On yıllar süren araştırmalarla bilim insanları beyin ve omurilik içindeki uzmanlaşmış hücrelerin ne yaptığına dair kısmi bir tablo oluşturdu. Beynin gelişimini inceleyerek farklı nöron popülasyonlarında aktif olan genleri ve bu nöronların beyindeki konumlarını belirleyebildiler. Bazı durumlarda bu genler nöronları genetik olarak silmek için kullanıldı; böylece hasarlı bölgeli beyinlerin incelenmesinden elde edilen bilgilere dayanarak bu hücrelerin ne yapıyor olabileceğine dair bir fikir edinildi.
Ancak bu yaklaşımın sınırları var. Beyin, bazı hücrelerin kaybına uyum sağlayacak kadar esnek olabilir ve erken gelişim döneminde kayıplar, normalde bağlantı kuracakları nöronların gelişimini değiştirebilir. Aksi halde sağlam bir beyinde nöronları aktive edip kapatabilmek çok daha aydınlatıcı olurdu.
Bu yılın Fizyoloji veya Tıp Nobel Ödülü, tam olarak bunu yapma yeteneğimizi geliştiren Karl Deisseroth, Peter Hegemann ve Georg Nagel olmak üzere üç kişiyi ödüllendiriyor. Işığa çekilen tek hücreli algler üzerindeki çalışmalardan yola çıkan bu araştırmacılar ve birçok başka bilim insanı, şimdi optogenetik dediğimiz geniş bir çalışma alanını kurdu: tek tek genlerin aktivitesiyle işaretlenmiş sinir hücrelerinin davranışını ışıkla değiştirmek.
Yosundan insan hücrelerine
Sinir dürtüleri, zar içinde yer alan ve yüklü atomların geçmesine izin veren iyon kanalı adı verilen proteinlerle üretilir. Sinir sistemi, bir nörotransmitter algıladığında ya da voltaj değişimi yaşadığında aktif olan bir iyon kanalı popülasyonu kullanır. Bu ince kontrol düzeyi, uzmanlaşmış sinir hücrelerinin yalnızca belirli koşullarda dürtü göndermesini sağlar ve beynin elektriksel gürültüye boğulmasını engeller.
Peki çok sayıda uzmanlaşmış sinir hücresinin ne yapıyor olabileceğini öğrenmek istiyorsak, en kolay yol bu sistemi ele geçirmektir: hücreyi istediğimizde iyon bazlı dürtüler göndermeye zorlamak ve hayvanın davranışının nasıl değiştiğini görmek.
Nobel Komitesi, bu fikrin yeterince açık olduğunu ve optogenetiğin geliştirilmesinden önce bunun yapılmasının birkaç yönteminin denendiğini belirtiyor. Ancak “en kolay yol” “kolay” anlamına gelmiyordu ve çoğu yöntem, birden fazla genin eklenmesini gerektirmesi, sinir hücrelerine çok özel kimyasallar sağlanması ya da hücrelere fiziksel zarar veren yoğunlukta lazer kullanılması gibi nedenlerle yaygın olarak kullanılmadı.
Nihai çözümün, Chlamydomonas adlı tek hücreli bir algde saklı olduğu ortaya çıktı. Organizmanın tek hücresi oldukça karmaşıktır; hareketine yardımcı olan iki kamçısı ve ışığa doğru hareket ettiği göz noktası bulunur. Bu organizma temel biyolojik süreçler için bir model olarak uzun süredir inceleniyordu.
Burada Berlin Humboldt Üniversitesi'nde çalışan Hegemann devreye girdi. O ve çalışma arkadaşları Chlamydomonas'a bir elektrot bağladılar ve ışığa bir flaş uygulanmasının çok hızlı bir iyon akışına yol açtığını gösterdiler; bu da ışığın bir iyon kanalını açtığını gösteriyordu. Diğer bilim insanları Chlamydomonas'ın ürettiği haberci RNA'ları taramaya başladığında Hegemann, arkeal bir türde bulunan ışıkla aktive olan bir iyon pompasına benzeyen birkaç gen fark etti.
Bu genlerin Chlamydomonas'taki iyon akışlarından sorumlu olabileceğini düşünen Hegemann, RNA interferansı ile aktivitelerini bloke etti. Bu, ışığa yanıt olarak iyon akışını sınırladı ve bu genlerin organizmanın ışığı algılamasındaki rolünü açıkça ortaya koydu.
