Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2026

Рис. 1. Карл Дейссерот (Karl Deisseroth), Петер Хегеман (Peter Hegemann) и Георг Нагель (Georg Nagel) (слева направо) — лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2026 года, присужденной за разработку метода оптогенетики. Изображение с сайта Нобелевского комитета nobelprize.org

Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили трое исследователей, показавших возможность управления активностью нейронов с помощью вспышек света. Германские исследователи Петер Хегеман и Георг Нагель открыли первые светочувствительные ионные каналы, которые можно встроить в мембрану клетки и «научить» ее реагировать на свет. А Карл Дейссерот попробовал приспособить их к выявлению механизмов психических заболеваний — и в итоге получил ценный рабочий инструмент для нейробиологии, который назвали оптогенетикой. Сейчас создаются новые светоуправляемые белки «на любой вкус и цвет», а оптогенетика становится почти рутиной в науке и приходит в медицину, давая надежду на прозрение пациентам с пигментным ретинитом.

Нобелевская неделя 2026 года по традиции началась с Нобелевской премии по физиологии и медицине, которую неофициально называют «Нобелевкой по биологии». Именно в этой номинации в последние годы вручаются награды за самые прорывные открытия в биологии — в том числе фундаментальной и экспериментальной. В этом году премию получила тройка исследователей (рис. 1) — Карл Дейссерот (США), Петер Хегеман и Георг Нагель (Германия) с формулировкой «за открытия в области светоуправляемых ионных каналов и оптогенетики».

Оптогенетика — это фактически способ управлять клетками с помощью света. Так как большинство клеток нечувствительно к свету, сначала в них методами генной инженерии внедряют светочувствительный белок, способный напрямую модулировать их активность. За этой внешне красивой идеей и удобной экспериментальной методикой скрываются годы поиска тех самых волшебных белков и их «обкатка» в разных лабораториях не только in vitro, но и in vivo.

В 1971 году у архей, живущих в экстремально соленых водоемах типа Мертвого моря, обнаружили белок, структурно похожий на родопсин — тот самый родопсин, который служит белком-фоторецептором наших глаз. У него тоже есть семь белковых спиралей, пересекающих мембрану, и небелковая часть — ретиналь, производное витамина А. Но в отличие от нашего родопсина, запускающего в клетке цепочку передачи сигнала через G-белок, этот белок, названный бактериородопсином, просто перекачивал протоны через мембрану, как протонная помпа, используя энергию света. Так он создавал протонный градиент, за счет которого архея синтезирует АТФ — точно так же как митохондрии и хлоропласты. Чем-то это похоже на фотосинтез на минималках.

Важно отметить, что бактериородопсин не гомологичен нашему родопсину — проще говоря, он не имеет с ним общего происхождения. Структурное сходство здесь имеет, скорее всего, сугубо конвергентный характер: ретиналь — химически один из самых удачных хромофоров для светочувствительных белков, которых в принципе в природе существует немного. А укладка из семи трансмембранных сегментов — это эволюционное приспособление белка для удачного «обхватывания» ретиналя. Ничего личного, просто химия!

Это открытие оказалось ценным в фундаментальном плане, однако использовать этот белок для управления активностью клеток никому тогда ожидаемо не пришло в голову. Потому что это абсолютно неочевидное решение, подходящее лишь к небольшому числу случаев. Большая часть клеток млекопитающих просто не будут «знать», что им делать с протонным градиентом на цитоплазматической мембране и с чем его едят. Ну хотя бы потому, что у животных (Metazoa) основной градиент — натриево-калиевый, а не протон-калиевый, как у большей части живого мира.

В 1990-х гг. Петер Хегеман изучал одноклеточную водоросль хламидомонаду (рис. 2). В ее сложно устроенной клетке, как это часто бывает у протистов, есть нестандартная специализированная органелла. Светочувствительный глазок, буквально дающий водоросли зрение. Конечно, она не способна «воспринять» картинку (у нее нет мозга), но вполне себе отличает свет от тьмы и плывет к свету — да так резво, что при освещении одной стороны чашки Петри с хламидомонадами все они соберутся у освещенной стороны. Очевидно, глазок как-то реагирует на свет, но как? Хегеман изучал этот процесс электрофизиологически, то есть записывал с помощью тонкого электрода колебания крошечного «напряжения» на мембране глазка. Освещение вызывало скачок этого электрического потенциала — подобный тому, который распространяется по нейронам и служит физической основной нервных импульсов.

Рис. 2. Если осветить только одну сторону чашки Петри с хламидомонадами, то вся «зелень» соберется на освещенной стороне благодаря наличию у хламидомонады положительного фототаксиса — способности плыть на свет. Он обеспечивается светочувствительным глазком — специализированной органеллой, конвертирующей свет в электрический импульс. Адаптировано из пресс-релиза Нобелевского комитета

Хегеману удалось идентифицировать ген, который отвечает за этот процесс, но своими силами он не мог изучить кодируемый им белок. Для этого его надо было клонировать и испытать в подходящей клетке — и Хегеман попросил о помощи своего коллегу Георга Нагеля, у которого были возможности для такого эксперимента. И главное — у него был опыт!

