Нобелевскую премию по медицине 2026 года дали за белок водоросли, включающий нейроны светом

Белок, который помогает одноклеточной прудовой водоросли плыть на свет, стал причиной того, что учёные теперь могут включать или выключать определённый тип клеток мозга вспышкой синего света. Нобелевская ассамблея Каролинского института присудила премию по физиологии или медицине трём исследователям, которые нашли этот белок и превратили его в инструмент: Карлу Дайссероту (Karl Deisseroth) из Стэнфордского университета и Медицинского института Говарда Хьюза, Питеру Хегеманну (Peter Hegemann) из Берлинского университета имени Гумбольдта и Георгу Нагелю (Georg Nagel) из Вюрцбургского университета.

Метод называется оптогенетикой, и он изменил возможности доказательных исследований мозга. Нейробиологи и раньше могли видеть, какие области активируются во время страха или голода, но редко могли показать, что именно определённый тип нейронов вызывает это ощущение. С помощью оптогенетики они могут включать эти клетки у живого животного и наблюдать появление поведения или выключать их и видеть, как оно прекращается. Лаборатории по всему миру уже использовали этот метод для локализации цепей, отвечающих за память, боль, жажду, сон и социальное поведение, а сейчас его тестируют как лечение одной из форм слепоты.

Комитет отметил трёх учёных «за их открытия, касающиеся светочувствительных ионных каналов и оптогенетики». Они разделят 12 миллионов шведских крон поровну. «Оптогенетика даёт возможности для картирования мозга так, как мы раньше могли только мечтать», — сказал Пер Свеннингссон (Per Svenningsson), председатель Нобелевского комитета по физиологии или медицине.

Водоросль, реагирующая в 20 раз быстрее человеческого глаза

История начинается с Chlamydomonas — зелёной водоросли, состоящей из одной клетки. Поместите её в чашку, осветите одну сторону, и бледно-зелёная взвесь потянется к лампе. Водоросль чувствует свет через глазок — крошечное оранжевое пятно, содержащее ретиналь, ту же светочувствительную молекулу, что и в наших глазах.

Хегеманн, работавший тогда в Институте биохимии Макса Планка в Мартинсриде, измерил глазок тонкими электродами и обнаружил электрический импульс через полмиллисекунды после попадания света. В человеческом глазу свет запускает цепочку химических реакций, прежде чем откроется ионный канал, и весь процесс занимает не менее 10 миллисекунд. Водоросль оказалась более чем в двадцать раз быстрее.

Объяснение Хегеманна было простым: один белок должен выполнять обе задачи — улавливать свет и открывать пору для заряженных частиц. Коллеги сомневались, потому что ни один известный ионный канал не реагировал на свет сам по себе. Когда его команда попыталась извлечь белок из глазка, он распался, и идея застряла на годы.

Как это сделали

Прорыв произошёл, когда японские исследователи опубликовали генетические последовательности Chlamydomonas. Группа Хегеманна нашла два гена, напоминающих известные светочувствительные белки, и отправила их Нагелю в Институт биофизики Макса Планка во Франкфурте.

Нагель ввёл каждый ген в яйцеклетки лягушки — стандартный приём, превращающий яйцеклетку в фабрику чужеродного белка. Белки осели на поверхности яйцеклеток, и когда Нагель направил на них свет, они открылись. Положительно заряженные ионы потекли внутрь, создавая электрический ток. Гипотеза Хегеманна подтвердилась. Команда назвала два белка каналородопсином-1 и каналородопсином-2, и второй открывался через 0,2 миллисекунды после светового импульса.

В клетках эмбриональной почки человека и в клетках хомяка каналородопсин-2 также генерировал электрические сигналы под действием света. Белок вёл себя как переносимый переключатель: любая клетка, несущая этот ген, отвечала на свет.

Дайссерот искал именно это. Получив образование психиатра, он во время клинической работы был поражён тем, как мало существующие методы лечения помогают пациентам с депрессией или шизофренией, и хотел изучать цепи в живом мозге, а не в тонких срезах ткани. Он написал Нагелю с просьбой прислать ген каналородопсина-2, вставил его в нейроны крысы, растущие в чашке, и направил на них синий свет. Нейроны срабатывали по команде, и сигнал передавался соседним клеткам.

Затем его группа доставила ген в один тип клеток моторной коры живых мышей и ввела тонкое оптическое волокно через небольшое отверстие в черепе. Импульсы света заставляли животных двигать усами. В другом эксперименте свет, направленный на предполагаемую цепь бодрствования, будил спящих мышей.

Почему свет победил электроды и лекарства

Электрод стимулирует все нейроны рядом со своим кончиком, независимо от их типа. Лекарство распространяется по ткани и действует в течение минут. Оптогенетика точна сразу в двух отношениях. Ген попадает только в выбранный тип клеток, а свет переключает эти клетки за миллисекунды, соответствуя скорости реальных нервных сигналов. Фрэнсис Крик (Francis Crick), получивший Нобелевскую премию за двойную спираль ДНК, предположил, что свет был бы идеальным способом управлять отдельными нейронами, хотя и признавал, что идея звучала надуманно.

