Optogenetik: Medizin-Nobelpreis für den Lichtschalter im Gehirn

Mit der Optogenetik haben Peter Hegemann, Georg Nagel und Karl Deisseroth praktisch ein neues Forschungsfeld erschlossen. Für ihre Arbeiten erhalten sie den Medizin-Nobelpreis 2026. Sie machten es möglich, ausgewählte Nervenzellen mit Licht gezielt zu aktivieren oder zu hemmen. Damit entstand ein neuartiges Werkzeug, um zu erforschen, wie Nervenzellen im Gehirn miteinander kommunizieren und welche Schaltkreise Gefühle, Erinnerungen, Bewegung oder Verhalten steuern können.

Hegemann ist an der Humboldt-Universität zu Berlin tätig, Nagel an der Universität Würzburg. Deisseroth arbeitet an der Stanford University und am Howard Hughes Medical Institute in den USA.

Wie eine Grünalge zum Lichtschalter führte

Der Weg zu diesem Werkzeug begann mit einer unscheinbaren einzelligen Grünalge. Hegemann wollte verstehen, wie sich Chlamydomonas reinhardtii so schnell zum Licht hin orientiert. Als um das Jahr 2000 neue Gensequenzen der Alge öffentlich zugänglich wurden, stieß seine Arbeitsgruppe auf Gene, die bekannten lichtempfindlichen Proteinen ähnelten. Hegemann bat Nagel, damals am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt, die Eigenschaften der zugehörigen Proteine zu untersuchen.

Nagel brachte die Proteine in Eizellen des Krallenfroschs ein und konnte gemeinsam mit Hegemann zeigen: Eines davon ist ein direkt durch Licht gesteuerter Ionenkanal, nämlich Channelrhodopsin-2. Trifft blaues Licht darauf, öffnet sich der Kanal. Geladene Teilchen strömen durch die Zellmembran und erzeugen ein elektrisches Signal. Der entscheidende Gedanke lag nahe: Auch Nervenzellen arbeiten mit elektrischen Signalen. Könnte man sie mit diesem Protein ebenfalls durch Licht steuern?

„Man muss Risiken eingehen“

Für Patrick Cramer, Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, ist die Geschichte ein Beispiel dafür, wie wichtig Beharrlichkeit in der Grundlagenforschung ist. Hegemann habe sich trotz jahrelanger Schwierigkeiten „nicht entmutigen lassen“. Gemeinsam mit Nagel habe er schließlich den Nachweis erbracht, „dass es sich bei dem Algen-Rhodopsin tatsächlich um das erste Beispiel eines direkt lichtgesteuerten Ionenkanals und damit um ein völlig neuartiges Membranprotein handelte“.

Hegemann sagte selbst zu seiner Arbeitsweise in einem früheren Interview im Hessischen Rundfunk: „Man muss Risiken eingehen, und dann ergeben sich interessante neue Phänomene, die man nicht vorhersehen kann, die man nicht planen kann.“

Nervenzellen gezielt an- oder ausschalten

Deisseroth und sein Team übertrugen das Prinzip gemeinsam mit Nagel auf Nervenzellen. Sie brachten das Gen für Channelrhodopsin-2 in Nervenzellen von Säugetieren ein. Kurze Lichtpulse konnten dort gezielt elektrische Signale auslösen. 2005 veröffentlichten die Forschenden diesen Durchbruch. Zwei Jahre später funktionierte der lichtgesteuerte Schalter auch im Gehirn lebender Mäuse.

Damit entwickelte sich aus der Entdeckung von Hegemann und Nagel ein völlig neues Werkzeug für die Hirnforschung. Forschende können bestimmte Nervenzellen gezielt an- oder ausschalten und anschließend beobachten, was sich verändert. So lässt sich nicht mehr nur feststellen, wo im Gehirn bei einer Aufgabe Aktivität entsteht. Es kann auch geprüft werden, ob eine bestimmte Gruppe von Nervenzellen tatsächlich eine Bewegung, ein Gefühl, eine Erinnerung oder ein Verhalten auslöst. Genau darin liegt der Meilenstein der Optogenetik.

Karolinska-Institut lobt Neugier der Forscher

„Es geht um Forschung, die durch Neugier getrieben ist“, sagte Patrik Ernfors vom Karolinska-Institut in Stockholm bei der Bekanntgabe des Nobelpreises. „Man hat eine Grünalge erforscht und dabei einen Ionenkanal entdeckt. Und auf dieser Grundlage können wir jetzt die Aktivität im Gehirn mit Licht steuern.“

Die Idee, Nervenzellen mit Licht gezielt ein- und ausschalten zu können, war indes damals nicht neu. Bereits Ende der 1970er-Jahre hatte der Nobelpreisträger Francis Crick die Idee formuliert, einzelne Nervenzelltypen gezielt zu kontrollieren. Für die dafür nötige zeitliche Präzision hielt er Licht für besonders geeignet. Mit dieser damals für viele weit hergeholten Idee lag er schlussendlich richtig.

Vom Forschungswerkzeug zur möglichen Therapie

Die Optogenetik ist zunächst vor allem ein Werkzeug der Grundlagenforschung. Sie kann zeigen, welche Nervenschaltkreise bei neurologischen Erkrankungen wie zum Beispiel Parkinson oder bei psychiatrischen Erkrankungen verändert sind. Abdel El-Manira vom Karolinska-Institut betonte, die Bedeutung reiche deshalb weit über das Verständnis des gesunden Gehirns hinaus. Solche Erkenntnisse können langfristig neue Ansatzpunkte für Therapien liefern.

Bei Erkrankungen der Netzhaut wird eine optogenetische Therapie bereits klinisch erprobt. Für eine Gentherapie gegen Retinitis pigmentosa mit schwerem Sehverlust hat die US-Arzneimittelbehörde FDA im September 2026 den Zulassungsantrag zur Prüfung angenommen. Zugelassen ist die Therapie damit noch nicht. Im Fall einer Zulassung wäre sie nach Angaben des Herstellers die erste genunabhängige Therapie für diese Patientengruppe.

Die Universität Würzburg verweist darauf, dass die Optogenetik inzwischen weltweit in Laboren eingesetzt wird und nicht nur das Gehirn, sondern auch das Zusammenspiel des Nervensystems mit Organen wie Herz und Darm untersuchbar macht.

Dirk Becker, Professor für Botanik an der Universität Würzburg und langjähriger Kollege Nagels, lobt die Forschungsarbeit: „Dass dieses System hilfreich für die Erforschung des menschlichen Gehirns sein dürfte, wurde sehr früh erkannt. Die Arbeiten von Nagel und seinen Mitforschenden waren in dieser Hinsicht wirklich bahnbrechend.“