Nobel tıp ödülü optogenetik alanındaki keşiflere verildi

Bu yılki Nobel Tıp veya Fizyoloji Ödülü, ışığa duyarlı iyon kanalları alanındaki keşifleriyle optogenetiğin temelini atan Karl Deisseroth, Peter Hegemann ve Georg Nagel'e verildi. Yöntem, beynin daha önce görülmemiş bir hassasiyetle incelenmesine olanak tanıyor.

Hikâye, Chlamydomonas adlı tek hücreli bir alg ile başladı. Hegemann, bu oldukça basit organizmanın bir ışık kaynağına doğru nasıl yüzdüğünü anlamak istedi ve 2000'li yılların başında Nagel ile birlikte algın yüzeyinde özel bir protein keşfetti. Araştırmacılar buluşu kanalrodopsin olarak adlandırdı.

Burada kilit rolü, proteinde özel bir kanalı açan mavi ışık oynuyor. Yüklü iyonlar doğrudan hücreye akarak elektriksel bir impuls oluşturuyor. Araştırmacılar, proteinin aktarıldığı yere bakılmaksızın kesinlikle tüm hücreleri ışığa duyarlı hale getirdiğini fark etti.

Optogenetik nasıl bir devrim yarattı?

Karl Deisseroth, kanalrodopsini sinir hücrelerini milisaniye hassasiyetiyle açıp kapatan bir anahtara dönüştürdü. Algdan elde edilen geni laboratuvar farelerinin sinir hücrelerine aktardı; hücreler de aynı şekilde kanalrodopsin üretmeye başladı. Araştırmacı, hücreleri mavi ışıkla aydınlatarak net biçimde ölçülebilen bir sinir sinyali tetikledi. Sonuçları 2005 yılında yayımladı. İki yıl sonra aynı anahtarı canlı farelerin beyninde de çalıştırmayı başardı.

Bugün yöntem tüm dünyada kullanılıyor; çünkü optogenetik, beynin işleyişini deneysel olarak daha önce hiç olmadığı kadar iyi incelemeye imkân tanıyor. Örneğin bilim insanları ilgilendikleri sinir ağlarını isteklerine göre açıp kapatabiliyor.

Deisseroth şu anda Stanford Üniversitesi'nde biyomühendislik, psikiyatri ve davranış bilimleri profesörü olarak çalışıyor. Hegemann, Berlin Humboldt Üniversitesi'nde deneysel biyofizik kürsüsünü yönetiyor; Nagel ise Würzburg Üniversitesi'nde biyofizik profesörü olarak görev yapıyor.

Estonya Bilimler Akademisi Başkanı ve Helsinki Üniversitesi profesörü Mart Saarma, yaklaşımın önceki yöntemlere kıyasla en büyük avantajının hassasiyet olduğunu belirtti. Elektrik stimülasyonu veya ilaçlar aynı anda birçok hücre tipini etkilerken, optogenetik belirli hücreleri etkilemeye ve sinir devrelerini haritalamaya imkân tanıyor. Böylece hangi beyin bölgelerinin birbirine bağlı olduğu ve farklı sinir hücrelerinin işleyişinin davranışı nasıl etkilediği araştırılabiliyor.

Saarma, "Bu özellikle temel araştırmaları ilerletti; Parkinson hastalığı, epilepsi, depresyon ve bağımlılıkla ilişkili sinir devrelerinin anlaşılmasına yardımcı oldu. Klinik tıpta optogenetiğin kullanımı henüz başlangıç aşamasında; ancak örneğin görme engelli kişilerin görme yetisini yeniden kazandırmak için bu yöntemden yararlanılmaya çalışılıyor" diye ekledi.

Beyin araştırmacısı ve Tartu Üniversitesi Bilgisayar Bilimleri Enstitüsü doçenti Jaan Aru, çözüm tüm beyin bilimini değiştirdiği için yeni yöntemin bu yüksek takdiri çoktan hak ettiğini söyledi. Beyin yoğun bir sinir hücresi ağından oluştuğu için nörologlar onlarca yıl boyunca her bir hücrenin orada ne yaptığını çözmeye çalıştı. Önceki teknolojiler, tek bir hücrenin büyük ağ içindeki rolünü ayırt etme imkânı vermiyordu.

