Сегодня в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии в области физиологии или медицины за 2026 год. Ими стали Карл Дейссерот (США), Питер Хегеманн (Германия) и Георг Нагель (Германия) «за открытия, связанные со светочувствительными ионными каналами и работы в области оптогенетики». Однако у этого метода несколько больше создателей, чем отмечено Нобелевским комитетом, а сама оптогенетика получила свое развитие в различных вариациях, в том числе и созданных в России, совершив подлинную революцию в науках о живом.
Иллюстрация Нобелевского комитета к премии 2026 года
Нобелевская премия по физиологии или медицине 2026 года оказалась одной из ожидаемых: то, что высшая научная награда будет присуждена за оптогенетические методы, никто не сомневался. Вопрос был только в том, в каком составе будут чествовать создателей метода – и когда Нобелевский комитет примет решение. В 2020 году за оптогенетику уже присудили «Азиатскую нобелевку» – премию Шао.
Лауреаты премии Шао часто позже становятся лауреатами Нобелевской премии. Так, в области астрономии Нобелевку получили в 2019 году Джим Пиблс (лауреат Шао 2004) и Мишель Майор (2005), в 2011 году Сол Перлмуттер, Адам Рис и Брайан Шмидт (2006), в 2017 году Кип Торн и Райнер Вайсс (2016). В области наук о живом таких лауреатов тоже немало: нобелиат 2012 года по химии Роберт Лефковиц (2007) и того же года по медицине Синья Яманака (2008), 2011 года Жюль Хофман и Брюс Бетлер (они получили премию Шао незадолго до своей Нобелевки в том же году), 2017 года Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг (все – в 2013 году).
Лауреаты премии Шао — скриншот с сайта премии в момент объявления
В 2020 году премию Шао получили немцы Геро Мисенбёк, Петер Хегеманн и Георг Нагель. Шесть лет спустя Нобелевскую премию по физиологии или медицине тоже присудили троим, двое из которых — Петер Хегеманн и Георг Нагель – тоже в списке. А вот Геро Мисенбёка заменили на американца Карла Дейссерота. И это, как нам кажется, совершенно справедливо (интересно, что в 2013 году The Brain Prize вручили всем четырём, а еще Эрнсту Бамбергу и Эдварду Бойдену). Почему же? Давайте разбираться.
Три лауреата 2026 года в представлении Нобелевского комитета
Что такое оптогенетика?
В оптогенетике объединяются воедино знания о генах, законы оптики и квантовой физики, а также чистая нейровизуализация, позволяющая точно картировать области различных функций в мозге. Всё, что вам нужно – найти нейроны, которые предполагаемо могут участвовать, например, в процессах запоминания, генетически их изменить, встроив светочувствительный белок в их клеточную мембрану, а затем подвести свет, который будет в определённое время «включать» или «выключать» эти клетки. И все, «инструмент» по управлению нейронами готов.
Оптогенетика дала мощный толчок к развитию экспериментальных методов в нейронауках. Считается, что оптогенетические методы в будущем могут стать мощной альтернативой применению лекарственных препаратов при лечении болезни Паркинсона, депрессии, эпилепсии, тревожных расстройств. Уже начались эксперименты по восстановлению зрения и слуха у человека при помощи оптогенетики. Не зря метод в 2010 году был признан журналом Nature Methods «научным методом года» [1], а в статье журнала Science оптогенетика названа «прорывом десятилетия» («Breakthrough of the Decade») [2].
Короткая, но бурная история
Пожалуй, историю оптогенетики стоит начинать не с опытов Юлиуса Бернштейна или Алана Ходжкина и Эндрю Хаксли, которые измеряли и описывали электрическую активность нейронов или вообще с исследований 1876 года Франца Болля, который указал на важность родопсина в сетчатке, а с четырех замечательных физиков, которые создали инструментарий для этого метода (да и вообще, для огромного количества методов и приспособлений во второй половине XX и уже в XXI веках).
