Nutzen folgt

Preise in der Wissenschaft sind wie Spielmannszüge beim Geschlechtsverkehr: Im wesentlichen stören sie, doch kann man später ganz gut drüber erzählen. So auch über den diesjährigen Nobelpreis für Medizin, verliehen an die beiden deutschen Forscher Peter Hegemann und Georg Nagel sowie den US-Amerikaner Karl Deisseroth.

Ihre Geschichte und die der Optogenetik beginnt in den frühen 2000ern an der Uni Regensburg. Hegemann hatte dort den Lehrstuhl für Biochemie inne und beschäftigte sich mit einzelligen Grünalgen, genauer mit Chlamydomonas reinhardtii, einer eiförmigen Alge, die sich mit einem Paar gleichlanger Geißeln fortbewegt. Sie kommt mit einem Doppelpaddelschlag auf typische Geschwindigkeiten um 100 Mikrometer pro Sekunde, dem ca. 20fachen ihrer Länge. Ein Mensch müsste für eine ähnliche Leistung etwa 125 km/h schnell schwimmen.

Die 100 Mikrometer sind ihr Schlendertempo, wenn Chlamydomonas reinhardtii Licht sieht, spurtet sie bis zu doppelt so schnell in Richtung Helle, Grund dazu hat sie, da ihr Stoffwechsel auf Photosynthese beruht. Hegemanns Frage war denn auch, wie die Alge aus dem Licht einen Reiz zur Bewegung macht. Insbesondere interessierte ihn die erste molekulare Reaktion der Alge. Sie besteht darin, dass, sobald Licht auf den Augenfleck fällt, positiv geladene Natriumionen aus der Umgebung in die Zelle strömen. Hegemann fand, dass diese erste Reaktion dermaßen blitzartig erfolge – im Bereich von Mikrosekunden –, dass sie vermuten lasse, Lichtrezeptor und Ionenkanal bildeten eine räumliche Einheit. Mit anderen Worten: Sie müssen ein und dasselbe Molekül sein. Die Hypothese schien durchaus gewagt, denn ein lichtgesteuerter Ionenkanal war den Biochemikern bis dahin noch nicht untergekommen, obwohl sie schon Dutzende Ionenkanäle und Photosensormoleküle kannten.

Ionenkanäle sind Eiweiße, die in der Membran jeder Zelle sitzen und in der Mitte eine Pore haben. Die Pore kann durch verschiedene Signale (zum Beispiel chemische oder elektrische) gesteuert werden, bestimmte Ionen durchzulassen. Man macht sich selten klar, wie undurchlässig Zellmembranen, obwohl nur wenige Nanometer dünn, tatsächlich sind. Nicht einmal so kleine Moleküle wie Wasser oder Ionen können sie durchqueren. Praktisch jedes Molekül, das in Zellen hinein- oder aus ihnen herausgelangt, benötigt einen speziellen Mechanismus für den Transport, ein Türstehereiweiß, das dafür zuständig ist. Deshalb ist Einströmen und Auspumpen von Ionen für die Übertragung von Reizen nicht erst in Vielzellern mit ihren Nervenzellen entstanden, sondern evolutionär sehr alt und bereits bei Einzellern vorhanden.

Mit Hilfe des vorhandenen Wissens über Photorezeptoren und Ionenkanäle fand Hegemann einen Kandidaten für seine Hypothese. Hier kommt sein Kollege Nagel ins Spiel. Nagel arbeitete damals am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main als Spezialist für das Vermessen von Ionenkanälen. Hegemann schickte Nagel die RNA des Kandidateneiweißes mit Bitte um Überprüfung seiner Hypothese.

