Nobel 2026. za fiziologiju ili medicinu: kratka povijest optogenetike

• Naslovna ilustracija: Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel, dobitnici Nobelove nagrade za medicinu 2026. godine (Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach)
• Dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr.

Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu za 2026. godinu dodijeljena je znanstvenicima Karlu Deisserothu, Peteru Hegemannu i Georgu Nagelu za otkriće ionskih kanala kojima se može upravljati putem svjetlosnog signala, te područje optogenetike koja se na temelju toga razvilo. Radi se o prilično nišnom području znanosti pa ću ga pokušati što je moguće jednostavnije prikazati. Naime, svi znamo da se informacija kroz živčane stanice i između njih prenosi putem električnog signala. On nastaje kao rezultat promjena membranskog potencijala, odnosno razlike električnog potencijala između unutrašnjosti i okoline stanice koja nastaje zbog protoka iona kroz membranu stanice. I prije razvoja optogenetike postojala je neuroznanost i bilo je moguće mjeriti električnu aktivnost živčanih stanica, istraživati posljedice oštećenja pojedinih dijelova mozga i povezivati aktivnost određenih područja s pokretima, osjetima ili emocijama.

Međutim, precizno razlučivanje uloga različitih stanica unutar istog područja dugo je bio nepremostiv problem. Dodatnu razinu složenosti unosi i spoznaja da susjedni neuroni ne moraju uopće imati iste funkcije. Dapače, oni mogu pripadati različitim mrežama, slati signale u različite dijelove mozga, pa čak i izazivati suprotne učinke. Stimulacija određenog područja može istovremeno zahvatiti više tipova stanica i živčanih vlakana koja njime prolaze. Za istraživanje takvih mreža potreban je alat koji istodobno omogućuje selektivni precizni odabir stanica koje ćemo ciljati kao i brzi i precizni način na koji će se na njih djelovati. Komunikacija između neurona odvija se u milisekundama, stoga pristupi u kojima su korišteni neki kemijski spojevi nisu mogli biti tako ciljano precizni i brzi jer lijekovi naprosto nemaju takvu brzinu djelovanja kakvu ima električni impuls.

Zanimljivo je da je jedan od očeva suvremene genetike Francis Crick u svojim najranijim razmišljanjima o tome kako brzo uključiti ili isključiti neki neuron sugerirao svjetlost kao idealan signal te je ujedno već prilično precizno definirao cilj novog područja (današnje optogenetike), iako u tom trenutku te ideje nisu bile tehnički ostvarive, a to je precizno odabrati stanice za istraživanje te njima upravljati dovoljno brzo da se može pratiti komunikacija među neuronima. Područje optogenetike se razvijalo kroz nekoliko desetljeća od otkrića proteina kojima mikroorganizmi reagiraju na svjetlost, preko njihova unošenja u neurone, do preciznog upravljanja neuronskim mrežama u živim životinjama.

Temeljna ideja optogenetike je jednostavna i zapravo genijalna. Stanice se genetički modificiraju tako da se omogući korištenje svjetlosti u upravljanju njihovom aktivnošću. Uglavnom je tu riječ o neuronima koje unošenjem proteina osjetljivih na svjetlost možemo ciljano aktivirati ili utišati. Optogenetički proteini omogućuju da se prije spomenuti protok iona kroz membranu regulira svjetlosnim podražajima, čime se postiže prostorno selektivna i vremenski precizna kontrola neuronske aktivnosti. Cijeli se proces odvija u nekoliko koraka. Najprije se u ciljne stanice unese gen koji kodira za protein osjetljiv na svjetlost, primjerice kanalrodopsin. Stanice zatim proizvedu taj protein i ugrade ga u svoju membranu, gdje on preuzima funkciju ionskog kanala koji se otvara kada ga se obasja svjetlošću odgovarajuće valne duljine (u prvim pokusima to je bila plava svjetlost). Tako se stanica zapravo stimulira kratkim svjetlosnim impulsima, što dovodi do otvaranja kanala i promjene električnog statusa neurona. U konačnici to rezultira stvaranjem živčanog impulsa. Ovdje valja napomenuti da postoje i neki drugi optogenetički proteini koji omogućuju utišavanje aktivnosti neurona. Dakle, ovim postupcima kao da smo u stanicu ugradili on-off prekidač koji pali i gasi struju u doslovnom i prenesenom smislu. Čemu bi to imalo služiti? Primjerice, želimo utvrditi koji neuroni sudjeluju u pokretanju brkova eksperimentalnog miša. Korištenjem optogenetike možemo pomoću svjetlosnog signala aktivirati upravo određene neurone za koje pretpostavljamo da sudjeluju u tom procesu i tako možemo provjeriti hoće li se brkovi pomaknuti ili neće. S druge pak strane, njihovim utišavanjem možemo saznati jesu li ti neuroni presudni za to može li miš pomicati brkove ili ta funkcija opstaje i nakon što smo te neurone utišali. Primijetimo kako to nisu identična znanstvena pitanja. Optogenetika nam zapravo omogućuje da precizno ispitamo što se događa s nekim prilično kompleksnim ponašanjem ako promijenimo aktivnost točno određenih neurona. Stoga je postala važan alat za istraživanje neuronskih mreža uključenih u pamćenje, spavanje, strah i brojne druge funkcije.

