Optogenetik-Pioniere erhalten Nobelpreis für die Erhellung des Gehirns

Der Nobelpreis-gekrönte Durchbruch

Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2026 geht an Karl Deisseroth, Peter Hegemann und Georg Nagel für ihre Entdeckungen zu lichtaktivierten Ionenkanälen und zur Optogenetik. Dieses Feld verbindet Gentechnik und optische Werkzeuge, um die Aktivität von Nervenzellen mithilfe von Licht präzise zu steuern und zu beobachten, und ermöglicht es Wissenschaftlern, das Gehirn mit bislang unvorstellbarer Detailtiefe zu kartieren. Vor diesem Durchbruch wurde das Verständnis der Hirnfunktionen oft mit einer unscharfen Fotografie verglichen, da die vorhandenen Methoden keinen eindeutigen Ursache-Wirkungs-Zusammenhang zwischen der Aktivität bestimmter Nervenzellen und dem Verhalten herstellen konnten. Die Optogenetik hat dieses Verständnis seither verändert: Forscher können die Aktivität einzelner Nervenzellen im lebenden Gehirn an- oder ausschalten und so die neuronalen Schaltkreise offenlegen, die Verhalten, Erinnerungen und Empfindungen steuern, die für neurologische und psychiatrische Erkrankungen relevant sind. Das Karolinska Institutet in Stockholm würdigte ihr Verdienst, den Grundstein für diese Disziplin gelegt zu haben, die die Steuerung von Nervensignalen mit Licht erlaubt. Dieser Ansatz erfüllt eine Vision, die einst der Molekularbiologe Francis Crick erwog, der 1962 für seine Arbeiten zur DNA einen geteilten Nobelpreis für Medizin erhielt.

„Die Optogenetik hat uns die Möglichkeit gegeben, das Gehirn so zu kartieren, wie wir es früher nur erträumen konnten.“
— Per Svenningsson, Präsident des Nobelkomitees für Physiologie oder Medizin
„Die Fähigkeit, Verhalten zu steuern, wirft ethische Fragen auf.“
— Cristian Ripoli, Professor für Physiologie an der Katholischen Universität Rom

Die Entdeckung des Channelrhodopsins

Der Weg zur Optogenetik begann in den frühen 1990er-Jahren mit der Forschung von Peter Hegemann, getrieben von seiner Neugier, wie die einzellige Alge Chlamydomonas so schnell auf Licht reagieren kann, dass sie schwimmen kann. Hegemann beobachtete, dass innerhalb von einer halben Millisekunde nach dem Auftreffen von Licht auf den Augenfleck der Alge ein elektrischer Impuls entstand, eine Reaktion, die deutlich schneller ist als bei anderen biologischen Systemen, etwa der Reaktionszeit des menschlichen Auges von 10 Millisekunden. Er vermutete, dass ein einzelner Proteinkomplex Licht einfängt und zugleich als Ionenkanal wirkt, ein Protein, das gezielt Ionen in eine Zelle hinein oder aus ihr heraus passieren lässt. Diese Idee stieß zunächst auf Skepsis, da keine damals bekannten Ionenkanäle selbstständig auf Licht reagieren konnten. In den frühen 2000er-Jahren identifizierte Hegemann jedoch gemeinsam mit Georg Nagel zwei Gene in der DNA der Alge, die Proteine namens Channelrhodopsin-1 und Channelrhodopsin-2 hervorbrachten. Ihre gemeinsame Arbeit bestätigte, dass diese Proteine tatsächlich Ionenkanäle sind, die sich bei Lichteinfall öffnen, und bestätigte damit Hegemanns Hypothese.