Точность важна из-за масштаба. Мозг взрослого человека содержит около 90 миллиардов нервных клеток, каждая связана с тысячами других, а нейроны с несвязанными функциями переплетены. Работая с нобелевским лауреатом Сусуму Тонегавой (Susumu Tonegawa), команда Дайссерота реактивировала конкретные клетки, хранящие память о страхе у мышей, и животные проявляли страх в месте, где им ничего не угрожало. Другие группы картировали цепи жажды, внимания и лихорадки, обнаружили, что сбор детёнышей в гнездо и их вылизывание управляются разными цепями у мышей, и показали, что сердце, вынужденное биться сильнее, может усиливать тревогу.

Что премия не решает

Оптогенетика всё ещё в основном исследовательский инструмент, а не терапия. Использование её на людях означает введение чужеродного гена в человеческие клетки, обычно с помощью модифицированного вируса, и доставку света глубоко в ткань, что в мозге требует имплантата. Ни один из этих шагов не является рутинным для пациентов, а долгосрочная безопасность ношения белка водоросли в человеческих нейронах не установлена.

Самый ясный результат на людях узок. Мужчина, ослепший 40 лет назад из-за пигментного ретинита, получил ген каналородопсина в один глаз и очки, проецирующие световые импульсы на сетчатку. Он восстановил зрение настолько, чтобы находить и считать предметы на столе, согласно отчёту о случае в Nature Medicine в 2021 году. Один пациент — это доказательство принципа, а не свидетельство того, что лечение работает широко, и испытания всё ещё продолжаются.

Премия также проводит черту через переполненное поле. Правила Нобеля позволяют не более трёх лауреатов на премию. Статья 2005 года, в которой впервые нейроны были переключены с помощью каналородопсина-2, была написана в лаборатории Дайссерота, где первым автором был Эдвард Бойден (Edward Boyden), а соавторами — Фэн Чжан (Feng Zhang) и биофизик Эрнст Бамберг (Ernst Bamberg). Геро Мизенбёк (Gero Miesenböck) из Оксфорда ранее заставлял нейроны срабатывать в ответ на свет, используя другую светочувствительную систему. Бамберг, Бойден и Мизенбёк разделили Brain Prize 2013 года за оптогенетику с тремя нынешними лауреатами, но они не входят в число нобелевских.

От яйцеклетки лягушки до Стокгольма

Путь к премии прошёл через несколько статей. Нагель, Хегеманн и коллеги описали каналородопсин-1 в Science в 2002 году и каналородопсин-2 в PNAS в 2003 году. Группа Дайссерота сообщила об управляемых светом нейронах в Nature Neuroscience в 2005 году, метод получил своё название в 2006 году, а первое управление нейронами внутри живого мозга мыши последовало в 2007 году. Эксперимент с памятью страха с Тонегавой был проведён в 2012 году.

Часто задаваемые вопросы о Нобелевской премии по медицине 2026 года

Кто получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине 2026 года?

Карл Дайссерот из Стэнфордского университета и Медицинского института Говарда Хьюза, Питер Хегеманн из Берлинского университета имени Гумбольдта и Георг Нагель из Вюрцбургского университета. Они удостоены награды за открытия, касающиеся светочувствительных ионных каналов и оптогенетики, и разделят 12 миллионов шведских крон поровну.

Что такое оптогенетика простыми словами?

Это способ управлять выбранными нервными клетками с помощью света. Исследователи добавляют ген светочувствительного белка, например каналородопсина, в один тип нейронов. Затем свет нужного цвета включает или выключает эти клетки за миллисекунды, что позволяет учёным проверять, что делает каждый тип клеток.

Используется ли оптогенетика для лечения пациентов?

Пока не как одобренная терапия. Клинические испытания проверяют её для восстановления частичного зрения у людей, ослепших из-за пигментного ретинита, и один пролеченный пациент восстановил способность находить и считать предметы с помощью специальных очков. Исследователи также надеются, что она может сделать кохлеарные имплантаты более точными, чем электрическая стимуляция.

Трое лауреатов получат медали и дипломы на церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме 10 декабря. Водоросль, с которой всё началось, всё ещё плывёт к свету в прудовой воде, а белок в её глазке теперь открывается по команде в лабораториях по всему миру.

Reference: Nagel et al., «Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,» PNAS, 2003. DOI: 10.1073/pnas.1936192100. Boyden et al., «Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,» Nature Neuroscience, 2005. DOI: 10.1038/nn1525

Теги: Нобелевская премия, channelrhodopsin, Georg Nagel, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, нейробиология