Prvi biološki temelji postavljeni su 1971. kada su Dieter Oesterhelt i Walther Stoeckenius otkrili bakteriorodopsin, protein u arhejama. Naknadno se pokazalo da ovaj protein koristi energiju svjetlosti za prijenos protona kroz membranu, čime dobivamo dokaz da protein može pretvarati svjetlosnu energiju u promjenu električnog stanja stanice. Zatim su tijekom 70-ih i 80-ih znanstvenici pokušavali stimulirati neurone laserima i bojama osjetljivima na svjetlost čime su pokazali kako je stimulacija moguća, ali oštećenja stanica i slaba selektivnost ovih pristupa ograničavali su njihov daljnji razvoj i primjenu. Tijekom 1990-ih Peter Hegemann istraživao je odgovor jednostanične zelene alge Chlamydomonas reinhardtii na svjetlost.

Specifičnost ove alge je da ima tzv. očnu pjegu, strukturu pomoću koje može registrirati svjetlost te usmjeriti svoje kretanje prema njenom izvoru (slika 1). Međutim, taj odgovor je toliko brz, puno brži od primjerice odgovora fotoreceptora u oku čovjeka, tako da je Hegemann pretpostavio da se mora raditi o nekom jednostavnijem mehanizmu te vjerojatno neposrednoj povezanosti fotoreceptora i ionskog kanala, možda čak unutar iste proteinske strukture. Kada je genom ove alge sekvenciran, Hegemann i suradnici identificirali su dva gena koji bi mogli biti kandidati za kodiranje proteina osjetljivih na svjetlost.

Slika 1. Zelena alga putem očne pjege osjeća svjetlost te se kreće prema njenom izvoru.

Za daljnje istraživanje bila je presudna suradnja s elektrofiziologom Georgom Nagelom. U novom mileniju, 2002. konačno dolazi do proboja na temelju ove suradnje kada Hegemann, Georg Nagel i suradnici opisuju protein kanalrodopsin-1. U svom radu Nagel je koristio jajne stanice žabe (inače često korišten model u fiziologiji i embriologiji) kao sustav u kojem se mogu proizvesti i proučavati strani proteini. U njih je unio gen koji kodira za protein alge koji se zatim ugradio u membranu stanice. Nakon pobuđivanja pomoću svjetlosti došlo je do prolaska iona kroz membranu. Tim je pokusom pokazano kako uistinu taj isti protein može primati svjetlost i djelovati kao ionski kanal. Istodobno Gero Miesenböck i suradnici, koristeći više proteina iz vidnog sustava vinske mušice, također uspijevaju postići da neuroni u kulturi stanica postanu osjetljivi na svjetlost.

Iduće godine Nagel, Hegemann i suradnici pokazuju da kanalrodopsin-2 djeluje kao ionski kanal koji se izravno otvara plavom svjetlošću. Time se prvi put približavamo mogućnosti da se ti nalazi pretvore u svojevrsni molekularni alat – protein koji na temelju svjetlosnog signala može izazvati struju iona.

Slika 2. Unošenjem gena alge Chlamydomonas koji potencijalno kodiraju proteine osjetljive na svjetlost u jajnu stanicu žabe došlo je do sinteze proteina koji se ugradio u membranu i počeo djelovati kao ionski kanal. Taj se kanal otvarao pod utjecajem plavog svjetla. Na taj način ioni su prolazili kroz membranu stvarajući električni signal.

U idućoj znanstvenoj publikaciji iz 2005. Edward Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Nagel i Karl Deisseroth pokazuju kako kanalrodopsin-2 može izazivati električne impulse u neuronima štakora uzgojenim u kulturi stanica s preciznošću od nekoliko milisekundi. Time zapravo udaraju „tehničke” temelje za primjenu optogenetike u istraživanjima.

Slika 3. Deisseroth i suradnici unose gen za kanalrodopsin-2 u neurone štakora uzgojene in vitro te na taj način oni postaju osjetljivi na plavu svjetlost kojom se može potaknuti brzi živčani signal.

