An enger winzeger Gréngalg mam Numm Chlamydomonas reinhardtii gëtt et e Protein, dat op Liicht reagéiert. Dat huet d'Gehierfuerschung op de Kapp gestallt.
Den Nobelpräis fir Medezin 2026 hunn de Peter Hegemann, de Georg Nagel an de Karl Deisseroth fir hir Entdeckungen an der Optogenetik gewonnen.
De Prof. Alexander Skupin vum Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB), e Biophysiker aus Däitschland, erkläert, wat dat iwwerhaapt ass a wéi et eis hëllefe kann, d'Gehier besser ze verstoen.
Eng eenzel Nervenzell am Gehier gezielt un- oder ausschalten an da beobachten, wat geschitt: Beweegt sech e Muskel? Verännert sech e bestëmmt Verhalen? Oder gëtt eng Erënnerung aktivéiert?
Genee dat mécht d'Optogenetik (vum griicheschen optikós = "Liicht, gesinn") méiglech.
Dobäi ginn Nervenzelle, och Neurone genannt, genetesch esou verännert, datt si op Liicht reagéieren. Mat Liicht kënnen d'Fuerscher dës Zellen da geziilt aktivéieren oder bremsen.
Sou kënne si ënnersichen, wéi eng Nervenzelle fir wéi eng Funktiounen am Gehier verantwortlech sinn.
Fir de Professer Alexander Skupin vum Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) sinn et zwou Entdeckungen, déi bei der Optogenetik zesummekommen: "Dat sinn am Fong zwou Entdeckungen op eemol a genee dat mécht et spannend, well d'Fuerschung esou fachiwwergräifend ass."
D'Fro vum Peter Hegemann a vum Georg Nagel war: Wéi gesäit eng Gréngalg, wou d'Liicht ass?
"Dat kléngt komesch, well eng Alg huet jo keng Aen. Mee si muss Liicht fannen, well se mat hire Chloroplasten Energie produzéiert, an zwar esou vill a sou effizient wéi méiglech."
An esou ass et zu der éischter Entdeckung komm. An der Membran vun der eenzelleger Gréngalg sëtzt e Protein (Channelrhodopsin), dat Liicht erkennt a sech wéi eng kleng Dier opmécht: Positiv Ione stréimen an d'Zell eran, et entsteet en elektrescht Signal, an d'Alg kritt d'Info"Hei ass Liicht" a schwëmmt dorop zou.
"Dat eleng hätt warscheinlech net den Nobelpräis gewonnen", sou de Biophysiker.
Mee de Karl Deisseroth a seng Fuerschungsekipp hunn entdeckt, datt een de Gen fir dëse Protein an d'Nervenzellen aschleise kann. Doduerch stellen d'Nervenzellen de Protein selwer hier a kënne mat Liicht geziilt aktivéiert ginn:
"Elo kann een eng spezifesch Nervenzell mat Liicht wéi e Schalter un- an ausschalten a kucken, wéi dat ganzt Netzwierk am Gehier dorop reagéiert."
Dem Alexander Skupin no gëtt haaptsächlech u Modeller getest: "Ganz bekannt ass de Wuerm C. elegans. Deen huet just 302 Neuronen, déi och ëmmer op déi selwecht Aart a Weis verschalt sinn. Un deem Wuerm hu mir mëttlerweil verstanen, wéi eng Nervenzell fir wéi eng Funktioun wichteg ass."
Fir den Alexander Skupin huet déi Geschicht och eng perséinlech Säit. Wéi hien 2004 op der Humboldt-Universitéit promovéiert huet, war de Peter Hegemann schonn eng zentral Figur an dësem Fuerschungsfeld:
"Wat mech deemools faszinéiert huet, war datt een an der Fro 'Wéi gesäit eng Gréngalg, wou d'Liicht ass', esou e mächtegen Tool fanne kann, mat deem ee wäitreechend teleologesch Entwécklung maache kann."
Dat huet hien inspiréiert, sech vun der Physik aus a Richtung Computational Neuroscience weiderzeentwéckelen an esou och an der Biologie ze landen.
Spéider huet den Alexander Skupin esouguer selwer mat der Gréngalg geschafft an de Peter Hegemann ëmmer nees op Konferenzen a Virträg erlieft: "De Peter war sécherlech am Sënn vun dëser Kombinatioun, e biologesche System ganz quantitativ ze beschreiwen a wierklech grondlagenfuerschend Froen ze stellen, schonn e bëssen e Virbild fir mech deemools."
An do läit fir hien och eng vun de grousse Lektioune vun dësem Nobelpräis: D'Fuerschung muss net ëmmer direkt weisen, wat se enges Daags brénge wäert:
"Ech maachen do ganz kloer e Statement. Mir brauche Grondlagefuerschung, well grad dat sinn déi Saachen, vun deene mir nach net kënnen ofgesinn, firwat se gutt sinn. Déi hu méi spéit dann dacks e groussen Effekt."