Речь идет о трех лауреатах Нобелевской премии по физике 1964 года, наших соотечественниках – Александре Прохорове и его ученике Николае Басове, а также американце Чарльзе Таунсе. Эти трое разработали физические принципы, по которым еще один американец, Теодор Мейман, в 1960 году сконструировал и построил первый в мире лазер.
Чарльз Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров — лауреаты Нобелевской премии по физике 1964 года
Коротенькую статью Меймана в Nature о первом работающем лазере даже назвали «самой влиятельной статьей в истории науки в пересчете на одно слово текста» [3].
Прошло всего 11 лет, и уже в 1971 году физик Ричард Форк опубликовал статью о прямом возбуждении лазером нервных клеток моллюска аплизии (морского зайца) [4]. Но это была еще не оптогенетика, ибо «опто» здесь есть, а генетики пока еще нет.
Первые шаги в создании метода сделали ученые, которые, как мы уже говорилм, в 2020 году получили «азиатскую Нобелевку» — премию Шао, которая вручается с 2002 года в области астрономии, медицины и наук о живом, а также математики. Речь идет о Геро Мисенбёке из Оксфордского университета, Питере Хегеманне из Университета Гумбольдта в Берлине и Георге Нагеле из Университета Вюрцбурга.
И вот сейчас будет наиболее уместно рассказать о сути метода. Первый вариант оптогенетики предусматривал управление светом лазера генно-модифицированными нейронами млекопитающих со всторенными в них светочувствительными белками, «позаимствованными» из сетчатки животных – теми белками, благодаря которым мы с вами видим свет.
Впервые эта идея, высказанная еще Френсисом Криком, первооткрывателем структуры ДНК, была воплощена именно Геро Мисенбёком вместе с Борисом Циммельманом, а статья о работе была опубликована в журнале Neuron в 2002 году [5]. Правда, тогда исследователи экспериментировали лишь с культурой нейронов гиппокампа крысы, а не с «целым» животным.
Геро Мисенбёк
Авторы работы использовали родопсин дрозофилы. Он состоит из белка опсина и кофактора ретиналя (производное витамина А). Свет, попадая на ретиналь, его деформирует, это вызывает структурную перестройку в белке, что уже ведёт к активации сигнальных путей внутри нейрона, вызывая его возбуждение. Метод получился хороший, но сложный в исполнении и очень нестабильный.
Светочувствительные белки дрозофилы оказались не очень удачными с точки зрения скорости реакции на свет. И вот здесь новый импульс работе придало открытие и изучение ботаником Хегеманном и электрофизиологом Нагелем канальных родопсинов у хламидомонады – одноклеточной водоросли. Собственно говоря, сами родопсины у хламидомонад Хегеманн открыл еще в начале 1990-х [6].
Хламидомонада способна быстро реагировать на свет. Иллюстрация Нобелевского комитета.
Появление оптогенетики вызвало новый интерес к его исследованиям и в двух работах, опубликованных в 2002 и 2003 годах в Science и в PNAS [7,8], он совместно с Нагелем продемонстрировал путем клонирования генов существование двух светочувствительных канальных белков – ChR1 и ChR2.
Работа канальных родопсинов в мембране клетки. Нагель и Хегеманн встраивали их гены в яйцеклетку лягушки. Иллюстрация Нобелевского комитета.
Чрезвычайно важно то, что команда обнаружила, что ChR2 вызывает чрезвычайно быстрое вызванное светом изменение мембранного тока, когда ген экспрессируется в клетках позвоночных. И вот дальше была знаменитая работа Карла Дейссерота Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity, опубликованная в Nature Neuroscience в 2005 году в соавторстве с Нагелем[9]. В ней ученый представил уже готовый метод с использованием вышеописанных родопсинов. Может быть, поэтому именно Дейссерота называли одним из главных претендентов «Нобелевки за оптогенетику».