Daljnjim razvojem metoda na životinjama pokazano je kako se gen može u stanice unijeti virusnim vektorima, a svjetlost se do odabranog područja mozga može dovesti tankim optičkim vlaknom. Nedugo zatim, 2006.–2007. napravljena su i prva in vivo istraživanja u kojima su genetički modificirani neuroni stimulirani putem optičkih vlakana koja dovode svjetlost u mozak miša. Time je prvi put povezana aktivnost točno određenih neurona u motoričkom korteksu s ponašanjem žive životinje i prvi put skovan pojam optogenetike. Korištenjem ovih metoda prvi je put bilo moguće upravljati pokretima brkova miša (primjer s početka teksta) te istraživati njegov prijelaz iz sna u budnost. U idućim godinama razvijaju se metode utišavanja, pri čemu se koristi protein halorodopsin, uz pomoć kojeg se svjetlošću može potisnuti neuronska aktivnost.

Slika 4. Deisseroth i suradnici ubacili su gen za kanalrodopsin-2 u mozak živog miša i to točno u određenu regiju. Zatim su u mozak također uveli i tanko optičko vlakno kojim su obasjali neurone, čime je dobiven živčani signal i postignuto da miš pomakne brkove.

U pokusima tijekom 2012.–2013. Susumu Tonegawa u suradnji s Deisserothom i suradnicima aktivira označene neurone hipokampusa aktivne tijekom učenja povezanog sa strahom. U daljnjim pokusima mijenjaju vezu između određenog prostora i neugodnog iskustva i tako direktno istražuju neuronske skupine koje sudjeluju u pamćenju. Kako je to u praksi izgledalo? Miš se nalazi u prostoru u kojem mu ništa ne prijeti. No, kada znanstvenici pomoću svjetlosti aktiviraju određenu skupinu njegovih živčanih stanica, miš se ukoči, pokazujući karakterističan odgovor na strah. Te su stanice prethodno bile aktivne tijekom neugodnog iskustva. Njihovim ponovnim uključivanjem znanstvenici su potaknuli reakciju povezanu s tim iskustvom, iako stvarna opasnost više nije bila prisutna. Na ovaj način zapravo istražujemo fizički trag sjećanja u mozgu. Umjesto da znanstvenici prate koje su stanice aktivne dok se životinja nečega prisjeća, uz pomoć optogenetike mogu vidjeti što se događa kada se upravo te stanice ponovno aktiviraju.

Primjena optogenetike omogućila je identifikaciju neuronskih krugova odgovornih za niz fizioloških funkcija i složenih oblika ponašanja, uključujući percepciju boli, žeđ, unos hrane, društvene interakcije, sustav nagrađivanja i usmjeravanje pažnje. Otkrivene su i specifične skupine neurona koje sudjeluju u regulaciji cirkadijanog ritma, ali i one koje pokreću povišenje tjelesne temperature kao odgovor na aktivaciju imunosnog sustava. Posebno su zanimljiva istraživanja složenih oblika ponašanja, primjerice roditeljske skrbi kod miševa. Pokazalo se da ono što izvana doživljavamo kao jedinstven, instinktivan obrazac ponašanja zapravo čini niz zasebnih aktivnosti kojima upravljaju različiti neuronski krugovi. Jedan neuronski krug sudjeluje u prikupljanju mladunaca i njihovu vraćanju u gnijezdo, a drugi regulira njihovo čišćenje i njegovanje. Optogenetika je omogućila da se ti krugovi selektivno aktiviraju ili inhibiraju te utvrdi njihov doprinos pojedinim komponentama roditeljskog ponašanja.

Mogućnosti optogenetike pritom nisu ograničene samo na mozak. Ona se koristi i za mapiranje živčanih veza i istraživanja stanica u drugim organima. Deisseroth i suradnici su tako pokazali da odnos između rada srca i emocionalnih stanja nije jednosmjeran. Ne utječu samo emocije na srčani ritam nego i promjene srčane aktivnosti mogu utjecati na emocionalne reakcije. U eksperimentima na miševima optogenetički izazvano ubrzanje srčanog ritma moglo je pojačati ponašanja povezana s anksioznošću, osobito u situacijama koje su životinje doživljavale kao potencijalno prijeteće. Čini se da emocije nisu isključivo proizvod aktivnosti mozga, nego nastaju i kroz neprekidnu dvosmjernu komunikaciju između središnjeg živčanog sustava i ostatka tijela. Optogenetika nam pritom omogućuje da tu komunikaciju ne samo promatramo nego i eksperimentalno ispitujemo njezine uzročno-posljedične odnose.

Kao krunu razvoja područja 2021. imamo prvu primjenu optogenetike na čovjeku. Naime, José-Alain Sahel, Botond Roska i suradnici po prvi put opisuju djelomičan povrat vida kod pacijenta s pigmentnom retinopatijom, uz genski postupak i posebne naočale. Time se po prvi put pokazuje mogućnost terapijske primjene u čovjeka.