De Professer seet, datt Interdisziplinäritéit, also d'Zesummenaarbecht tëscht de verschiddene Wëssenschaften, ëmmer méi wichteg gëtt: "D'Zäite vun der renger disziplinärer Fuerschung sinn e bëssen eriwwer, well d'Froen elo ëmmer méi grouss a méi komplex ginn."
D'Neurowëssenschaft wier dofir e gutt Beispill. Do hunn d'Fuerscher fréi geléiert, datt d'Gehier extrem komplex ass an, datt een do mat renger disziplinärer Wëssenschaft net weiderkënnt. "Si huet eng laang Traditioun doranner, verschidde Methode vun der Biologie selwer, mee eben och mat mathematesche Modeller a mat physikalesche Prinzippien."
Beim Luxembourg Centre for Systems Biomedicine maache si "e Mix aus Grondlagefuerschung an ugewannter Fuerschung". Dobäi hu si awer e kloert Direktiv dono och eng Verbesserung bei de Patiente matzebewierken. Si kucke sech un "wéi Ionenkanäl genau funktionéieren".
Si schaffen dobäi vill mat AlphaFold, engem KI-Programm, deen aus der Reiefolleg vun Aminosaieren d'Form vu Proteinne viraussoe kann. Seng Entwéckler, den Demis Hassabis an den John Jumper vu Google DeepMind, kruten dofir 2024 den Nobelpräis fir Chimie.
De Programm huet d'Fuerschung an dësem Beräich staark vereinfacht. "Fréier huet ee misse mat komplizéierte Röntgen-Experimenter erausfannen, wéi e Protein ausgesäit. Dat war lues an allkéiers nëmme fir en eenzele Protein méiglech".
Dat war e grousse Sprong: Mat Hëllef vun AlphaFold an anere Simulatioune kënnen d'Fuerscher haut besser ënnersichen, wéi Ionenkanäl, also Proteinnen, am Gehier funktionéieren, wéi se bei Krankheete wéi Alzheimer oder Parkinson verännert kënne sinn a wéi Medikamenter méiglecherweis op si wierke kënnen.
Optogenetik gëtt och am LCSB benotzt, fir ze verstoen, wéi sech bestëmmte Schaltkreesser am Gehier bei Krankheete wéi Alzheimer a Parkinson veränneren.
Mat Liicht kann ee gezielt Neuronen aktivéieren an da vergläichen: Wéi funktionéiert e gesond Gehier? A wéi gesäit dat am kranke Gehier aus?
Dat ass wichteg, well d'Gediechtnes an aner Funktiounen enk mat der elektrescher Aktivitéit vun den Nervenzellen zesummenhänken:
"Bei Parkinson ass d'Iddi, datt d'Ionekanäl am Fong richteg funktionéieren, mee d'Nervenzelle scho belaascht sinn. D'Ionenkanäl schaffen ze vill, d’Zell gëtt iwwerfuerdert. Wann een also kéint soen: 'Mach mol e bësse méi lues', da géif d’Zell manner Stress hunn. Dat heelt d'Krankheet net, mee d'Hoffnung ass, datt dat de Verlaf bremst an d'Symptomer moderéiert."
Wéi hänken déi Milliarden Nervenzellen an eisem Gehier zesummen? A wat soen dës Verbindungen doriwwer aus, wéi mir denken, fillen a wie mir sinn? Genee dat wëllen d'Fuerscher mam sougenannte Konnektom erausfannen.
De Konnektom ass eng Zort Landkaart vum Gehier, déi weist, wéi d'Nervenzelle matenee verbonne sinn. All Gehier huet esou en Netzwierk, mee d'Wëssenschaft kennt nach laang net all seng Verbindungen. Bei engem klenge Wuerm an der Uebstméck ass et scho gelongen, déi komplett Verbindungen am Nervesystem respektiv am Gehier ze kartographéieren.
Den nächste grousse Challenge ass et, dat och bei méi komplexe Gehierer ze packen. Fir d'éischt bei Mais an iergendwann och beim Mënsch, mat senge ronn 86 Milliarden Nervenzellen.
An do kënnt och d'Optogenetik an d'Spill. Well et geet net nëmmen drëm, ze wëssen, wéi d'Nervenzelle verbonne sinn, mee och, wéi se zesummeschaffen:
"Dat ass e bëssen den Holy Grail vun der Neurowëssenschaft: Mir wëllen d'Gehier esou gutt verstoen, datt mir wëssen, wéi mir ticken. Mee do schwätze mir hoffentlech bal driwwer, wann et den nächsten Nobelpräis gëtt", seet de Wëssenschaftler mat engem Laachen.