Эксперимент Дейссерота с канальным родопсином-2 и культурой нейронов. Иллюстрация Нобелевского комитета.
Дальше метод продолжил развиваться. Оказалось, что различного рода опсины могут не только возбуждать клетку, привнося в нее положительные ионы (например, тот же канальный родопсин-2 – неспецифический канал или бактериородопсин и протородопсин – каналы для Н+), но и подавлять генерацию потенциалов действия, гиперполяризуя мембрану (галородопсин – канал для Сl—). Не так давно в том числе нашими соотечественниками открыты и совершенно новые опсины для отрицательных ионов, которые гораздо быстрее реагируют на фотостимуляцию, чем родопсины [10].
Как это работает?
Ответ один – через генетическую модификацию клетки. Мы должны взять ген светочувствительного белка, добавить к нему промотор, который будет «говорить» РНК-полимеразе, с какого момента нужно начать считывать с него информацию, а также присоединить так называемый репортер, чтобы проверить, правильно ли мы доставили ген и экспрессируется ли он. Чаще всего в качестве него используется какой-нибудь флуоресцентный белок (например, жёлтый YFP или зелёный GFP).
Классическая оптогенетика в современном эксперименте. Иллюстрация Нобелевского комитета.
Дальше этот ген предстоит доставить в клетки, необходимые для изучения. Тут тоже есть несколько способов. Можно создать целиком генномодифицированный организм, у которого нужные нам гены уже на эмбриональном этапе развития будут встроены в геном. Это стабильнее, но на получение такого организма нужны месяцы, а ждать не сильно хочется. Поэтому существует второй способ, работающий быстрее: вирусы, несущие генетическую информацию о родопсине. Они тоже модифицированы и абсолютно безвредны для экспериментального организма, но не потеряли свою способность встраиваться в нейроны и заставлять их воспроизводить свой геном. А нам это и нужно – клетка, экспрессируя гены, доставленные вирусом, сама себя снабжает родопсинами, которые входят в мембрану и готовят её к «работе».
Есть и третий, более грубый метод. В 1982 году немецкий исследователь Эберхард Нойман показал, что под действием электрического поля в мембранах клеток могут возникнуть поры, сквозь которые мы можем «пропихнуть» нужные гены в клетку [11]. Этот ныне распространенный метод получил название электропорации.
Теперь дело за малым – подвести к нужному месту источник света. Для этого используются тончайшие светодиоды из оптоволокна, отлично проводящие световые импульсы. Также к ним присоединяются электроды, позволяющие получить данные об электрической активности клеток. Такая конструкция крепится к голове животного снаружи и абсолютно не мешает ему жить своей собственной жизнью, а мы получаем возможность наблюдать за тем, что происходит с каждой конкретной клеткой в режиме реального времени, а также влиять на эти функции, варьируя световые импульсы.
Традиционные родопсины, с которых оптогенетика начала своё победное шествие по научному миру, активируются синим светом с длиной волны 480 нм, который плохо проникает в глубокие ткани. Именно поэтому необходим вживляемый в мозг светодиод. Родопсины нового поколения уже «откликаются» на свет красный, который обладает гораздо большей глубиной проникновения в ткани мозга, поэтому сейчас исследователи получили возможность уходить от инвазивного вмешательства. Что делает весь эксперимент ещё более физиологичными, а данные – более точными и максимально приближенными к реальности.
Ложные воспоминания
Одну из наиболее показательных работ, демонстрирующих силу оптогенетики, выполнили в США [12]. Коллектив японского учёного, нобелевского лауреата Сузуму Тонегава, который работал в RIKEN и в Массачусетском технологическом университете, создал крыс с канальными родопсинами-2 в нейронах гиппокампа, отвечающих за консолидацию памяти – её перевод из кратковременной в долговременную, а затем проводил с ними ряд экспериментов.