Ранее он уже экспериментально охарактеризовал тот самый бактериородопсин, используя в качестве модельного объекта яйцеклетки гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) — идеальную тест-систему для электрофизиологических исследований (см. Модельные организмы: ксенопус, «Биомолекула», 01.09.2020). В эти крупные яйцеклетки удобно и впрыснуть нужную матричную РНК для наработки чужеродного белка, и ввести электрод для измерения ионного тока. Теперь Нагелю предстояло фактически повторить тот же самый эксперимент с новым светочувствительным белком хламидомонады (рис. 3).

Рис. 3. РНК каналородопсина-2 (см. Channelrhodopsin), полученную из хламидомонады, «вкололи» в яйцеклетку шпорцевой лягушки. Белок синтезировался и встроился в мембрану. Он оказался светочувствительным катионным каналом — поэтому мембрана клетки стала деполяризироваться (электрически разряжаться) при освещении. Адаптировано из пресс-релиза Нобелевского комитета

Этот белок по своей последовательности был гомологом (эволюционным «родственником») бактериородопсина — и Хегеману это уже было известно по его последовательности. Но функционально он оказался не ионным насосом, а ионным каналом, открывающимся под воздействием света и пропускающим катионы (положительно заряженные ионы) внутрь клетки. На ионных каналах в принципе держится почти всё распространение электрических сигналов в нервной системе человека, а также, например, в мицелии грибов — но те ионные каналы открываются при связывании определенного вещества или изменении электрического потенциала мембраны (см. Мицелий вёшенки приспособили для управления движением робота, «Элементы», 27.12.2024). Особенность этого канала была в том, что он открывался на свет. В совместных публикациях группы Хегемана и Нагеля назвали этот белок каналородопсином (см. Channelrhodopsin). Вскоре за первым каналородопсином был открыт и второй (рис. 4) — у той же самой хламидомонады (G. Nagel et al., 2003. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel). И именно он стал главным героем следующей главы.

Рис. 4. Каналородопсин-2 (слева) и родопсин из сетчатки глаз быка (справа) имеют крайне похожую структуру: они включают в себя ретиналь (показан зеленой шаростержневой моделью) в качестве небелковой световоспринимающей части и состоят из семи спиралей, пронизывающих мембрану и охватывающих ретиналь. Но они имеют разное эволюционное происхождение и разную молекулярную функцию: каналородопсин-2 действует как открываемый светом канал для ионов, а родопсин быка — как активируемый светом «переключатель» внутриклеточных сигнальных путей. Визуализация в программе UCSF Chimera на основе структур PDB (RCSB PDB, The Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank) 3UG9 и 1HZX

Хегеман и Нагель открыли светоуправляемый ионный канал, но чтобы придумать ему успешное применение, нужен был человек с мотивацией Карла Дейссерота. Карл Дейссерот пришел в нейробиологию из психиатрии — и признавался в своей статье в Scientific American (написанной задолго до вручения премии), что к исследованиям мозга его подтолкнула проблема стигматизации людей, страдающих ментальными расстройствами (см. K. Deisseroth, October 20, 2010. Optogenetics: Controlling the Brain with Light). Откуда берется стигматизация? По мнению Дейссерота, ключевой причиной является отсутствие понимания механизмов развития ментальных расстройств: то, что выглядит опасно и возникло по непонятной причине, легко демонизируется. А значит, надо исследовать нейробиологические механизмы психических расстройств.

Но Дейссероту не хватало инструментария для активной стимуляции определеных зон мозга или групп нейронов. Можно вживить электрод — но его локализация задает жесткую точку приложения стимуляции (которую нельзя сменить), его установка травматична, его эффективность со временем падает, так как мозг инкапсулирует его рубцом из глиальных клеток, не реагирующих на импульс. А что если сделать нейроны восприимчивыми к свету? Тогда можно было бы избирательно освещать их короткими вспышками, управляя нервными импульсами в прямом эфире.

В 2005 году Дейссерот в соавторстве с Нагелем и коллегами публикует прорывную статью, в которой показывает такую возможность (E. S Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel & K. Deisseroth, 2005. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity). В культуру нейронов (рис. 5) с помощью ретровируса был внедрен ген каналородопсина-2. И нейроны действительно обрели способность «включаться» в ответ на вспышку света, генерируя потенциал действия. Более того, Дейссероту и его коллегам удалось адаптировать методику для применения на живом мозге крысы. Самым значимым нейробиологическим приложением методики, сделанным в лаборатории самого Дейссерота, стало выяснение механизма развития нарколепсии.

