2026 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü, beyin hücrelerinin ışık kullanılarak kontrol edilmesini sağlayan optogenetik teknolojisinin gelişmesinde kritik rol oynayan Karl Deisseroth, Peter Hegemann ve Georg Nagel’e verildi. Bugün sinirbilimin en güçlü araştırma yöntemlerinden biri olan optogenetiğin temeli ise insan beyninde değil, ışığa tepki veren tek hücreli bir algde keşfedildi.
Optogenetik teknolojisi nasıl ortaya çıktı?
Optogenetiğe giden yol, Peter Hegemann’ın Chlamydomonas adı verilen tek hücreli bir alg üzerinde yaptığı çalışmalarla açıldı. Bu mikroorganizma, ışığı algılamasını sağlayan ve içerisinde retinal adlı ışığa duyarlı bir molekül bulunan küçük bir göz lekesine sahip.
Hegemann, algin ışık karşısında oluşturduğu elektriksel tepkileri elektrotlarla ölçtüğünde son derece hızlı bir mekanizma tespit etti. Chlamydomonas ışığa maruz kaldıktan yaklaşık 0,5 milisaniye sonra elektriksel tepki oluşturabiliyordu. İnsan gözünde benzer bir algılama süreci en az 10 milisaniye sürüyor.
Bu kadar kısa tepki süresi, algde ışığı algılayan mekanizmanın insan gözündeki sistemden farklı çalıştığını ortaya çıkardı. Hegemann, 1990’lı yılların başında ışığı algılayan bir proteinin aynı zamanda hücre zarındaki iyon geçişini doğrudan kontrol ediyor olabileceği üzerinde çalışmaya başladı.
Bilim dünyasında o dönemde çok sayıda iyon kanalı biliniyordu ancak doğrudan ışıkla açılıp kapanan bir iyon kanalı henüz tanımlanmamıştı. İlk aşamada söz konusu proteini alg hücrelerinden izole etmek kolay olmadı. Proteinlerin hücre dışına çıkarıldığında kararsız hale gelmesi çalışmaları zorlaştırdı.
Chlamydomonas’ın genetik dizisinin çözülmesiyle araştırmalar yeni bir aşamaya geçti. Hegemann ve ekibi, ışığa duyarlı iyon kanalı görevi yapabilecek iki farklı proteini kodlayan genleri belirledi.
Georg Nagel, bu genlerin nasıl çalıştığını görmek için gen kopyalarını kurbağa yumurtalarına aktardı. Hücreler ilgili proteinleri üretmeye başladıktan sonra üzerlerine ışık tutuldu. Her iki proteinin de ışık geldiğinde açılan iyon kanalları olduğu doğrulandı.
Bu proteinlere channelrhodopsin-1 ve channelrhodopsin-2 isimleri verildi. Özellikle channelrhodopsin-2, kısaca ChR2, son derece hızlı tepki veriyordu. Protein, ışıkla karşılaştıktan yaklaşık 0,2 milisaniye sonra hücre zarından iyon geçişine izin verebiliyordu.
ChR2 daha sonra doğal olarak ışığa duyarlı olmayan memeli hücrelerine aktarıldı. Genetik olarak değiştirilen hücrelere ışık uygulandığında elektriksel aktivite ortaya çıktı. Böylece alglerde bulunan bir proteinin memeli hücrelerini dışarıdan kontrol etmek için kullanılabileceği gösterildi.
Bu gelişme özellikle sinirbilim açısından büyük önem taşıdı. Nöronlar arasındaki iletişim, hücre zarındaki iyon hareketleri üzerinden oluşan elektriksel sinyallerle gerçekleşiyor. Bir iyon kanalının ışıkla kontrol edilebilmesi, sinir hücrelerinin elektriksel aktivitesinin de ışık yardımıyla yönetilebilmesini mümkün hale getirdi.
Karl Deisseroth ve ekibi bu mekanizmayı doğrudan nöronlarda kullanmaya başladı. ChR2’yi kodlayan gen laboratuvar ortamında yetiştirilen sıçan sinir hücrelerine aktarıldı. Nöronlar ışığa duyarlı proteini üretmeye başladıktan sonra hücrelere mavi ışık verildi.
Işık uygulanan sinir hücreleri neredeyse anında elektriksel sinyal oluşturdu. Üstelik ortaya çıkan sinyal çevredeki diğer nöronlara da aktarılabiliyordu. 2005 yılında elde edilen bu sonuçlar, belirli sinir hücrelerinin ışık kullanılarak doğrudan kontrol edilebildiğini gösteren en önemli deneylerden biri oldu.
Araştırmalar ilerledikçe yalnızca ChR2 ile sınırlı kalınmadı. Farklı dalga boylarındaki ışıklara tepki veren başka proteinler de geliştirildi ve incelendi. Bazı proteinler nöronları etkinleştirirken bazıları hücrelerin elektriksel aktivitesini durdurmak için kullanılmaya başladı.
Farklı renklerde ışık kullanılarak ayrı nöron gruplarının aynı deney içerisinde bağımsız biçimde kontrol edilmesi de mümkün oldu. Böylece araştırmacılar beyindeki karmaşık sinir devrelerini hücre grubu seviyesinde inceleyebilecek yeni araçlara kavuştu.
Optogenetik terimi 2006 yılında kullanılmaya başladı. Yöntemde önce genetik tekniklerle seçilen hücrelerin ışığa duyarlı protein üretmesi sağlanıyor. Ardından belirli dalga boyundaki ışık kullanılarak bu hücrelerin elektriksel aktivitesi milisaniyeler içerisinde artırılabiliyor veya baskılanabiliyor.
Teknoloji bugün hafıza, öğrenme, korku, ödül sistemi, hareket ve duygu durumuyla bağlantılı beyin devrelerinin incelenmesinde kullanılıyor. Araştırmacılar belirli bir davranış sırasında hangi nöronların devreye girdiğini ya da belirli sinir hücreleri devre dışı bırakıldığında davranışın nasıl değiştiğini doğrudan gözlemleyebiliyor.
Optogenetik aynı zamanda Parkinson, Alzheimer, depresyon ve şizofreni gibi nörolojik ve psikiyatrik hastalıklarla ilişkili sinir ağlarının araştırılmasında da yer alıyor. Beyindeki belirli devrelerin hastalıkların ortaya çıkışındaki rolü bu yöntemle çok daha ayrıntılı biçimde incelenebiliyor.
Teknolojinin insanlarda doğrudan tedavi amacıyla kullanılmasına yönelik çalışmalar da sürüyor. Özellikle görme kaybı yaşayan kişilerde retina hücrelerine ışığa duyarlı proteinlerin kazandırılması üzerine deneysel çalışmalar yürütülüyor. Bu yaklaşımda işlevini kaybeden doğal ışık algılama mekanizmasının, genetik olarak yerleştirilen ışığa duyarlı proteinler üzerinden yeniden oluşturulması üzerinde çalışılıyor.
