Objev optogenetiky natolik posunul lidské poznání, že za něj jeho autoři dostali Nobelovu cenu za medicínu a fyziologii. Oznámil to v pondělí dopoledne Švédský Karolínský institut.
Cena byla udělena Karlovi Deisserothovi, Peterovi Hegemannovi a Georgovi Nagelovi „za jejich objevy týkající se světlem řízených iontových kanálů a optogenetiky“.
Optogenetika je metoda, která umožňuje zapínat a vypínat vybrané buňky, nejčastěji neurony, pomocí světla. Vědci do nich pomocí genetických úprav vloží gen pro světlocitlivý protein, například kanál rhodopsin původem z řas. Když takovou buňku osvítí světlem určité vlnové délky, protein změní svůj stav, otevře iontový kanál a neuron se aktivuje.
Díky tomu jde s naprostou přesností ovlivňovat jen konkrétní typ buněk, což klasické metody, jako elektrická stimulace nebo léky, neumožňují. Využívá se toho hlavně v základním výzkumu mozku, kde metoda pomáhá zjistit, které neurony a okruhy řídí například paměť, strach, pohyb, spánek nebo chuť k jídlu. Zkoumá se také jako možná léčba, třeba pro obnovení zraku u některých dědičných poruch sítnice (první klinické pokusy už proběhly), a do budoucna u epilepsie, Parkinsonovy nemoci nebo poruch srdečního rytmu.
Objev začal jedním proteinem
Optogenetika je – velmi zjednodušeně – metoda, která umožňuje ukázat, jak nervové buňky utvářejí vzpomínky, pocity a chování v živém mozku. Peter Hegemann a Georg Nagel objevili v jednobuněčné řase pozoruhodný protein a Karl Deisseroth tento protein přeměnil na světlem ovládaný spínač pro nervové buňky. Laureáti podle Nobelovské komise položili základy úplně „nové éry v neurovědách“.
Způsob, jakým mozek řídí pocity, chování a tělesné funkce, byl pro vědce dlouhou dobu záhadou. Ve 20. století začali badatelé zkoumat, které oblasti mozku ovlivňují různé funkce, ale tehdejší metody jim neumožňovaly prokázat příčinné souvislosti. Obraz mozku, který vytvořili, připomínal spíš náčrt mapy – plný otazníků a neznámých. Trojice laureátů to zásadně změnila: z črty díky nim vzniklo detailní schéma.
Všechno to začalo zvědavostí Hegemanna. Zajímalo ho, jak je jednobuněčná zelená řasa Chlamydomonas schopná plavat směrem ke zdroji světla. Na počátku 21. století objevil společně s Nagelem řasový protein s jedinečnými vlastnostmi, který se nachází na povrchu buňky. Když se na něj posvítí modrým světlem, otevře se v proteinu kanál. Nabité ionty pak proudí do buňky a vytvářejí elektrický impuls. Zjistili, že bez ohledu na to, do které buňky tento protein vložili, staly se tyto buňky citlivými na světlo.
Deisseroth pak přenesl tyto objevy do praxe, když jako první vložil gen pro tento protein do nervových buněk krys. A když osvítil jejich buňky modrým světlem, dokázal tak vyvolat nervový signál. Tento průlom zveřejnil v roce 2005. Ve výzkumu pokračoval a o dva roky později se mu podařilo tento světlem ovládaný spínač pro nervové buňky zprovoznit v mozcích živých myší.
Karl Deisseroth (*1971) je americký neurovědec a psychiatr působící na Stanfordově univerzitě. Doktorát získal v roce 1998 a lékařský titul v roce 2000 na Stanfordově univerzitě. Je profesorem bioinženýrství a psychiatrie a behaviorálních věd. Ve svém výzkumu se zaměřuje především na fungování mozku a mechanismy, které stojí za vznikem a projevy duševních poruch.
Peter Hegemann (*1954) je německý neurovědec a biochemik, profesor neurověd na Humboldtově univerzitě v Berlíně. Doktorát získal v roce 1984 na Max Planckově institutu pro biochemii v Martinsriedu. Jeho výzkum významně přispěl k pochopení toho, jak světlo ovlivňuje činnost buněk, a položil základy rozvoje optogenetiky. Oceněné objevy učinil během svého působení na Planckově institutu pro biochemii.
