Işıkla sinir hücrelerinin nasıl kontrol edildiğini ortaya koyan bilim insanları Karl Deisseroth, Peter Hegemann ve Georg Nagel, bu yılın Fizyoloji veya Tıp alanında Nobel ödülüne layık görüldü. Berlin Humboldt Üniversitesi’nde çalışan Hegemann ile Würzburg Üniversitesi’nde görev yapan Nagel’in, tek hücreli bir su yosunu olan Chlamydomonas’ın ışığa nasıl tepki verdiğini anlamaya çalışırken geliştirdiği optogenetik yöntemi, Stanford Üniversitesi’nden Deisseroth’un da katılmasıyla sinir biliminin önünü açtı. Ödül, 2026 yılında Physiological Reviews dergisinde yayımlanan açıklamayla bilim dünyasına duyuruldu.
Bir su yosununun ışığa tepkisiyle başlayan yolculuk
Işık algılama yalnızca gözleri olan hayvanlara özgü değildir; canlıların büyük bir kısmı çevrelerini algılayıp değişimlere yanıt vermek için ışığı kullanır. Tek hücreli organizmalar bile ışığa tepki veren proteinler barındırır ve bu proteinlerle ışığa doğru ya da tersine hareket eder, enerji üretir ya da 24 saatlik günün getirdiği farklı ihtiyaçlara uyum sağlar.
Hegemann ve Nagel, Chlamydomonas’ın tek bir proteine dayanan son derece işlevsel bir ışık algılama mekanizmasına sahip olduğunu tespit etti. Bu protein channelrhodopsin olarak adlandırılıyor. Channelrhodopsin, yosun hücresinin dış zarına yerleşmiştir; proteinin bir kısmı hücrenin dışındaki suya, diğer kısmı ise içine bakar ve küçük bir molekül olan retinaldehid içerir. Retinaldehid ışığı emebilen özelliğe sahiptir.
Işık channelrhodopsin’in içindeki retinaldehide geldiğinde molekül şekil değiştirir ve buna bağlı olarak protein de şeklini değiştirir. Bu değişim, hücre zarında küçük bir geçidi açar. Sodyum gibi pozitif yüklü parçacıklar, yosunun dışındaki sudan hücre içine akabilir. Yüklu parçacıkların bu hareketi, yosunun yüzmesini kolaylaştıran bir sinyal üretir.
Sinir hücreleriyle nasıl bir bağlantı kuruldu?
Bu ilginş biyolojik sorunun çözülmesi büyük bir başarı olsa da, ödülün neden Tıp alanında verildiği merak uyandırıyor. Cevap sinir hücrelerinin çalışma biçiminde yatıyor. Sinir hücreleri, etkinliklerini kontrol etmek için zarları üzerinden hareket eden yüklü parçacıkları (iyonlar) kullanır. Pozitif yüklü parçacıklar bir sinir hücresine aktığında hücre daha aktif hale gelebilir.
Araştırmacılar, channelrhodopsini sinir krelerine yerleştirebilirlerse, onları yalnızca ışık tutarak çalıştırabileceklerini fark etti. Hegemann ve Nagel’in yanı sıra üçünci ödül sahibi Stanford Üniversitesi’nden psiyatrist ve biyomühendis Karl Deisseroth da tam olarak bunu başardı.
Işıkla sinir hücrelerini çalıştırabilme yeteneğine optogenetik deniyor. Bilim insanlarının belirli bir sinir hücresi grubunu açıp kapatabilmesi ve ne olduğunu gözlemleyebilmesi nedeniyle güçlü bir araştırma aracı haline geldi.
Nobel ödülünü paylaşan araştırmacıların yöntem açıklamasına dayanarak
Işıkla sinir hücrelerini çalıştırma tekniği
Araştırmacılar önce channelrhodopsinin genini, incelemek istedikleri sinir krelerine ulaştırır. Gen genellikle hastalık yapamayacak şekilde değiştirilmiş bir virüs aracılığıyla hücrelere aktarılır. Hücreler ardından channelrhodopsin proteini üretir ve ışığa tepki vermeye başlar.
Fare gibi hayvanlarda bilim insanları, ince bir optik lif üzerinden beyne ışık yönlendirebilir. Işık hücrelere ulaştığında channelrhodopsin açılır ve hücreler aktif hale gelir. Proteini içermeyen yan sinir kreleri ise etkilenmez.
Işık, beynin çok küçük bir bölgesine yönlendirilebilir ve son derece hızlı şekilde açıp kapatılabilir. Bu da optogenetiği beyinin nasıl çalıştığını araştırmak için güçlü bir yöntem kılar. Örneğin bilim insanları belirli bir sinir hücresi grubunun hafıza, uyku, duygu veya hareket gibi işlevlerle ilgili olup olmadığını öğrenmek isterse, o hücreleri ışıkla çalıştırıp ne olduğunu gözlemler.
Hafızayı canlandıran deneyden klinik denemelere
MIT’nden bir ekip 2012 yılında yapılan bir deneyde farelere belirli bir kafeste hafif bir elektrik şoku verdi. Korkuyu koşullanma deneyi sırasında aktif olan beynin hafıza merkezindeki sinir krelerini işaretlemek için optogenetiği kullandı. Günler sonra, farklı bir kafeste bu hücreleri ışıkla çalıştırdı. Fareler şoku hatırlar gibi korkudan dondu.
Şok uygulanmayan farelerin ise donmaması, ışığın belirli bir hafızayı yeniden canlandırdığını gösterdi. Deisseroth, çalışmaların yazarlarından biriydi.
Optogenetik, bilim insanlarının beyin ve sinir sisteminin çalışma biçimini araştırma yeteneğini dönüştürdü; aynı zamanda gelecekte bir tedavi yöntemi olarak da kullanılabilir. Yöntem, normalde ışığı algılayan hücrelerin (çubuk ve koni hücreler) kaybedildiği retinal dejenerasyon hastalğı olan kişilerde, hâlâ hayatta kalan sinir krelerine ışık duyarlı proteinler sokularak erken klinik denemelere alındı. Bu sayede hayatta kalan hücreler ışığa tepki verebilir ve kısmi bir görme işlevi geri kazandırılabilir.
Araştırmacılar ayrıca optogenetiğin ileride Parkinson hastalığı ve epilepsi gibi nörolojik rahatsızlıkların tedavisinde de kullanılabilecek olup olmadığını inceliyor.
Sadece anlamak için sorulan bir soru
Bu yılın Nobel ödülü, görünüşte soyut bir sorudan başlayan araştırmayı onurlandırıyor: Chlamydomonas ışığa doğru nasıl yüzüyor? Bu sorunun açık bir pratik önemi yok. İnsan sağlığında acil bir ihtiyacı karşılamıyor ya da zenginliğe giden net bir yol göstermiyor.
Optogenetiğin başarısı, dünyayı anlamak için yalnızca anlamak amacıyla sorular sormaya devam etmenin önemini gözler önüne seriyor; çünkü bilimin bizi nereye götüreceğini öngörmek mümkün değil.
