Mateusz Grzeszczuk: Tegoroczny Nobel z medycyny przyznano za „odkrycia dotyczące światłoczułych kanałów jonowych i optogenetyki”. Jak wytłumaczyć to komuś, kto nie jest biologiem?
Prof. Magdalena Dziembowska: Na szczęście da się to wytłumaczyć stosunkowo prosto. Formalnie to nagroda z fizjologii lub medycyny, ale w tym przypadku bliżej jej do fizjologii. Dla mnie jako neurobiolożki to po prostu Nobel z neurobiologii. Przyznano go za odkrycie kanału jonowego aktywowanego światłem, który możemy włączać i wyłączać w komórkach nerwowych w żywym mózgu.
Czytaj więcej
Szwedzki Instytut Karolinska przyznał Nagrodę Nobla 2026 w dziedzinie fizjologii i medycyny. Laureatami zostali Karl Deisseroth, Peter Hegemann ora...
Czyli trzech naukowców nauczyło się włączać i wyłączać komórki mózgu światłem. Coś jak lampka, którą zapala się w głowie?
W bardzo dużym uproszczeniu – tak. Wszystko zaczęło się od białka odkrytego w bardzo prostym organizmie, jednokomórkowym glonie o nazwie Chlamydomonas. Ten glon ma skłonność do pływania w stronę światła i naukowców po prostu zaciekawiło, jak to się dzieje. Kiedy mu się przyjrzano, okazało się, że ma tak zwaną plamkę oczną, czyli miejsce, które reaguje na światło. W takich miejscach zwykle znajdują się białka. Pojawiło się więc podejrzenie, że to białka światłoczułe i że działają jak kanał jonowy.
Ta historia jest naprawdę piękna, bo prowadzi od jednokomórkowego glonu, przez komórki jajowe żaby, aż do neuronów, które dziś możemy aktywować w mózgach żywych zwierząt. Badania prowadzimy głównie na myszach i szczurach.
Gdybym teraz wziął latarkę i poświecił pani w oczy, nic by się nie stało?
Nie, to tak nie działa. Potrzebna jest tak zwana ekspresja, czyli obecność tego białka w konkretnym typie komórek nerwowych. A to już jest bardziej skomplikowane, bo białko trzeba do nich wprowadzić. To nadal jest białko pochodzące z glonu – kanałorodopsyna-2, w literaturze channelrhodopsin-2.
Reaguje ona na niebieskie światło: pod jego wpływem kanał jonowy się otwiera. Co ważne, dzieje się to bardzo szybko, bo to samo białko jest jednocześnie receptorem światła i kanałem. Do komórki napływają jony dodatnie, neuron zostaje aktywowany, a sygnał może być przekazywany dalej w sieci neuronalnej. Udaje on naturalny impuls nerwowy, jaki powstaje w mózgu, gdy myślimy, mówimy, formułujemy idee czy marzymy. Dzięki temu możemy sprawdzić, który rodzaj neuronów odpowiada za jaką reakcję fizjologiczną. Bo w dużej mierze wciąż tego nie wiemy.
Skąd sama nazwa „optogenetyka”?
To zlepek dwóch członów. „Opto” – bo nasz kanał jest indukowany światłem. Pierwsza kanałorodopsyna reagowała na światło niebieskie, dziś mamy już wiele kanałów wrażliwych na różne długości fali, także na czerwień. „Genetyka”, bo do komórek trzeba wprowadzić konstrukt genetyczny, dzięki któremu powstanie białko w naszym organizmie normalnie niewystępujące. Zresztą po co nam reakcja na światło w mózgu? Jest schowany w czaszce, w normalnych warunkach światło do niego nie dociera.
W praktyce robi się to tak, że za pomocą wirusów wprowadzamy konstrukt genetyczny do określonego typu komórek nerwowych. A potem, to może brzmieć groźnie, trzeba jeszcze doprowadzić do mózgu źródło światła. Wiercimy w czaszce zwierzęcia otwór, umieszczamy w mózgu cieniutki światłowód i oświetlamy te neurony, które chcemy aktywować.
Czytaj więcej
Naukowcom po raz pierwszy udało się częściowo przywrócić wzrok niewidomemu pacjentowi poprzez modyfikację jego komórek - wynika z z opublikowanych...
