Die Erleuchtung

In einer kleinen Alge fand ein deutscher Forscher ein Molekül, das die Neurowissenschaften revolutionierte und die Optogenetik begründete. Dadurch lassen sich mit Licht Nervenzellen nach Belieben an- und abschalten. Nun zeigt sich, wie wertvoll die neue Technologie auch für die Medizin ist.

Der Misserfolg, so heißt es, ist ein Waisenkind. Der Erfolg aber hat viele Väter. Wie viele Väter die Optogenetik hat, ist nicht so leicht herauszubekommen. Denn es werden immer mehr. So ist das mit neuen, aufregenden Ideen in der Wissenschaft. Im Nachhinein will sie jeder schon irgendwann einmal gehabt haben.

Dass einer dieser Väter Peter Hegemann ist, wird niemand bestreiten. Schließlich hat er das Instrument entdeckt – einen Lichtschalter, mit dem man Nervenzellen an- und ausknipsen kann. Der Schalter hat das völlig neue Gebiet der Optogenetik begründet. Auf den 59-jährigen Forscher von der Humboldt-Universität Berlin regnen derzeit Preise nieder: 2013 der Leibniz-Preis, mit 2,5 Millionen Euro Forschungsgeld dotiert. Im selben Jahr der Brain Prize, verliehen für wichtige Fortschritte in der Hirnforschung. „Dabei bin ich doch gar kein Neurowissenschaftler“, sagt Hegemann. Aber er hat sie revolutioniert.

Optogenetik ist ein Kunstwort und eigentlich kein besonders gutes. Zwar braucht man Genetik, um das eigentliche Ziel zu erreichen: Zellen einen Schalter zu verpassen, den sie von Natur aus nicht haben. Aber es geht nicht um Vererbung, sondern darum, Zellen mit Licht an- und auszuknipsen und zu schauen, was passiert.

Diese neue Technik sorgt seit knapp zehn Jahren für gewaltige Fortschritte in den Neurowissenschaften. Denn sie gibt Forschern erstmals die volle Kontrolle über einzelne Nervenzellen, den Bausteinen unseres Gehirns. Ihnen steht nun das Rüstzeug zur Verfügung, um die komplizierten Netzwerke des Gehirns zu verstehen und seinen Code zu knacken (siehe S. 32). Zudem hilft diese neue Technik auch, neuronale Erkrankungen wie Parkinson und Epilepsie besser zu verstehen und vielleicht eines Tages Patienten mit Licht behandeln zu können.

Entdeckt hat Hegemann den Lichtschalter in der Alge Chlamydomonas reinhardtii. Dieser nur wenige Mikrometer große Einzeller hat auch einen Preis bekommen: Alge des Jahres 2014, nicht zuletzt wegen ihrer Bedeutung für die Optogenetik. Chlamydomonas reinhardtii ist eine Grünalge, sie sieht putzig aus, wie eine Erbse mit zwei Fühlern. Aber es sind Geißeln, mit denen die Alge schwimmt, im Verhältnis zu ihrer Größe ist sie zwölfmal schneller als der US-Schwimmer und 18-malige Olympiasieger Michael Phelps. Wie alle Pflanzen macht auch sie Photosynthese. Das geht nur mit Licht, deswegen schwimmt sie immer dorthin, wo es hell ist. Mehr als 15 Jahre lang hatte Hegemann Chlamydomonas erforscht, weil er wissen wollte, wie die Alge das Licht sieht. 2002 endlich entdeckte er den Mechanismus. Zusammen mit seinem Kollegen Georg Nagel fand er ein spezielles Protein in ihrem Augenfleck. Es ist dem menschlichen Sehfarbstoff Rhodopsin erstaunlich nah verwandt. Die beiden tauften es Kanalrhodopsin.

Das Molekül funktioniert wie eine Schleuse: Fällt Licht darauf, klappt ein molekularer Schalter um und öffnet einen zum Molekül gehörigen Kanal in der Zellhülle. Geladene Teilchen strömen ein und geben so das Lichtsignal ans Innere der Zelle weiter. Die beiden Forscher ahnten sofort: „Kanalrhodopsin könnte ein mächtiges Werkzeug sein.“ So schrieben sie es 2002 in der Veröffentlichung. Dafür müsste man nur das Kanalrhodopsin-Gen in das Erbgut von Nervenzellen einschleusen. So weit der Genetik-Part der Optogenetik.

Bis dahin gab es nur mühselige und eher grobe Verfahren, um Zellen zu erregen. Neurowissenschaftler piksen zum Beispiel Elektroden ins Gehirn, jagen Strom hinein und schauen, was das für Folgen hat. Oder sie beeinflussen Nervenzellen chemisch, mit Psychopharmaka beispielsweise. Aber: Chemische Stoffe wirken nur langsam und auf große Bereiche. Und auch Strom trifft immer mehrere Zellen auf einmal. Nervenzellen mit feinen Lichtstrahlen einzeln zu erregen wäre die viel elegantere Methode. Francis Crick, einer der beiden Entdecker der DNA-Struktur, hatte Lichtstimulation schon 1999 als ideal empfohlen, allerdings ohne eine konkrete Methode vorzuschlagen.

(jlu)