Zwei Deutsche und US-Forscher ausgezeichnet

Medizin-Nobelpreis: Wie man Zellen mittels Licht ein- und ausschaltet

Zwei Deutsche erhalten den diesjährigen Medizin-Nobelpreis. Für die Forschung zur gezielten Veränderung von Zellen - der Optogenetik - wird zudem auch ein US-Amerikaner geehrt. Die Erkenntnisse des Forscher-Trios werden schon seit längerem konkret in der Forschung und Praxis genutzt.

Von Markus Brauer

Der Medizin-Nobelpreis geht in diesem Jahr an die beiden deutschen Forscher Peter Hegemann (71) und Georg Nagel (73) sowie ihren US-Kollegen Karl Deisseroth (55). Ausgezeichnet werden die drei Wissenschaftler für ihre Arbeiten auf dem Gebiet der Optogenetik, wie das Nobelkomitee in Stockholm am Montag (5. Oktober) bekanntgegeben hat.

Der Biophysiker Hegemann forscht an der Humboldt-Universität in Berlin, der Pflanzenphysiologe Nagel an der Universität Würzburg, Deisseroth als Psychiater, Neurobiologe und Bioingenieur an der Stanford University in den USA.

Zell-Steuerung mithilfe von Lichtimpulsen

Die Optogenetik ist eine biologische Technologie, um die Aktivität von Zellen mit Licht kontrollieren zu können. Dazu werden fremde Gene in die Zielzellen eingeschleust, die zum Ausdruck (Expression) lichtempfindlicher Ionenkanäle, Transporter oder Enzyme führen.

Mit Hilfe der Optogenetik ist es also möglich, die elektrische Aktivität von Zellen – beispielsweise von Nervenzellen – mit Lichtimpulsen zu steuern. Wissenschaftler können auf diese Weise beispielsweise neue Einblicke in die Arbeitsweise des menschlichen Gehirns erhalten und Krankheiten wie Parkinson, Depression oder Schizophrenie besser verstehen.

Bedeutender Schritt in der Entwicklung der Optogenetik

Gemeinsam mit Hegemann zeigte Nagel in zwei, in den Jahren 2002 und 2003 veröffentlichten Studien die Existenz von zwei lichtempfindlichen Kanalproteinen, Channelrhodopsin-1 und Channelrhodopsin-2 (ChR1/ChR2), auf.

Entscheidend war die Entdeckung, dass ChR2 eine extrem schnelle, lichtinduzierte Veränderung des Membranstroms und der Membranspannung auslöst, wenn das Gen in Wirbeltierzellen exprimiert wird. Außerdem ist ChR2 durch seine geringe Größe sehr einfach in der Anwendung.

Diese Entdeckung stellte einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung der Optogenetik dar. Die Entdeckung von ChR2 durch Hegemann und Nagel hat verschiedene funktionelle Anwendungen in einer Vielzahl von Zellen und Geweben ermöglicht.

Optogenetik zeigt, wie Zellen (inter)agieren

Bei der Optogenetik werden Methoden der Optik und Genetik zur nicht-invasiven Anregung (Untersuchung oder Behandlung, bei welcher der Körper nicht verletzt und keine Instrumente oder Geräte in ihn eingeführt werden) einzelner Neurone (Nervenzellen) kombiniert werden.

Mit ihr werde gezeigt, „wie Nervenzellen im Gehirn Erinnerungen, Gefühle und Verhaltensweisen formen“, erklärt das Nobelkomitee. Im vergangenen Jahr waren drei Forscher aus den USA und Japan für ihre Erkenntnisse zur körpereigenen Kontrolle des Immunsystems mit dem Medizin-Nobelpreis geehrt worden.

Im Reigen der diesjährigen Verkündungen folgen Physik am Dienstag (6. Oktober), Chemie am Mittwoch (7. Oktober), Literatur am Donnerstag (8. Oktober)und schließlich die Verkündung des Friedensnobelpreises am Freitag (9. Oktober). Der Reigen schließt sich am kommenden Montag (12. Oktober) mit den Wirtschaftswissenschaften. Die Preise selbst werden am 10. Dezember in Stockholm und Oslo überreicht.

Gehirn per Licht ein- und ausschalten

Nach Angaben des Max-Planck-Instutits für Biologische Intelligenz in Seewiesen und Martinsried bei München hat kaum eine andere Methode die Neurowissenschaften seit Anfang der 2000er Jahre so beeinflusst wie die Optogenetik.

Sie erlaubt es demnach, einzelne Nervenzellen oder Nervenzell-Netzwerke im Gehirn von lebenden Tieren per Licht ein- und auszuschalten. Damit könnten Forscher das Kommunikationsverhalten von Nervenzellen untersuchen und zum Beispiel Zusammenhänge zwischen neuronaler Aktivität und Verhalten herstellen.

Den Grundstein für die Methode lieferten der deutsche Biochemiker Dieter Oesterhelt (1940-2022) und sein Kollege, der  deutsch-amerikanische Mediziner, Zellbiologe und Biophysiker Walter Stoeckenius (1921-2013) bereits in den 1970er Jahren. Die Forscher untersuchten Lichtsensoren in einem Bakterium und wiesen nach, dass ein lichtempfindliches Protein - das sogenannte Bacteriorhodopsin - bei Lichteinfall einen Ionenfluss ermöglicht und so zu einer Polarisierung der Zelle führt.

