پیتر هگمان از دانشگاه هومبولت برلین و گئورگ ناگل از دانشگاه وورتسبورگ، در پی درک چگونگی حس کردن نور توسط جلبک تک‌سلولی کوچکی به نام کلامیدوموناس بودند. حس کردن نور تنها مختص حیوانات دارای چشم نیست؛ موجودات زنده در سراسر جهان از نور برای تشخیص محیط اطراف و واکنش به تغییرات آن استفاده می‌کنند. حتی موجودات تک‌سلولی نیز پروتئین‌هایی دارند که به نور واکنش نشان می‌دهند. این پروتئین‌ها برای حرکت به سمت یا دور از نور، تولید انرژی و پاسخ به نیازهای مختلف یک شبانه‌روز به کار می‌روند.
هگمان و ناگل کشف کردند که کلامیدوموناس دارای یک مکانیسم تشخیص نور بسیار هوشمندانه است که بر پایه پروتئینی واحد به نام کانالرودوپسین عمل می‌کند.
کانالرودوپسین در غشای بیرونی سلول جلبک قرار گرفته است. بخشی از این پروتئین رو به آب خارج سلول و بخشی دیگر رو به داخل سلول است. این پروتئین همچنین حاوی یک مولکول کوچک به نام رتینالدئید است که قادر به جذب نور است.
هنگامی که نور به رتینالدئید درون کانالرودوپسین برخورد می‌کند، شکل آن تغییر می‌کند. این تغییر باعث می‌شود پروتئین کانالرودوپسین نیز تغییر شکل دهد. این تغییر، یک گذرگاه کوچک را از طریق غشای سلولی باز می‌کند. ذرات با بار مثبت، از جمله سدیم، می‌توانند از آب خارج جلبک به داخل سلول جریان یابند. این حرکت ذرات باردار سیگنالی را به داخل جلبک می‌فرستد که به شنا کردن آن کمک می‌کند.
حل چنین مسئله بیولوژیکی جالبی فوق‌العاده است، اما چرا جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی؟ پاسخ در نحوه عملکرد سلول‌های عصبی نهفته است. سلول‌های عصبی برای کنترل فعالیت خود از حرکت ذرات باردار (که «یون» نامیده می‌شوند) در سراسر غشای خود استفاده می‌کنند. هنگامی که ذرات با بار مثبت به داخل یک سلول عصبی جریان می‌یابند، می‌توانند آن را فعال‌تر کنند.
محققان دریافتند که اگر بتوانند کانالرودوپسین را در سلول‌های عصبی قرار دهند، ممکن است بتوانند این سلول‌ها را تنها با تاباندن نور به آنها روشن کنند. این دقیقاً همان کاری بود که هگمان، ناگل و سومین برنده جایزه نوبل، کارل دایسروت، روانپزشک و مهندس زیستی از دانشگاه استنفورد کالیفرنیا، انجام دادند.
روشن کردن سلول‌های عصبی با نور
توانایی کنترل سلول‌های عصبی با نور، اپتوژنتیک نامیده می‌شود. این روش به یک ابزار تحقیقاتی قدرتمند تبدیل شده است زیرا دانشمندان می‌توانند از آن برای روشن و خاموش کردن گروه‌های خاصی از سلول‌های عصبی استفاده کرده و نتایج را مشاهده کنند.
ابتدا، دانشمندان ژن کانالرودوپسین را به سلول‌های عصبی مورد مطالعه خود منتقل می‌کنند. این ژن معمولاً توسط ویروسی که تغییر یافته تا بیماری‌زا نباشد، به سلول‌ها منتقل می‌شود. سپس سلول‌ها پروتئین کانالرودوپسین را تولید می‌کنند که آنها را به نور حساس می‌کند.
در حیواناتی مانند موش‌ها، دانشمندان می‌توانند از طریق یک فیبر نوری نازک، نور را به مغز بتابانند. هنگامی که نور به سلول‌ها می‌رسد، کانالرودوپسین باز می‌شود و سلول‌ها فعال می‌شوند. سلول‌های عصبی مجاور که حاوی این پروتئین نیستند، تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند.
نور را می‌توان به بخش بسیار کوچکی از مغز هدف قرار داد و با سرعت بسیار بالا روشن و خاموش کرد. این ویژگی اپتوژنتیک را به روشی قدرتمند برای بررسی نحوه عملکرد مغز تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، اگر دانشمندان بخواهند بدانند که آیا گروه خاصی از سلول‌های عصبی دانلودینا در حافظه، خواب، حس یا حرکت نقش دارند، می‌توانند این سلول‌ها را با نور روشن کرده و نتایج را مشاهده کنند.
در یک آزمایش در سال 2012، تیمی در موسسه فناوری ماساچوست، موش‌ها را در یک قفس خاص با شوک الکتریکی خفیفی مواجه کردند. آنها از اپتوژنتیک برای نشانه‌گذاری سلول‌های عصبی در مرکز حافظه مغز که در طول آن آزمایش شرطی‌سازی ترس فعال بودند، استفاده کردند. روزها بعد، در قفسی متفاوت، آنها آن سلول‌ها را با نور روشن کردند. موش‌ها از ترس خشکشان زد، گویی شوک را به یاد آورده بودند.
موش‌هایی که شوک ندیده بودند، خشکشان نزد، که نشان داد نور در حال فعال‌سازی مجدد یک حافظه خاص بود. دایسروت یکی از نویسندگان این مطالعه بود.
اپتوژنتیک توانایی دانشمندان را برای بررسی نحوه عملکرد مغز و سیستم عصبی دگرگون کرده است. همچنین ممکن است در آینده به عنوان یک درمان نیز مورد استفاده قرار گیرد. اپتوژنتیک در حال حاضر در مراحل اولیه آزمایشات بالینی برای افراد مبتلا به دژنراسیون شبکیه است. در این آزمایشات، محققان پروتئین‌های حساس به نور را به سلول‌های عصبی باقی‌مانده در شبکیه پس از از بین رفتن سلول‌هایی که به طور معمول نور را تشخیص می‌دهند – یعنی سلول‌های میله‌ای و مخروطی – وارد می‌کنند. این کار می‌تواند باعث شود سلول‌های باقی‌مانده به نور واکنش نشان داده و بخشی از بینایی را بازگردانند.
محققان همچنین در حال بررسی این موضوع هستند که آیا اپتوژنتیک می‌تواند در نهایت برای درمان بیماری‌های عصبی، از جمله پارکینسون و صرع، مورد استفاده قرار گیرد.
جایزه نوبل امسال، کاری را جشن می‌گیرد که با سؤالی آغاز شد که ممکن است نامفهوم به نظر برسد: کلامیدوموناس چگونه به سمت نور شنا می‌کند؟ این سؤال اهمیت عملی آشکاری ندارد. به یک نیاز فوری در سلامت انسان نمی‌پردازد، و راه روشنی به سوی ثروت نیز نیست. موفقیت اپتوژنتیک نمونه‌ای از اهمیت ادامه پرسیدن سؤالات صرفاً برای درک جهان اطراف ماست، زیرا پیش‌بینی اینکه دانش ما را به کجا خواهد برد، غیرممکن است.