Optogenetički pristup danas se koristi za istraživanje procesa i u drugim stanicama. Veliki doprinos je ovaj pristup donio u rasvjetljavanju aktivacije pojedinih signalnih putova u stanici. Tako su Toettcher i suradnici pokazali da isti Ras-ERK signalni put daje različite biološke ishode ovisno o vremenskom obrascu aktivacije. Stanica razlikuje kontinuirani ERK signal od serije ERK pulseva i na temelju toga aktivira različite stanične programe. Ovaj nalaz posebno je zanimljiv u kontekstu tumorigeneze, gdje često druge metode daju snimku trenutnog aktivacijskog stanja stanica i tkiva dok se ta vremenska dimenzija ne može razlučiti. Kasnije je sličan princip opisan i za neke druge signalne puteve, što ukazuje kako je ideja da je neki signalni put ili aktivan ili neaktivan previše simplistička.

Optogenetika se uključuje i u sustave CRISPR koji se onda mogu aktivirati svjetlom. Tako, npr., LACE sustav kombinira dCas9 s CRY2/CIB1 tako da se transkripcijski aktivator dovodi na ciljani lokus tek nakon osvjetljenja. Time editiranje genoma možemo dodatno ograničiti na točno određeno vrijeme i pojedine stanice u kulturi. Također je razvijen i CAR-T pristup koji se uključuje svjetlom. Konstruirane su LiCAR-T stanice kod kojih se CAR signalizacija sastavlja nakon optičke stimulacije. Ideja je da se T-stanica kroz organizam dovede do tumora i da se puni citotoksični potencijal aktivira samo unutar njega.

Zaključno možemo reći da je optogenetika omogućila kauzalnu manipulaciju biološkog procesa s vrlo visokom prostornom i vremenskom rezolucijom. Time smo dobili jedinstvenu priliku istraživati kompleksne živčane krugove zapravo u četiri dimenzije. Mogućnosti optogenetike tek su u povojima te se smatra da će doprinijeti kako znanstvenim istraživanjima tako i potencijalnim primjenama u liječenju nekih bolesti u kojima će se funkcija neurona potencijalno moći regulirati svjetlosnim signalom.

O laureatima:

Karl Deisseroth (1971.) doktorirao je 1998., a diplomu doktora medicine stekao 2000. na Sveučilištu Stanford u SAD-u. Profesor je bioinženjerstva te psihijatrije i bihevioralnih znanosti na Sveučilištu Stanford u SAD-u i istraživač Medicinskog instituta Howard Hughes.

Peter Hegemann (1954.) doktorirao je 1984. na Institutu Max Planck za biokemiju u Martinsriedu u Njemačkoj. Profesor je neuroznanosti na Sveučilištu Humboldt u Berlinu. Otkrića za koja mu je dodijeljena nagrada ostvarena su na Institutu Max Planck za biokemiju u Martinsriedu u Njemačkoj.

Georg Nagel (1953.) doktorirao je 1988. na Sveučilištu u Frankfurtu u Njemačkoj. Profesor je molekularne fiziologije biljaka na Odjelu za molekularnu fiziologiju biljaka i biofiziku Botanika I, Sveučilišta u Würzburgu u Njemačkoj. Otkrića za koja mu je dodijeljena nagrada ostvarena su na Institutu Max Planck za biofiziku u Frankfurtu u Njemačkoj.

Literatura:

1. Harz H i sur. (1992) The photoreceptor current of the green alga Chlamydomonas. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 338 (1283):39–52. doi: 10.1098/rstb.1992.0127
2. Nagel G i sur. (2002) Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science. 296 (5577):2395–2398. doi: 10.1126/science.1072068
3. Nagel G i sur. (2003) Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci U S A. 100 (24):13940–13945. doi: 10.1073/pnas.1936192100
4. Boyden ES i sur. (2005) Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci. 8 (9):1263–1268. doi: 10.1038/nn1525
5. Aravanis AM i sur. (2007) An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. J Neural Eng. 4 (3):S143–S156. doi: 10.1088/1741-2560/4/3/S02
6. Toettcher JE, Weiner OD, Lim WA. Using optogenetics to interrogate the dynamic control of signal transmission by the Ras/Erk module. Cell. 2013 Dec 5;155(6):1422-34. doi: 10.1016/j.cell.2013.11.004.
7. Polstein LR, Gersbach CA. A light-inducible CRISPR-Cas9 system for control of endogenous gene activation. Nat Chem Biol. 2015 Mar;11(3):198-200. doi: 10.1038/nchembio.1753.
8. Nguyen NT i sur. Nano-optogenetic engineering of CAR T cells for precision immunotherapy with enhanced safety. Nat Nanotechnol. 2021 Dec;16(12):1424-1434. doi: 10.1038/s41565-021-00982-5.