Mit neuen molekularbiologischen Methoden gelang es dem Max-Planck-Instutit zufolge Wissenschaftlern dann Anfang der 2000er Jahre lichtempfindliche Proteine in die Zellmembranen von Nervenzellen einzuschleusen.

Hilfe für Erblindete und Taube

Heute können Wissenschaftler die Proteine mit einem Regulationselement versehen, sodass solche „Lichtschalter-Proteine“ nur in bestimmte Nervenzellen gelangen. Auf diese Weise ist es inzwischen möglich, gezielt die Aktivität ausgewählter Nervenzellen durch einen entsprechenden Lichtimpuls zu manipulieren.

Die Optogenetik entwickelt sich demzufolge in einem rasanten Tempo. Inzwischen können Forscher nicht nur einzelne Nervenzellen, sondern auch einzelne Strukturen innerhalb einer Zelle gezielt aktivieren. Erste Studien untersuchen zudem bereits die Möglichkeit, erblindete oder taube Menschen mit Hilfe der Optogenetik zu unterstützen.

Bislang ist die Optogenetik jedoch vor allem ein wichtiges Instrument der Grundlagenforschung, um das Gehirn besser kennenzulernen.

Was ist der Seh-Farbstoff Chanalrhodopsin?

Es war immer ein Traum von Wissenschaftlern, biologische Zellen oder sogar lebende Tiere mit der Hilfe von Licht steuern zu können. Durch ein Membranprotein, das dem Seh-Farbstoff in unserem Auge ähnlich ist, wurde dieser Traum wahr.

Das von den Wissenschaftlern analysierte Chanalrhodopsin erlaubt es, Nervenimpulse durch Licht auszulösen, und das in lebenden Organismen. Der molekulare Mechanismus dieses faszinierenden Proteins war trotz vielfacher Anwendungen nicht geklärt gewesen.

So funktioniert der „Lichtschalter“ Chanalrhodopsin

Die Optogenetik ist ein knapp drei Jahrzehnte altes Forschungsfeld, in dem lichtempfindliche Proteine eingesetzt werden, um Prozesse in einer biologischen Zelle zu kontrollieren. Das Chanalrhodopsin, das Peter Hegemann und Georg Nagel entdeckt wurde, begründete dieses Gebiet.

Es handelt sich dabei um ein Protein, das in der Biomembran sitzt -  also in der flexible, halbdurchlässigen Trennschicht, die Zellen nach außen abgrenzt und den Innenraum von Zellen in verschiedene Bereiche unterteilt - und nach Lichtanregung einen Kanal öffnet, um positiv geladene Teilchen (sogenannte Kationen) durchzuschleusen. In einer biologischen Zelle wird dadurch ein Nervenimpuls ausgelöst.

Anstatt wie früher üblich, mit Metall-Elektroden Nervenzellen zu erregen, ist es mit dem Chanalrhodopsin möglich, dies mit Licht zu bewerkstelligen. Diese Methode hat den Vorteil, dass man die Nerven optisch und damit ferngesteuert erregen kann. Außerdem können mit genetischen Methoden nur bestimmte Zelltypen mit dem Protein Chanalrhodopsin versehen werden, sodass auch nur ganz bestimmte Zelltypen erregt werden.

Da da menschliche Gehirn auf der Basis von elektrischen Signalen und chemischen Botenstoffen funktioniert, kann mit diesem optogenetischen Werkzeug zum Verständnis der Gehirnfunktion auf molekularer Ebene beigetragen werden. Die Beantwortung von so grundsätzlichen Fragen: Wie funktioniert unser Gedächtnis? Wie kommt das Bewusstsein zustande? können damit zielgerichtet angegangen werden.

Zur Person

Georg Nagel wurde 1953 im baden-württembergischen Weingarten geboren. Er studierte Biologie und Biophysik an der Universität Konstanz und promovierte 1988 an der Universität Frankfurt. Nach seiner Postdoc-Zeit an der Yale University und der Rockefeller University in den USA kehrte er 1992 als Gruppenleiter in der Abteilung für Biophysikalische Chemie am Max-Planck-Institut für Biophysik nach Deutschland zurück. Seit 2004 ist er Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Universität Würzburg. Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Optogenetik hat er unter anderem den Wiley Prize in Biomedical Sciences, den Karl Heinz Beckurts-Preis und den Zülch-Preis 2012 erhalten.

Peter Hegemann wurde 1954 in Münster geboren. Nach dem Studium der Chemie in Münster und München promovierte  bei Dieter Oesterhelt am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, bevor er als Postdoktorand an die Syracuse University nach New York ging. Nach Stationen in München und Regensburg ist er seit 2005 Professor für Experimentelle Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin. 2013 erhielt Peter Hegemann den renommierten Leibniz-Preis der DFG und den Europäischen „Brain Prize“ für seine wegweisende Forschung an sensorischen Photorezeptoren, die als Grundlage der Optogenetik dienen.