Spróbuję porównania. Przez ponad sto lat neurobiolodzy byli jak ludzie, którzy chcą zrozumieć orkiestrę, ale słuchają jej przez ścianę. Wiedzieli, że w mózgu coś gra. Elektrodami potrafili wychwycić pojedyncze dźwięki, lekami ściszyć całe sekcje naraz. Nie mogli jednak wskazać jednego muzyka i poprosić, żeby zagrał coś konkretnego albo przestał grać. Tegoroczny Nobel docenia to, że w końcu się udało?
To dobre porównanie. I warto pamiętać, że prowadziła do tego droga złożona z kilku kroków. Peter Hegemann zastanawiał się, jak glon pływa w kierunku światła, i wskazał białka, które mogą za to odpowiadać. Georg Nagel wprowadził kodujące je cząsteczki do komórek jajowych żaby, choć wtedy nikt jeszcze nie miał pewności, że to rzeczywiście kanał jonowy. Kiedy białko powstało i wbudowało się w błonę komórkową, a komórki oświetlono, pojawił się sygnał elektryczny, który dało się zmierzyć. Oocyty żaby są stosunkowo dużymi komórkami, więc to był idealny model. Ten krok pokazał, że mamy do czynienia z kanałem jonowym aktywowanym światłem.
Dopiero gdy te wyniki opublikowano, można było przejść do komórek nerwowych, najpierw hodowanych w szalce, a potem w żywym mózgu. To z kolei zasługa zespołu Karla Deisserotha ze Stanfordu.
Trzydzieści lat temu naukowiec, który prosiłby o pieniądze na obserwowanie glonów, miałby chyba trudne zadanie. Dziś słyszymy o depresji, uzależnieniach, chorobie Parkinsona. Co z tego odkrycia będzie miał przeciętny czytelnik, który martwi się o zdrowie swoich dziadków?
To pytanie, którego zawsze się boję. Wszyscy boimy się chorób i chcielibyśmy nie chorować. Prowadźmy więc zdrowy tryb życia: dobrze się odżywiajmy, dużo pijmy, wysypiajmy się i uprawiajmy sport. Ale każdy z nas ma też predyspozycje genetyczne i niektórych chorób w pewnym sensie nie da się uniknąć.
Przy tak dużych odkryciach zawsze pada pytanie, co dają ludzkości. Jest ono w pełni zasadne, bo Alfred Nobel zapisał w testamencie, że nagroda ma trafiać za odkrycia, które przysłużą się ludzkości. Często jest jednak tak, że technologie, które już posunęły naprzód naszą wiedzę o świecie, trudno zastosować bezpośrednio w leczeniu.
Trwają badania kliniczne nad zastosowaniem optogenetyki między innymi u osób z barwnikowym zwyrodnieniem siatkówki, chorobą prowadzącą do ślepoty. Można sobie wyobrazić, że jeśli wywołamy sygnały nerwowe w siatkówce takich pacjentów, częściowo odzyskają wzrok. I rzeczywiście, w próbach klinicznych chorzy zaczęli widzieć – ale nie tak, jak my. Rozróżniają kształty i potrafią sięgnąć po przedmiot stojący na stole. Wydaje się też, że ta technologia mogłaby poprawić działanie implantów ślimakowych, które dziś stymulują nerw słuchowy prądem. Światło mogłoby robić to szybciej i precyzyjniej.
Natomiast to, co ta metoda dała nam na pewno, to lepsze zrozumienie, jak działa mózg.
Czytaj więcej
Nie trzeba nawet wypić kawy, by organizm zaczął na nią reagować. Naukowcy z Japonii sprawdzili, co dzieje się z nastrojem i aktywnością mózgu człow...
Wciąż tak mało o nim wiemy?
O wielu narządach wiemy bardzo dużo. Niektóre potrafimy nawet przeszczepiać, jak nerki czy serce. Mózg nadal jest jednak miejscem, o którym wiemy stosunkowo niewiele. Wydaje nam się, że wiemy dużo, ale w praktyce znamy głównie jego struktury i z grubsza wiemy, za co odpowiadają. Nie wiemy do końca, jak działa pamięć, jak zakodowane są wspomnienia, jak rodzą się emocje. Za to wszystko odpowiadają jakieś grupy neuronów, ale wciąż musimy je zbadać.
Równolegle rozwijają się inne technologie, na przykład sekwencjonowanie pojedynczych komórek. W mózgu mamy ogromnie wiele typów neuronów – pobudzających, hamujących, bardzo różnych. Dzięki temu, że możemy je sekwencjonować pojedynczo, coraz lepiej wiemy, gdzie jakie neurony się znajdują. A to pozwala tworzyć narzędzia genetyczne, którymi wprowadzimy kanałorodopsynę właśnie do tej jednej grupy, o której funkcji nie mamy pojęcia, i ją aktywujemy albo zahamujemy.