RNA ist wahrscheinlich noch vom Impfstoff zum Schutz vor Corona bekannt: Eine DNA-verwandte Substanz, die den Bauplan von Eiweißen codiert und durch Ribosomen (winzige Zellorganellen) abgelesen und in Eiweiße übersetzt wird. Nagel schleuste die RNA in große, einfach zu handhabende Eizellen von Fröschen, die nun das codierte Eiweiß herstellten und in ihre Zellmembran integrierten. Jetzt konnte Nagel den Strom messen, der floss, sobald Licht auf die kanalhaltigen Eizellen schien: Und tatsächlich, die von Hegemann vermutete Einheit von Lichtrezeptor und Ionenkanal in einem einzigen Eiweiß erwies sich als richtig. Dieser Beweis war der Beginn einer enormen Erfolgsgeschichte und die Geburt der Optogenetik. Das Eiweiß erhielt den Namen »Channelrhodopsin« – die Verbindung eines Kanals (»Channel«) mit einem lichtsensitiven Bestandteil (»Rhodopsin«).

Heute sind sowohl die räumliche Struktur als auch der molekulare Funktionsmechanismus des Channelrhodopsins gut verstanden. Darüber hinaus wurden noch viele weitere lichtsensitive Kanäle entdeckt, sowohl für positive geladene als auch für negativ geladene Ionen, Kationen und Anionen. Da man schon lange wusste, dass die Reizweiterleitung auch in höheren Lebewesen mit Hilfe von Ionen­­kanälen bewerkstelligt wird, lag der Gedanke nahe, die Channelrhodopsine zur Erforschung von Nervenprozessen anzuwenden. Die grundsätzliche Idee ist, die lichtempfindlichen Kanäle gezielt in bestimmte Nervenzellen einzubauen, wodurch sie mittels Lichtblitzen ansprechbar werden. Dann kann man die Auswirkungen der Stimulation dieser Nervenzellen erforschen. Vorher war es nicht möglich, einzelne Zellen derart gezielt und minimalinvasiv zu stimulieren, man musste grobe Elektroden einstechen oder in der Nähe plazieren. Jetzt hatte man ein Werkzeug zur präzisen Ansprache einzelner Zellen. Das ist der Hauptgedanke der Optogenetik. Der Wortbestandteil »Genetik« konnte sich etablieren, weil die Art, mit der man steuert, welche (Nerven-)Zellen das Channelrhodopsin herstellen, meist mit genetischen Methoden erfolgt.

Der erste, der diese Idee umsetzte, war der dritte Laureat, Karl Deisseroth, im Jahr 2005. Vor ihm hatte allerdings der Österreicher Gero Miesenböck bereits die Möglichkeit demonstriert, Nervenzellen mit Licht zu steuern. Sein Ansatz benötigte allerdings noch den Einbau von drei anderen Eiweißen und war dadurch sehr viel komplizierter. Deisseroths Leistung ist daher eher technischer als konzeptioneller Natur.

Seither ist die Optogenetik mit Channelrhodopsinen zu einem der wichtigsten Werkzeuge bei der Erforschung von Zellprozessen geworden, für die Ionenkanäle zentral sind: Erforschung des Gedächtnisses (vor allem bei Mäusen), Aufklärung neurologischer Krankheiten wie Parkinson, Epilepsie, aber auch von Süchten und Depressionen, Wiederherstellung von Sehfähigkeit bei Erblindeten, Krankheiten des Herzens und sogar des Verdauungstraktes. Obwohl praktisch all diese Forschungen weiterhin »Work in progress« sind und sich noch nicht klar herausgestellt hat, wieviel die Optogenetik am Ende beitragen wird, hat dieser Nobelpreis vor allem eines wieder verdeutlicht: Dass die Erforschung scheinbar abgelegen erscheinender Fragen – zum Beispiel wie eine ganz spezifische Alge zum Licht findet – zu komplexen und manchmal sogar nützlichen Antworten führen kann. Der potentielle Nutzen ist nie vorhershbar. Die Wissenschaft, werde ich deshalb nicht müde, öffentlich zu beten, ist immer dann am nützlichsten, wenn man ihr keinen Nutzen abzwingen will.