Nobel za optogenetykę

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny została przyznana za odkrycia, które doprowadziły do rozwoju optogenetyki – metody pozwalającej za pomocą światła kontrolować aktywność wybranych komórek. Nagrodę otrzymali Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel za odkrycia dotyczące kanałów jonowych wrażliwych na światło i optogenetyki.

W dużym uproszczeniu naukowcy znaleźli sposób, by wybrane komórki – na przykład neurony – uczynić wrażliwymi na światło. Dzięki temu można za pomocą impulsów świetlnych pobudzać je lub hamować i obserwować, jak wpływa to na działanie innych komórek oraz całych sieci neuronalnych.

– Odkrycie nagrodzone Noblem uosabia współpracę między naukami podstawowymi a klinicznym– tłumaczy prof. Jerzy Mozrzymas, kierownik Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu, gdzie wykorzystuje się optogenetykę do badań naukowych. –  Najpierw Peter Hegemann i Georg Nagel odkryli u alg kanał jonowy aktywowany światłem. Przełom nastąpił, kiedy Karl Deisseroth wpadł na pomysł, żeby za pomocą metod genetycznych doprowadzić do wprowadzenia takich kanałów w wybranych komórkach nerwowych. Dzięki temu światłem możemy włączać i wyłączać określone neurony, a następnie obserwować ich wpływ na inne komórki w sieci neuronalnej. Otworzyło to zupełnie nowe możliwości poznawania funkcji poszczególnych neuronów.

Optogenetyka pozwoliła neurobiologom badać poszczególne typy neuronów z precyzją, która wcześniej była nieosiągalna. Ma to szczególne znaczenie, ponieważ komórki nerwowe są niezwykle zróżnicowane, a nawet w niewielkich strukturach mózgu występuje wiele ich rodzajów, pełniących odmienne funkcje.

Metoda umożliwia również kontrolowanie aktywności określonych neuronów u żywych zwierząt. Naukowcy mogą dzięki temu sprawdzać, jak konkretne obwody mózgu wpływają na zachowanie, procesy uczenia się czy tworzenie śladów pamięciowych.

Znaczenie odkrycia nie ogranicza się jednak do badań podstawowych. Trwają już badania nad wykorzystaniem optogenetyki w medycynie, m.in. do przywracania wzroku w niektórych chorobach siatkówki – na przykład w zwyrodnieniu barwnikowym siatkówki, przy którym obumierają komórki fotoreceptorowe. Światłoczułe białka wprowadza się do komórek siatkówki oka (innych niż fotoreceptory), aby umożliwić siatkówce  reagowanie na światło.

– To odkrycie otwiera zatem nowy rozdział nie tylko w neurobiologii, ale także w medycynie i innych naukach biologicznych. Pozwala coraz lepiej rozumieć mechanizmy prawidłowego i patologicznego funkcjonowania mózgu, a w przyszłości wiedza ta może prowadzić do rozwoju nowych metod terapii – podkreśla prof. Mozrzymas.

Dla naukowców z Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii UMW odkrycia tegorocznych noblistów mają także bardzo praktyczny wymiar. Optogenetykę wykorzystują w swoich badaniach od blisko pięciu lat. Koncentrują się m.in. na molekularnych mechanizmach uczenia się i pamięci oraz związanych z nimi zmianach zachodzących w synapsach – miejscach, w których neurony komunikują się ze sobą.

- Szczególnie interesują nas synapsy hamujące – mówi dr Grzegorz Wiera, prof. UMW. – Można je porównać do „hamulców” układu nerwowego – ograniczają aktywność neuronów i pomagają zachować właściwą równowagę pomiędzy pobudzeniem a hamowaniem. Jednocześnie same mogą zmieniać siłę swojego działania. Ta zdolność, nazywana plastycznością synaptyczną, ma znaczenie m.in. dla uczenia się i pamięci. Optogenetyka to ogromny przełom w badaniach neurobiologicznych. W naszym laboratorium pozwala nam kontrolować aktywność poszczególnych neuronów hamujących i badać, w jaki sposób zmieniają się tworzone przez nie synapsy. Bez tej techniki nie moglibyśmy prowadzić naszych badań z taką precyzją. 

Dobrym przykładem skali wyzwania jest hipokamp – struktura mózgu odgrywająca kluczową rolę m.in. w procesach pamięci. Występuje w nim kilkadziesiąt rodzajów neuronów hamujących. Optogenetyka pozwala naukowcom wybierać konkretne ich populacje, kontrolować ich aktywność i sprawdzać, jaką funkcję pełnią w całej sieci neuronalnej.

Badania te rozwijane są obecnie w ramach dwóch dużych projektów Narodowego Centrum Nauki OPUS. Prof. Jerzy Mozrzymas kieruje projektem dotyczącym molekularnych mechanizmów plastyczności synaps GABAergicznych w hipokampie, a dr  Grzegorz Wiera, prof. UMW  prowadzi natomiast projekt poświęcony plastyczności GABAergicznej i jej znaczeniu dla procesów zachodzących podczas uczenia się i pamięci. W obu projektach naukowcy wykorzystują techniki optogenetyczne – narzędzia, których rozwój umożliwiły odkrycia tegorocznych noblistów.

Dorobek Katedry i Zakładu Biofizyki i Neurobiologii UMW był wielokrotnie nagradzany. Zespół ma na koncie m.in. w bieżącym roku wyróżnienie w konkursie im. Jerzego Konorskiego, przyznawaną za najlepszą polską pracę z dziedziny neurobiologii. W poprzednich edycjach tego konkursu publikacje tego zespołu były już kilkakrotnie nagradzane i wyróżniane za wkład w badaniach nad procesami hamowania w mózgu.