Georg Nagel (*1953) je německý fyziolog a profesor molekulární fyziologie rostlin působící na univerzitě ve Würzburgu. Doktorát získal v roce 1988 na univerzitě ve Frankfurtu. Jeho vědecká práce významně přispěla k objevu proteinů citlivých na světlo, které umožňují řídit aktivitu buněk pomocí světla, a tím k rozvoji optogenetiky.
Tato metoda ovládání nervových signálů světlem se dnes nazývá optogenetika a rychle si získala celosvětový ohlas. Pomocí ní se výzkumníkům podařilo odhalit nervové obvody řídící konkrétní vzpomínky, pocity a chování související s neurologickými a psychiatrickými poruchami. V klinické medicíně už výzkumníci tuto metodu využívají například při pokusech o obnovení zraku u lidí se zrakovým postižením.
„Optogenetika zásadně změnila naše chápání fungování mozku. Každý den přináší nové objevy, které pomáhají odhalit jedno z velkých tajemství lidstva: jak funguje náš úžasný mozek,“ dodala Nobelovská komise.
Na cestě k léčbě
Dlouhé roky se předpokládalo, že praktické dopady optogenetiky jsou ještě velmi vzdálené. V poslední době se ale podařilo několik průlomových objevů, které ukázaly, že poznatky získané pomocí optogenetiky povedou k novým léčebným postupům. Zatím tato metoda umožnila lépe porozumět typickým rysům psychiatrických a neurologických poruch, jako jsou deprese, úzkost, schizofrenie, Alzheimerova choroba a Parkinsonova choroba.
Vědci už ale také směřují výzkum k využití optogenetiky v lékařské praxi. V probíhajících klinických studiích se pokoušejí obnovit zrak u lidí, kteří oslepli v důsledku retinitis pigmentosa, což je nemoc, které ničí tyčinky a čípky v oku. Když do sítnice slepé osoby vložili speciální protein, testovaná osoba částečně znovu získala zrak. Pomocí speciálních brýlí vyzařujících světlo byl tento člověk schopný rozeznat a uchopit předměty na stole.
A existuje dokonce i naděje, že by optogenetika mohla zlepšit fungování kochleárních implantátů. V současné době tato zařízení stimulují sluchový nerv pomocí elektřiny. Kdyby bylo místo toho možné využít optogenetiku, implantát by mohl být schopen aktivovat sluchový nerv s větší přesností.
Kdo si zaslouží cenu
Letošní ocenění může působit do značné míry kontroverzně. Už řadu let se totiž řeší, kdo ve skutečnosti optogenetiku objevil. Když totiž Deisseroth objevil výše popsané jevy, nebyl první. O několik měsíců dříve totiž přišel se stejným objevem Čuo-Chua Pchan z Wayne State University v Detroitu.
Jenže odborné časopisy, kam svůj výzkum Pchan odeslal, zdržely vydání tak, že Deisserothova studie vyšla dříve. A díky tomu získal nejen ocenění a slávu, ale také příliv financí, které mu pomohly v dalším výzkumu. Oba články se věnovaly něčemu lehce odlišnému, základ byl ale stejný: výzkum techniky, která zkoumá citlivost neuronů na světlo.
Nobelovy ceny za medicínu
Loni cenu v kategorii fyziologie nebo lékařství získali Američané Mary E. Brunkowová a Fred Ramsdell a Japonec Šimon Sakaguči za objevy v oblasti imunologie. Těmto vědcům se podařilo identifikovat a popsat regulační T-lymfocyty, tedy buňky, které brání imunitnímu systému v napadání vlastního těla. Díky jejich práci vznikl obor věnující se výzkumu takzvané periferní tolerance.
Laureáti Nobelových cen vedle prestiže, která je s oceněním spojena, získají diplom, medaili a v každé kategorii i finanční odměnu 12 milionů švédských korun – v přepočtu 25,9 milionu českých korun.
