Оптогенетиката – заслужената Нобелова награда

Науката вдъхновена от светлината и учените на бъдещето биоинженер Карл Дайсерот и биофизици Петер Хегеман и Георг Нагел

Представете си, че разполагате с вълшебен превключвател, с който можете да задействате точно определена нервна клетка в мозъка, да проследите реакцията на организма и дори да разберете дали тази клетка участва в създаването на определен спомен, емоция или поведение.

Не, това не е научна фантастика. Възможността да правим всичко това дойде именно благодарение на оптогенетиката – технология, която съчетава генетика и оптика, за да позволи на учените да контролират работата на определени клетки с помощта на светлина. В основата ѝ стои забележително откритие: съществуват белтъци, които реагират на светлина и могат да променят електрическата активност на клетките.

Колкото и да не ви се вярва, първият главен герой в тази история е микроскопично едноклетъчно зелено водорасло, нречено Chlamydomonas reinhardtii. То се придвижва във водата с помощта на две камшичета. Макар и съвсем „елементарно" устроено, водораслото притежава удивителната способност да се насочва към източник на светлина, необходима за фотосинтезирането му.

Любопитният учен

Точно това негово свойство привлича вниманието на немския учен Петер Хегеман. Любопитен е да узнае как този простичък едноклетъчен организъм разпознава светлината и превръща целувката й, иначе казано сигнала, който му подава, в движение. В началото на XXI век Хегеман, заедно с колегата му Георг Нагел и други изследователи, проучват светлочувствителните белтъци на C. reinhardtii. Така се стига до откриването и характеризирането на каналродопсините – белтъци, вградени в клетъчната мембрана на водораслото, които образуват йонни канали, реагиращи на действието на (синя) светлина. Когато тя попадне върху тях, каналът се отваря и през мембраната преминават заредени частици. Така се променя електрическият потенциал на клетката. Откритието е публикувано в престижното списание „Science" през 2002 г. и не остава незабелязано. Време е на сцената да се появи и третият участник в звездния отбор на бъдещите нобелови лауреати Карл Дайсерот. Той е изключително интересна и вдъхновяваща личност. Притежава бакалавърска степен по биохимия от Университета в Харвард, в който постъпва на 16-годишна възраст, а после завършва медицина и специализира психиатрия в Станфорд.

Мечтае да стане писател, но ...

Младежката му мечта обаче е да стане писател. От дете си задава въпроси за това как думите предизвикват чувства у нас? Защо някои фрази могат да ни успокоят или ни карат да се усмихнем, а други ни разплакват или ядосват? Постепенно този интерес го отвежда в света на биохимията, невронауките и медицината. Първоначално Дайсерот възнамерява да стане неврохирург. Срещата му с пациенти с тежки психични разстройства променя посоката му. Той е дълбоко впечатлен от това колко различно може да изглежда реалността за човек с нарушена мозъчна функция и решава да се посвети на психиатрията. За да им помогне, най-напред трябва да разбере как определени мозъчни процеси пораждат конкретни чувства, мисли и поведения? Но как да стане това? Мозъкът е сложна система от взаимосвързани клетки. Да, учените са в състояние да забележат, когато една част от него проявява активност, но далеч невинаги са в състояние да установят дали тази активност е причина за дадено преживяване или просто съпътства случващото се. Дайсерот иска да намери начин да контролира отделни нервни клетки с изключителна прецизност.

Авангардната крачка

През 2004 г. д-р Дайсерот и сътрудниците му предприемат смел ход – те пренасят гена, кодиращ каналродопсин, в нервни клетки на бозайници. Идеята е да проверят дали това ще ги направи чувствителни към светлина. Експериментът успява! Резултатите са публикувани през 2005 г. Те са категорични - неврони, експресиращи каналродопсин-2, могат да бъдат активирани с кратки импулси синя светлина. Две години по-късно става ясно, че методът работи и в мозъка на живи мишки. Така се ражда съвременната оптогенетика - повратен момент, който обръща „правилата на играта". За първи път учените разполагат с инструмент, който им позволява да предизвикват нервни импулси с изключителна точност, без да разчитат на електрическа стимулация или химични вещества. Но оптогенетиката е нещо много повече от това, защото отваря вратата към възможности за лечение на заболявания, смятани доскоро за присъда.

Надежда за незрящите

Едно от най-вълнуващите й приложения е свързано с възстановяване на зрението при хора с тежки дегенеративни заболявания на ретината. При заболяването пигментен ретинит (ретинитис пигментоза или пигментна дегенерация на ретината) светлочувствителните клетки – фоторецепторите – постепенно загиват. В напредналите стадии на болестта засегнатите хора могат да загубят зрението си, въпреки че част от останалите нервни клетки в ретината продължават да функционират. Точно тук се намесва оптогенетиката. Учените използват безвреден за човека вирусен вектор, за да доставят в определени клетки на ретината ген, кодиращ светлочувствителен белтък (хлоропсин). Така клетки, които първоначално не са реагирали на светлина, придобиват способността да го правят. Пациентът използва специални очила, които преобразуват светлинните сигнали от околната среда в подходящи светлинни импулси за активиране на модифицираните клетки.