Животное запоминало, что, скажем, в комнате А его били током и там нужно бояться, и реагировало на это характерным поведением (замирало и группировалось) даже тогда, когда разряда не происходило. В этот момент активизировались определённые клетки, в которые исследователи затем и внедряли родопсин. В комнате Б всё было хорошо, и животное вело себя там как обычно до того момента, пока с помощью световых импульсов не «включали» генномодифицированные нейроны. Как вы думаете, что происходило с крысами? Правильно, они группировались и начинали пищать, испытывая страх, которому в данном контексте, казалось бы, не место.
Таким образом учёные точно установили то место в гиппокампе, где формируются воспоминания. Это зубчатая извилина и область CA1. Однако, только в апреле 2017 года они доказали [13], что кроме гиппокампа в запоминании участвует ещё и кора головного мозга.
Ещё более элегантный эксперимент та же лаборатория провела в 2016 году [14]. Учёные продемонстрировали, что при болезни Альцгеймера воспоминания не исчезают бесследно, а перезаписываются, и с помощью оптогенетики их можно вернуть. С больными модельными мышами проделывали то же, что и в других экспериментах – пугали электрическим током, но вот только через несколько дней они об этом забывали.
С помощью оптогенетической стимуляции не только получалось возвращать «в жизнь» потерянные воспоминания, но и делать так, чтобы они не терялись вновь. Для этого учёные внедряли родопсин в соседнюю область – энтериальную кору, стимуляция которой приводила к формированию новых связей между ней и гиппокампом и соответственно, укрепляла память.
Не только память и не только родопсин
С помощью оптогенетики исследователи также доказали [15], что дофаминергические нейроны среднего мозга – части ствола – помимо всех своих других функций помогают воспринимать время. Мыши слышали два звука с более кратковременными (меньше 1,5 секунды) и более длительными (больше 1,5 секунды) промежутками. Если интервал длился долго, животным было необходимо открыть левую дверцу, а если проходил быстро, то правую. В случае правильного ответа грызуны получали награду. Когда клетки мозга, участвовавшие в этом процессе, возбуждали, то длинные промежутки воспринимались как короткие, а если подавляли, то наоборот.
В 2007 году благодаря оптогенетике стало ясно, что для поддержания бодрствования у нас имеется еще один тип нейронов, вырабатывающих так называемый орексин или гипокретин, без которого организм бесконтрольно переходит в сон. Его выделяют лишь около 60 тысяч нейронов, которые маленькими скоплениями находятся в боковых областях гипоталамуса. Также оптогенетика «открыла» пути избавления от различного рода зависимостей, что в будущем наверняка станет неоценимой помощью в работе психиатров.
Помимо всего этого можно встраивать родопсины в мембраны кардиомиоцитов, управляя таким образом сердечным ритмом, а можно и вовсе создать «универсальных убийц» – клетки, которые под воздействием света будут выпускать в окружающее из пространство активные формы кислорода, крайне разрушительные и токсичные для живых мембран. Применение такой вид клеток наверняка сможет найти в онкологии. Оптогенетическими методами можно будет подавлять боль и восстанавливать зрение и слух.
Про зрение скажем чуть-чуть подробнее, поскольку, судя по всему, восстановление зрения и станет первой областью, в которой оптогенетику применят на человеке.
Идея этого проста: когда теряется зрение из-за дегенерации сетчатки, гибнут светочувствительные клетки – палочки и колбочки. Однако мы можем «научить» видеть следующие слои клеток – биполярные и ганглионарные клетки сетчатки. Встроив в них светочувствительный белок, мы можем добиться того, что человек снова будет видеть.
Первые эксперименты на людях уже прошли: в 2021 году появилась статья [20], рассказывающая о 58-летнем пациенте, ослепшем 40 лет назад. Теперь же ему ввели в сетчатку 50 миллиардов частиц аденоассоциированного вируса, несущего ген того самого светочувствительного белка.
