Нобелевская премия по физиологии и медицине этого года присуждена ученым, которые научились управлять клетками мозга при помощи света. Награду получили Карл Дайсерот, Петер Хегеманн и Георг Нагель за исследования «светозависимых ионных каналов и оптогенетики». Об этом сообщает SciTechDaily.
Петер Хегеманн из Берлинского университета имени Гумбольдта и Георг Нагель из Вюрцбургского университета изучали, как одноклеточная водоросль Chlamydomonas (хламидомонада) воспринимает свет. Способность реагировать на освещение есть не только у животных с глазами: многие живые организмы используют свет, чтобы ориентироваться в окружающей среде. Даже у одноклеточных есть белки, которые реагируют на свет — с их помощью они движутся к источнику света или от него, получают энергию и подстраиваются под суточный ритм.
Исследователи выяснили, что у хламидомонады работает остроумный механизм светочувствительности, основанный на одном белке — канальном родопсине. Этот белок встроен во внешнюю мембрану клетки водоросли: одна его часть обращена к воде снаружи, другая — внутрь клетки. В составе белка есть небольшая молекула ретинальдегида, которая способна поглощать свет. Когда свет попадает на нее, она меняет форму, вслед за ней меняется и сам белок, и в мембране открывается крошечный канал. Через него положительно заряженные частицы, в том числе натрий, устремляются снаружи внутрь клетки, и этот поток зарядов дает водоросли сигнал, помогающий ей плыть.
Ценность открытия для медицины связана с тем, как работают нервные клетки: их активность тоже управляется движением заряженных частиц (ионов) через мембрану. Когда положительные частицы попадают в нейрон, он возбуждается. Ученые поняли, что если внедрить канальный родопсин в нервные клетки, их можно будет включать простым освещением. Именно это и сделали Хегеманн, Нагель и третий лауреат — Карл Дайсерот, психиатр и биоинженер из Стэнфордского университета в Калифорнии. Метод управления нейронами с помощью света получил название оптогенетика и стал мощным инструментом исследований: он позволяет включать и выключать отдельные группы нервных клеток и наблюдать за результатом.
На практике ген канального родопсина доставляют в нужные нейроны обычно с помощью вируса, который изменяют так, чтобы он не вызывал заболеваний. Клетки начинают производить белок и становятся чувствительными к свету. У животных, например у мышей, свет подают в мозг через тонкое оптоволокно: когда он доходит до клеток, канал открывается и нейроны активируются, а соседние клетки без этого белка остаются нетронутыми. Свет можно направлять на очень небольшой участок мозга и включать или выключать почти мгновенно. В одном из экспериментов 2012 года мышам в определенной клетке давали слабый удар током, а затем с помощью оптогенетики помечали нейроны центра памяти, активные в момент выработки страха. Спустя дни в другой клетке эти клетки включали светом, и животные замирали от страха, словно вспоминали удар. Мыши, которых током не били, не замирали, что подтвердило: свет возвращал конкретное воспоминание.
Оптогенетика уже проходит ранние клинические испытания как метод лечения людей с дегенерацией сетчатки. В этих испытаниях светочувствительные белки вводят в нервные клетки, сохранившиеся в сетчатке после гибели палочек и колбочек, которые обычно улавливают свет, — так оставшиеся клетки начинают реагировать на освещение и частично возвращают зрение. Ученые также проверяют, можно ли в перспективе применять метод при неврологических заболеваниях, включая болезнь Паркинсона и эпилепсию. Нынешняя награда отмечает работу, начавшуюся с вопроса, который может показаться отвлеченным: как хламидомонада плывет к свету? У этого вопроса нет очевидной практической пользы, но успех оптогенетики показывает, насколько важно продолжать задавать вопросы ради понимания окружающего мира, ведь предсказать, куда приведут знания, невозможно.