Първият пациент

През 2021 г. беше съобщен първият резултат при човек – при пациент с напреднал ретинитис пигментоза беше възстановява частично способността му да възприема и локализира обекти. А през октомври 2026 г. в списание „New England Journal of Medicine" беше публикувано ново клинично проучване, включващо 10 пациенти. При седем от тях е установено подобрение на светлочувствителността, а шестима постигат предварително определения праг за клинично значимо подобрение. Разбира се, това съвсем не означава, че е настъпило пълно възстановяване на нормалното зрение, но е важна стъпка към постигането на благородната цел да се помогне на хора, които са го загубили.

Разширяване на спектъра

Може ли светлината да помогне при болестта на Паркинсон и епилепсия? Това е друга изключително интересна област, в която специалистите работят. В експериментални модели оптогенетиката позволява на учените да активират или потискат точно определени групи неврони и да наблюдават как това променя поведението и функционирането на мозъчните вериги. При болестта на Паркинсон например се изследват невронните мрежи, участващи в контрола на движенията. Чрез светлинно активиране на определени нервни клетки учените могат да установят кои мозъчни вериги са отговорни за двигателните нарушения. При епилепсия се изследва възможността патологичната електрическа активност в мозъка да бъде потискана чрез селективно въздействие върху определени неврони. Тези подходи са обещаващи, но все още не са прескочили границите на експерименталната дейност в лабораториите. Предстои дълъг път преди да се превърнат в утвърдени методи за лечение на хора, но основополагащите първи крачки вече са направени.

Ограниченията пред оптогенетиката

Въпреки огромния си потенциал, оптогенетиката е изправена пред редица предизвикателства:

- Необходимо е безопасно доставяне на генетичната информация до точно определени клетки в организма;

- Способността на светлината да прониква в биологичните тъкани, и особено в мозъка, е силно ограничена. Възможно е процедурата да изисква имплантиране на оптични устройства;

- Трябва да се гарантира продължителното и контролирано производство на светлочувствителните белтъци, чиято генетична информация е въведена в човешките клетки.

- Необходимо е да се проследяват възможните имунни реакции към използваните белтъци и вирусни вектори.

Професионално и лично

На 5 октомври 2026 г. Нобеловата асамблея в Каролинския институт в Швеция присъди Нобеловата награда за физиология или медицина на трима учени, свързали в едно три различни научни свята - биологията на водораслите, молекулярната физика и невронауката:

- Петер Хегеман (роден през 1954 г.) беше отличен за изследванията върху светлочувствителните белтъци;

- Георг Нагел (роден през 1953 г.)– за откриването и характеризирането на каналродопсините;

- Карл Дайсерот (роден през 1971 г.) получи отличието за превръщането на това откритие в мощен инструмент за контрол на нервните клетки.

Наградата е признание за фундаменталното значение на тяхната работа за съвременната невронаука.

В тази вдъхновяваща история са записани и имената на други важни участници. Сред тях са Ед Бойдън, съавтор на ключовата публикация от 2005 г., както и Фенг Джанг и Ернст Бамберг, допринесли за развитието на технологията. Големите научни открития отдавна вече не са дело само на един човек.

Карл Дайсерот, който освен всичко друго е и баща на пет деца, продължава да съчетава научната си дейност с работата на практикуващ психиатър. Интересува ли ви какво се случи с младежката му мечта да стане писател? През 2021 г. д-р Дайсерот публикува книга, предназначена за широката публика. Озаглавена е „Projections: A Story of Human Emotions" (на български би могло да се преведе като „Проекции: История на човешките емоции") и съчетава невронаука, психиатрия, медицина и литература. Това не е учебник или ръководство, а научнопопулярно и литературно произведение, в което авторът преплита истории от практиката си като психиатър, докоснала го до съдбата на немалко пациенти с тежки психични разстройства и техните близки; научни обяснения за механизмите на човешките емоции и размисли за съзнанието, страданието, любовта и човешката природа. Книгата получава много добри отзиви от научната и литературната общност. Издадена е на повече от 15 езика (българският поне засега не е сред тях). Възторжена рецензия за нея излиза и на страниците на списание „Science" на 25 юни 2021 г. („Envisioning the emotive mind" - „Представяне на емоционалния ум", подготвена от Стивън Т. Каспър). Едновременно отдаден психиатър, талантлив невробиолог и биоинженер, един от пионерите на оптогенетиката, но и човек с интересна „лична легенда", Карл Дайсерот определено има какво да ни каже. Би било чудесно и българската публика да получи своя шанс за среща с него.