Załóżmy, że zastanawiamy się, czy dana grupa neuronów odpowiada za sen albo za wybudzenie. Świecimy myszy niebieskim światłem do mózgu i mysz się budzi. Aktywując bardzo konkretną, często naprawdę niewielką grupę neuronów, wywołujemy reakcję fizjologiczną. To już jest prawdziwy eksperyment naukowy, stymulujemy określone komórki i widzimy, co się dzieje.
Wszystko zaczyna się od tego, że światło dociera tam, gdzie trzeba.
To niezwykle ważne i zarazem jest to czynnik ograniczający tę metodę. Światło słabo przechodzi przez tkankę i słabo się w niej rozchodzi, zwłaszcza niebieskie. Czerwone radzi sobie dużo lepiej, dlatego pracowano nad rodopsynami reagującymi na czerwień. Wtedy można było pomyśleć, że da się świecić na przykład przez czaszkę.
Sporo mówi się też o tym, kogo zabrakło wśród laureatów. Ed Boyden był pierwszym autorem przełomowej pracy z 2005 roku, na której później budowano. Nauka to praca zespołowa, Komitet Noblowski musi wybierać, ale Boyden nagrody nie dostał.
Zawsze, kiedy ogłaszane są Noble, mówi się dużo o tych, którzy je dostali, ale także o tych, którzy nie dostali, a powinni. Komitet Noblowski podjął tę decyzję z jakiegoś powodu, który jest mi nieznany. Ja zapewne dałabym tego Nobla również jemu.
Wydaje mi się, że chciano pokazać pewną drogę do odkrycia, która zaowocowała niesłychaną technologią. Ona naprawdę bardzo mocno popchnęła neurobiologię i jest dziś powszechnie używana przez naukowców na całym świecie. Być może chodziło też o pokazanie, że wszystko zaczęło się od bardzo prostych badań podstawowych. Nagrodę mogą dostać najwyżej trzy osoby, to zawsze jest ograniczenie. W takiej sytuacji zawsze są poszkodowani i jest mi z tego powodu przykro.
Czytaj więcej
Tegoroczny Nobel z fizjologii lub medycyny trafił do trzech naukowców, którzy nauczyli się włączać i wyłączać komórki nerwowe za pomocą światła. W...
Skoro potrafimy włączać i wyłączać neurony u myszy, to kiedyś będziemy się zastanawiać, jak robić to u ludzi? Sterowanie człowiekiem brzmi jak science fiction.
Myślę, że kiedyś będziemy mogli robić to u ludzi. Najpierw musimy się jednak dowiedzieć, które obwody chcemy włączać i wyłączać. Wciąż do końca nie rozumiemy, jak działa nasz mózg, być może dlatego, że używamy go jako narzędzia do poznawania samego siebie, a to jest stosunkowo trudne.
Weźmy uzależnienia. To badania, które prowadzi między innymi moja koleżanka z Instytutu Biologii Doświadczalnej. Chcielibyśmy wiedzieć, które obwody w mózgu za nie odpowiadają. Ale nauka zajmuje się tym, co nie zostało jeszcze zbadane. Żeby wpływać na mechanizmy fizjologiczne, musimy poznać je dogłębnie. Jeżeli chcemy czymś manipulować u ludzi, musimy naprawdę zrozumieć mechanizm molekularny działania komórek, które chcemy włączyć albo wyłączyć. Inaczej możemy zrobić sobie bardzo poważną krzywdę.
Czy Nobel wciąż emocjonuje samych naukowców?
Absolutnie tak. Co roku śledzimy ogłoszenia i zastanawiamy się, kto dostanie nagrodę. Uważam, że to jedyna nagroda naukowa, która funkcjonuje w świadomości opinii publicznej jako bardzo poważne wyróżnienie za naprawdę ważne odkrycia. Każdy uniwersytet chciałby mieć noblistę, każdy kraj szczyci się swoimi noblistami. To wciąż jest ważna nagroda i rzeczywiście trafia za wielkie odkrycia.
Rozmawiał Mateusz Grzeszczuk
Prof. Magdalena Dziembowska – neurobiolożka, kieruje Pracownią Neurobiologii Molekularnej na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Członkini EMBO.