В результате зрение пациента частично восстановилось: когда мужчине надели специальные очки, которые преобразовывали изображение в монохроматическое, он сумел в 92 случаях различить объекты, которые лежали перед ним на столе и в 63 случаях сосчитать их. Дополнительным доказательством стало ЭЭГ-исследование, которое фиксировало повышенную активность в противоположном от видящего глаза полушарии в затылочной части.
Пациент, впервые увидевший свет благодаря оптогенетике
Несколько другая история со слухом. В 2020 году в журнале Science Translational Medicine была опубликована работа [16], в которой ученые представили кохлеарный имплант, передающий перекодированную звуковую информацию на слуховой нерв при помощи оптогенетических методов. Правда, он тоже пока что проверен только на мышах.
Развитие метода: тепло и звук
В 2017 году в журнале Nature Communications вышла статья [17] российских исследователей во главе с Всеволодом Белоусовым (ныне – директор Центра мозга и нейротехнологий ФМБА России и глава Научного комитета «российской нобелевской премии», Национальной премии «Вызов»), которая представила новый вариант метода, который получил название термогенетики.
Суть этого метода в том, что в мембрану нейрона встраивается не родопсин, а белок, который чувствует тепло. У многих видов змей, например гремучих и щитомордников, есть так называемое термозрение – фактически, прибор ночного видения. У них на носу расположен специальный орган – ямка, насыщенная окончаниями нейронов, несущих в своей мембране рецепторы TRPA1. Эта ямка является, по сути, тепловизором, позволяющим змее ориентироваться в темноте и охотиться.
Рецепторы TRPA1 исключительно чувствительны к тепловому инфракрасному излучению, позволяя змее чувствовать теплокровную добычу на расстоянии нескольких метров. Встраивая змеиные термоканалы в нейроны мыши или рыбки данио рерио, авторы наделяли клетки чувствительностью к нагреванию.
Инфракрасное излучение гораздо глубже, по сравнению с используемым в оптогенетике видимым светом, проникает в ткань, и оно не фототоксично.
Кроме того, варьируя длину волны, можно менять степень поглощения ИК-излучения тканью, и тем самым варьировать глубину и интенсивность нагрева. Импульсное лазерное излучение позволяет активировать нейроны заданной частотой импульсов. Преимущество термогенетики заключается еще и в том, что она применима не только для управления нейронами, но и для стимуляции кальций-зависимых процессов в других типах клеток. Например, в мышечных.
Есть и еще одно важное преимущество у термогенетики. Клиническое применение оптогенетики ограничено сетчаткой – если встраивать белки других организмов в нейроны мозга, иммунная система начнет их атаковать. А вот термогенетические методы могут работать и с человеческими терморецепторами TRPV1. И в 2024 году такой подход был впервые реализован в России [19]
В 2019 году вышла еще одна интересная работа [18], которая предлагает подключить к оптогенетике звук.
Зачем нам звук? Высокая специфичность и точность – главные отличительные черты оптогенетики. Но есть и другая ее особенность – чрезвычайная сложность реализации. Для контроля активности отдельно взятых нейронов необходимо имплантировать инвазивные волноводы. Как мы уже писали, это связано с тем, что фотоны не способны проникать глубоко в ткани, и световая стимуляция извне невозможна. Значит, нужно вскрывать череп.
Поэтому появилась концепция соно-оптогенетики, которая подразумевает введение нано-источников света прямо в кровоток, а когда необходимо, стимулирование их ультразвуком для того, чтобы происходило светоизлучение. Это исключает необходимость хирургических манипуляций, таких как разрез скальпа и краниотомия. Еще одним отличием является то, что для оптогенетки используются потенциал-зависимые ионные каналы, тогда как соно-оптогенетика оперирует так называемыми механохемилюменисцентными наночастицами.
Наноразмерные светоизлучающие частицы вводятся внутривенно, с током крови они переносятся в головной мозг и обеспечивают точечное воздействие миллисекундными импульсами света для оптогенетической нейромодуляции под воздействием фокусированного ультразвука.