Lichtgesteuerte Neuronen konstruieren

Channelrhodopsin-2 erwies sich als besonders wichtig für die Entwicklung der Optogenetik. Wird dieses Protein mit blauem Licht beleuchtet, öffnet sich innerhalb von 0,2 Millisekunden ein Kanal darin und lässt geladene Ionen passieren. Karl Deisseroth trieb diese Entdeckung dann voran, indem er das Gen für Channelrhodopsin erfolgreich in die Nervenzellen von Ratten übertrug. Durch Beleuchtung dieser gentechnisch veränderten Nervenzellen mit blauem Licht konnte er ein Nervensignal auslösen. Weitere Experimente zeigten, dass dieser „Lichtschalter“ Nervenzellen im Gehirn lebender Mäuse steuern konnte und das Protein damit zu einem präzisen Werkzeug zur Manipulation neuronaler Aktivität machte. Die Fähigkeit, bestimmte Neuronen mit Licht zu aktivieren oder zu deaktivieren, hat die Art, wie Wissenschaftler die Hirnfunktion untersuchen, grundlegend verändert.

Neurowissenschaften und Medizin im Wandel

Die Entwicklung der Optogenetik hat unser Verständnis des Gehirns grundlegend verändert und ermöglicht es Wissenschaftlern, seine komplizierten Abläufe mit beispielloser Detailtiefe zu erforschen. Per Svenningsson, Präsident des Nobelkomitees für Physiologie oder Medizin, erklärte, die Optogenetik habe die Möglichkeit geboten, das Gehirn auf eine Weise zu kartieren, von der man früher nur träumen konnte. Die Technik hat bereits erhebliches klinisches Potenzial gezeigt, etwa die teilweise Wiederherstellung des Sehvermögens bei Menschen mit Retinitis pigmentosa, indem ihre Netzhautzellen lichtempfindlich gemacht werden. Sie bietet zudem enormes translationales Potenzial, da sie es erlaubt, Hirnareale bei neurodegenerativen Prozessen unter Umgehung funktioneller Anomalien zu aktivieren. Cristian Ripoli, Professor für Physiologie an der Katholischen Universität Rom, merkte an, die Optogenetik eröffne zwar „enorme Perspektiven“, werfe aber wegen der Möglichkeit, Verhalten zu steuern, auch „ethische Probleme“ auf. Die Technik wird seit etwa 20 Jahren, seit 2005, eingesetzt und erleichtert es, den Zusammenhang zwischen bestimmten Hirnarealen und ihren Funktionen zu verstehen.

Die Patentseite der Optogenetik

Die Entdeckungen hinter der Optogenetik sind auch geschütztes geistiges Eigentum. Max Planck Innovation, der Technologietransferarm der Max-Planck-Gesellschaft, an der Hegemann und Nagel ihre Arbeit durchführten, vergibt Lizenzen auf Channelrhodopsin-basierte Technologien, während die Stanford University in ihrem Technologie-Lizenzkatalog mehrere Channelrhodopsin-Erfindungen aus Deisseroths Labor aufführt. Die Nobel-Auszeichnung dürfte neue Aufmerksamkeit auf diese Patentportfolios lenken, da Unternehmen optogenetische Werkzeuge vom Labor in Richtung Therapien bringen.

Die Wissenschaftler hinter der Entdeckung

Karl Deisseroth, 1971 in den Vereinigten Staaten geboren, ist Professor für Bioengineering, Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften am Howard Hughes Medical Institute und an der Stanford University. Peter Hegemann, 1954 in Deutschland geboren, ist Professor für Neurowissenschaften an der Humboldt-Universität zu Berlin; seine mit dem Nobelpreis gewürdigten Entdeckungen machte er am Max-Planck-Institut für Biochemie. Georg Nagel, 1953 in Deutschland geboren, ist Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie an der Universität Würzburg und führte seine preisgekrönte Arbeit am Max-Planck-Institut für Biophysik durch. Nagel, den der Anruf aus Stockholm im Urlaub in Italien erreichte, promovierte 1988 in Biophysik. Hegemann studierte vor seiner Promotion Chemie und Biochemie, und Deisseroth schloss 1992 sein Biochemiestudium in Harvard ab und promovierte in Neurowissenschaften in Stanford, wo er seit 2004 sein Labor leitet. Die Studien von Hegemann und Nagel wurden zum Teil auch von der Europäischen Union finanziert.