von der Grünalge zum Nervensystem
Der ebenfalls mit dem Nobelpreis geehrte US-Forscher Karl Deisseroth, Psychiater, Neurobiologe und Bioingenieur an der Stanford University, erhielt von Hegemann und Nagel die genetischen Werkzeuge und übertrug diese auf Nervenzellen, womit die Optogenetik etabliert war. Deisseroth veröffentlichte dazu u. a. eine Arbeit im Jahr 2011 im Fachmagazin „Nature“.
Bereits im Jahr 2010 erhob das „Nature“ die Optogenetik zur „Methode des Jahres“. Heute fasst man darunter das Einbringen von Genen lichtgesteuerter Proteine in Zellen oder Organismen, mit dem Ziel, konkrete funktionelle Ereignisse in Zellen, Geweben oder ganzen Organismen gezielt durch die Einwirkung von Licht spezifischer Wellenlänge an- oder auszuschalten.
Erster Therapieansatz basierend auf Optogenetik entwickelt
Seit Kurzem gibt es auch eine mögliche therapeutische Anwendung der Optogenetik: Schweizer Forschende haben einen Ansatz für eine Gentherapie basierend auf Channelrhodopsinen entwickelt, mit der sich bei einer seltenen Augenkrankheit die Sehkraft zum Teil wieder gewinnen lässt.
Damit sind Alfred Nobels Bedingungen für die Erfinder der Optogenetik offensichtlich erfüllt, schließlich soll der Preis ja an diejenigen ausgeteilt werden, „die im vergangenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen erbracht haben“. Quellen:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18552201/
doi:10.1126/science.1072068
doi:10.1073/pnas.1936192100
doi:10.1038/nmeth.f.324, PMID 21191368.
https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa2602215