В отличие от традиционных подходов в оптогенетике – «ввода снаружи» с имплантацией волокон – новый метод обеспечивает подход «изнутри наружу» для доставки наноскопических излучателей света через внутреннюю систему кровообращения и включения/выключения их в любое время и в любом интересующем месте.
Таким образом, последние 15 лет показали: работы лауреатов действительно совершили революцию в науках о живом, предоставив нейробиологам и медикам уникальный инструмент, которым можно делать очень и очень многое.
Текст: Алексей Паевский
Литература
1. Method of the Year 2010. Nat Methods 8, 1 (2011).
2. Stepping Away From the Trees For a Look at the Forest. Science 17 Dec 2010:
Vol. 330, Issue 6011, pp. 1612-1613
3. Maiman, Theodore (August 6, 1960). Stimulated Optical Radiation in Ruby. Nature. 187(4736): 493–94.
4. Fork RL (March 1971). Laser stimulation of nerve cells in Aplysia. Science. 171 (3974)
5. Zemelman BV, Lee GA, Ng M, Miesenböck G (January 2002). Selective photostimulation of genetically chARGed neuron». Neuron. 33 (1): 15–22
6. Harz H, Hegemann P (1991-06-06). «Rhodopsin-regulated calcium currents in Chlamydomonas». Nature. 351 (6326): 489–491.
7. Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, Hegemann P (June 2002). Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science. 296 (5577): 2395–8
8. Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, et al. (November 2003). Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (24): 13940–5.
9. Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (September 2005). «Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity». Nature Neuroscience. 8 (9): 1263–8.
10. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Janz, R., Liu, X., & Spudich, J. L. (2015). Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics. Science, 349(6248), 647–650.
11. Neumann E, Schaefer-Ridder M, Wang Y, Hofschneider PH (1982). Gene transfer into mouse lyoma cells by electroporation in high electric fields. The EMBO Journal. 1 (7): 841–5
12. Ramirez, S., Liu, X., Lin, P.-A., Suh, J., Pignatelli, M., Redondo, R. L., … Tonegawa, S. (2013). Creating a False Memory in the Hippocampus. Science, 341(6144), 387–391.
13. Kitamura, T., Ogawa, S. K., Roy, D. S., Okuyama, T., Morrissey, M. D., Smith, L. M., … Tonegawa, S. (2017). Engrams and circuits crucial for systems consolidation of a memory. Science, 356(6333), 73–78.
14. Memory retrieval by activating engram cells in mouse models of early Alzheimer’s disease. Dheeraj S. Roy, Autumn Arons, Teryn I. Mitchell, Michele Pignatelli, Tomás J. Ryan&Susumu Tonegawa
Nature, 531, 508–512 (24 March 2016)
15. Soares, S., Atallah, B. V, & Paton, J. J. (2016). Midbrain dopamine neurons control judgment of time. Science, 354(6317), 1273–1277.
16. https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/238328.php
17. Ermakova, Y., Lanin, A., Fedotov, I. et al. Thermogenetic neurostimulation with single-cell resolution. Nat Commun 8, 15362 (2017).
18. Sono-optogenetics facilitated by a circulation-delivered rechargeable light source for minimally invasive optogenetics by Xiang Wu, Xingjun Zhu, Paul Chong, Junlang Liu, Louis N. Andre, Kyrstyn S. Ong, Kenneth Brinson Jr, Ali I. Mahdi, Jiachen Li, Lief E. Fenno, Huiliang Wang, and Guosong Hongin PNAS. Published December 2019
19. Maltsev, D.I., Solotenkov, M.A., Mukhametshina, L.F. et al. Human TRPV1 is an efficient thermogenetic actuator for chronic neuromodulation. Cell. Mol. Life Sci. 81, 437 (2024). https://doi.org/10.1007/s00018-024-05475-x
20. Sahel, JA., Boulanger-Scemama, E., Pagot, C. et al. Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nat Med (2021). https://doi.org/10.1038/s41591-021-01351-4