Jaan Aru'ya göre yeni teknoloji sayesinde beyin biliminin hassasiyeti hızla arttı. Araştırmacı, "15 yıl önce bile bunun yakında Nobel verilecek bir teknoloji olduğu açıktı; çünkü nedensel bağlantıları aramayı mümkün kılıyor" dedi ve ekledi: "Zorluk şu ki, bu düğümlerde bir ya da başka hücrenin bir göreve veya hesaba katkısının ne olduğunu başka türlü anlamak mümkün değil."

Aru, ışığa dayalı çözümü Berlin'deki doktora sonrası çalışmaları sırasında kullandı. O dönemde beynin en önemli hücrelerinden biri olan beşinci katman piramidal hücrelerini inceledi. Yeni teknoloji, aynı hücreleri ayrı ayrı aktive etmesine izin veren bir araç sağladı. Böylece araştırmacı, bu belirli hücre tipinin beyin işleyişini nasıl etkilediğini doğrudan gözlemleyebildi.

Bir zamanların mucize silahı artık bilim insanlarının günlük aracı haline geldi. Aru, "Bu teknolojiyi kullanmayan, beyin ağlarının işleyişini inceleyen ciddi bir laboratuvar tanımıyorum. Gündelik teknoloji haline geldi" dedi.

Araştırmacılar şu anda yöntemi daha da geliştirmenin yollarını arıyor. Örneğin aynı beyinde aynı anda birden fazla farklı hücre tipini etkilemek istiyorlar. Aru, "Bir sonraki soru hassasiyetti: hücreler daha hassas ve farklı şekilde etkilenebilir mi? Darboğaz, sonunda bu tek tek hücrelerin aktivitesini ne kadar ölçebildiğin ve bunu nasıl geri yansıtabildiğindi" diye açıkladı.

Hayvan deneylerindeki başarı, yeni teknolojinin klinik potansiyeline dair soruları da beraberinde getiriyor; örneğin gelecekte ağır beyin hastalıklarının hafifletilmesi umuluyor. Ancak bu tür terapilerle ilişkili riskler şu anda hâlâ faydalarını aşıyor.

Doktorların önce yabancı geni doğrudan insan hücresine taşıması gerekiyor. Aru, "Bunu insan beyninde yapmak zor; çünkü büyük ölçüde hücreleri ışığa tepki verecek şekilde genetik olarak değiştirmemiz gerekiyor. Bu nedenle bugün itibarıyla insanda bunun tamamen kesin bir uygulaması yok denilebilir" dedi.

Yine de bazı ilk denemeler yapıldı. Doktorlar yeni yöntemle birkaç kör hastanın gözünü yeniden ışığı algılar hale getirmeyi başardı; ancak yöntem gündelik tedaviden hâlâ uzak.

Estonyalı bilim insanları optogenetik alanında yabancı laboratuvarlarla sıkı işbirliği yapıyor. Estonya örneğin nörokimyada güçlü olsa da optogenetiğin uygulanması için ne daha derin bir istek ne de para yeterli.

Aru, "Bunu iyi yapmak için çok sayıda farklı genetik olarak değiştirilmiş fare hattına ihtiyacın var. Ayrıca hücreleri etkilemek ve ölçmek için teknolojiye ihtiyacın var. Böyle bir laboratuvarın kurulması muhtemelen birkaç milyon tutar" dedi. Bu nedenle beyin araştırmacısı, eski doktora öğrencilerinden birini kısa süre önce optogenetik kapasitesi olan bir laboratuvara deneyim kazanması için yurt dışına gönderdi.

Geçen yıl Nobel Tıp veya Fizyoloji Ödülü'nü, bağışıklık sisteminin vücudun kendi dokularına saldırmaktan nasıl kaçındığını açıklayan keşifleriyle ABD'li bilim insanları Mary Brunkow ve Fred Ramsell ile Japon Shimon Sakaguchi almıştı.

İstatistiklere göre bilim insanlarının çığır açan keşiflerinin Nobel ödülüyle takdir edilmesi giderek daha uzun sürüyor. Örneğin tıp ödülü sahipleri geçen on yılda ödüllerini dünyayı değiştiren çalışmalarını yayımladıktan ortalama 26 yıl sonra aldı.

Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü 1901'den bu yana veriliyor. 2023'ten itibaren Nobel Ödülü'nün değeri 12 milyon İsveç kronu (yaklaşık 1,06 milyon euro). Para ödülünün yanı sıra kazananlar Nobel kabartmalı altın madalya ve diploma alıyor.