Bundan sonra Hegemann, iyon akışları konusunda uzman olan Würzburg Üniversitesi'nden Nagel ile uzun soluklu bir iş birliğine başladı. İki genden birinin yalnızca protonların yani bir hidrojen iyonunun hücreye girmesine izin verdiğini, diğerinin ise geniş bir pozitif yüklü iyon yelpazesini geçirdiğini gösterdiler. Ayrıca biraz farklı ışık dalga boylarına da duyarlıydılar. Proteinler, gözlerimizdeki reseptörler gibi ışığı algılamak için A vitaminiyle akraba bir kimyasal kullanıyordu. Topluca bu protein sınıfına şimdi “kanalrodopsinler” adı veriliyor.
Nagel, kanalrodopsinlerin kullanımını genişletmede kilit rol oynadı; bu proteinleri kodlayan genlerin gelişmekte olan kurbağa embriyolarından kültürlenmiş insan hücrelerine kadar her yerde çalışabildiğini gösterdi. Daha sonra, küçük bir solucan olan C. elegans'ın nöronlarında aktif olduğunda, solucanları ışığa maruz bırakmanın davranışlarını değiştirmesine neden olabildiğini gösterdi.
Beyni aydınlatmak
Stanford'daki Deisseroth ve çalışma arkadaşları bunu geniş ölçüde kullanılabilir bir teknolojiye dönüştürmede kilit rol oynadı. Kanalrodopsinlerin nöronlarda çalıştığını ve tetikledikleri iyon akışlarının sinir dürtüleri olarak iletildiğini gösterdiler. Ayrıca farklı ışık dalga boylarına duyarlı olan kanalrodopsin ailesinin daha fazla üyesini buldular. Hücreye negatif yüklü klor iyonlarının girmesine izin veren bir versiyon da keşfedildi; bu sayede araştırmacılar sinir hücrelerini seçici olarak kapatabildi.
Aynı zamanda Deisseroth ve ekibi sorunun mühendislik yönü üzerinde çalıştı; hayvanların serbestçe hareket edip nispeten normal davranmasına izin veren kompakt ışık kaynakları ve küçük, esnek fiber optikler geliştirdiler.
Sonuç, farklı nöron popülasyonlarının ne yaptığını anlama yeteneğimizde şüphesiz bir devrim oldu. Bir genin küçük bir nöron popülasyonunda aktif olduğunu biliyorsak, o genin fare versiyonunu kullanarak orada kanalrodopsini aktive edebilir ve ışığın ortaya çıkan farelerin davranışını nasıl değiştirdiğini test etmeye başlayabiliriz.
Optogenetiğe dayanan çalışmaların bir düzine kez daha anlatıldığını söyledik. Nobel Komitesi, bu yöntemin hafızaların nasıl depolandığını anlamaktan farelerin uykudan nasıl uyandığını bulmaya kadar her şeyde kullanıldığını belirtiyor. Vurgulanan dikkat çekici deneylerden birinde, bir araştırma grubu annelik bakımından sorumlu olduğu bilinen beyin bölgesini aldı ve içinde annelerin yavrularını aramasını tetikleyen ya da onlarla fiziksel etkileşimi yöneten gibi uzun bir işlev listesini yerine getiren uzmanlaşmış hücreler bulunduğunu gösterdi.
Kanalrodopsinler, çubuk ve koni hücreleri ölmesiyle oluşan bir körlük formunda sınırlı ışık algısını geri kazandırmak için bile kullanıldı.
Bu gelişmenin ne kadar önemli olduğunun en açık işaretlerinden biri optogenetiğin yaygın benimsenmesi oldu. Onurlandırılan üç kişi gelişimine kilit katkılarda bulundu ancak kullanımına nispeten küçük bir katkı sağladılar. Bunun yerine optogenetiğe dayanan çalışmaları büyük ölçüde, faydasını fark edip onu geliştiren ve genişleten diğer kişiler yaptı.
Ödül, ABD için de çok zamanında geldi; mevcut yönetim temel araştırmalarda kesintiler yapma ve fonları yapay zekâ ve kuantum bilişim gibi uygulamalı alanlara kaydırma baskısı yapıyor. “Bu su yosunu parçası ışığı fotosentez için yeterli hale getirmek üzere nasıl hareket ediyor?” sorusundan daha temel bir bilimsel soru hayal etmek zor. Ve bu, cevapların sonuçta pratik uygulamaları olacağı düşüncesiyle sorulmayan türden bir soru.
Ama bilimin hikâyesi defalarca, görünüşte önemsiz araştırmaların tüm çalışma alanlarını devrimleştirdiğini ve sonuçta insan sağlığı ve teknoloji için etkiler yarattığını gösteriyor. Nobel Ödülü Komitesi, açık bir atılımı onurlandırırken istemeden bu hikâyeyi hatırlatmamızı sağladı.