Рис. 5. Внесение гена каналородопсина-2 в нейроны с помощью ретровируса сделало их способными разряжаться в ответ на вспышки света — аналогично яйцеклетке на рисунке 3. Но так как электрические разряды и волны электрического потенциала, проходящие по мембране, — это и есть их основная активность, то в случае с нейронами оптогенетика стала чрезвычайно полезным инструментом для управления нервной деятельностью экспериментального животного с помощью света. Или для проецирования света прямо в нейроны сетчатки, когда палочки и колбочки уже погибли! Адаптировано из пресс-релиза Нобелевского комитета

До Дейссерота уже знали, что нарколепсия ассоциирована с потерей небольшой популяции нейронов гипоталамуса, вырабатывающих нейромодулятор орексин и поэтому называемых орексиновыми. Но достаточна ли их электрическая активность для поддержания бодрствования? Чтобы это проверить, группа Дейссерота сцепила ген каналородопсина со специфическим промотором, который экспрессировался только в оркесиновых нейронах. Далее ген был упакован в ретровирус, а полученный вирус был введен мышам в область гипоталамуса. Туда же был вживлен светодиод — и мыши стали просыпаться, как только им включали свет в гипоталамусе. Такие «мыши со встроенным будильником» послужили решающим доказательством роли орексиновых нейронов в поддержании бодрствования — и их гибели как ключевой причины «засыпания на ходу» у пациентов с нарколепсией.

Пока автору заметки неизвестны признанные открытия именно в области психобиологии и патофизиологии психических расстройств в лаборатории Карла Дейссерота — хотя в своей статье в Scientific American ученый пишет об исследованиях механизма развития шизофрении. Видимо, эти исследования пока не показывают впечатляющих результатов лишь в силу множественности нейробиологических дефектов при этом заболевании — и поэтому не попали в популярные обзоры оптогенетических открытий (например, обзор Оптогенетика. Как управлять нейроном с помощью света, «Химия и жизнь» №2, 2016).

Но открытия Дейссерота и его коллег стали не просто изобретением удобного белка для управления нейронами. Они стали рождением продуктивной идеи — а ведь именно за это награждают Нобелевской премией. Нагель, Хегеман и Дейссерот показали принцип, который за прошедшие годы успел обрасти новыми реализациями.

Каналородопсин-2 недолго был единственным инструментом оптогенетики. Являясь катионным каналом, он при включении света вызывает возбуждение клетки, так как оно обеспечивается притоком катионов. Но в 2010-е годы были обнаружены анионные каналородопсины, которые работают наоборот и «выключают» нейроны при включении света (см. Обнаружены управляемые светом анионные каналы, «Биомолекула», 11 августа 2015). Для этой же цели можно использовать аналоги бактериородопсина (Xiao Duan et al., 2025. Two Decades of Optogenetic Tools: A Retrospective and a Look Ahead). Более того, на ионных каналах уже никто не зацикливается — «передним краем» оптогенетической науки являются ферменты, синтезирующие внутриклеточные сигнальные веществ, такие как аденилатциклаза и фосфодиэстераза (да, их тоже можно сделать светоуправляемыми).

Для неврологии оптогенетика стала незаменимым инструментом. Это теперь почти рутинный метод «расшифровки» механизмов нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона. Причем такие методики активно используют в том числе российские исследователи (см. Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона), «Биомолекула», 29 октября 2013). Другие российские исследователи пытаются усовершенствовать оптогенетику такими образом, чтобы она работала без световодов в мозге — только за счет света, проходящего через ткани головы (см. Российские ученые ищут способ управлять клетками мозга без световодов, Наука Mail, 07.10.2026). За техническими решениями, в общем, дело не стало — но для этого кто-то должен был показать, что так можно.

Актуальности оптогенетике добавляет тот факт, что сейчас FDA — Управление по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов (США) — уже рассматривает первый метод лечения на ее основе (см. J. Rock-Torcivia, October 5, 2026. Optogenetics just won the Nobel Prize, its first therapy is already under FDA review). Речь идет о лечении пигментного ретинита — наследственного заболевания сетчатки, при котором постепенно отмирают палочки и колбочки, лишая глаз способности воспринимать свет. Оптогенетические методы позволяют внедрить ген каналородопсина в другие слои сетчатки, где находятся «релейные» клетки, не воспринимающие свет в норме, но и не пораженные заболеванием (рис. 6).

Рис. 6. При пигментном ретините в самом глубоком слое сетчатки погибают палочки и колбочки — клетки, непосредственно воспринимающие свет (слева). Но сохраняются слои, представленные нейронами, в норме передававшими сигнал от палочек и колбочек дальше — биполярными клетками (bipolar cells) и ганглионарными клетками (RGC). Инъекция вирусного вектора с геном каналородопсина в глаз позволяет этому гену встроиться в биполярные клетки (первая картинка справа) или в ганглионарные клетки (вторая картинка справа). После этого они приобретают способность возбуждаться светом напрямую, без палочек и колбочек. Их светочувствительность остается низкой, а способность различать цвета так и не появляется. Но очки-проекторы позволяют пациенту хотя бы обрести четкое контурное зрение (см. рис. 7). Изображение из статьи: D. Sakai et al., 2022. Optogenetic Therapy for Visual Restoration

Это фактически превращает клетки, ранее бывшие только проводниками, в новые фоторецепторы. Полноценное зрение не возвращается – мир остается монохромным и контурным, и даже такое зрение достигается только в специальных усилительных очках-проекторах (рис. 7). Но это гораздо лучше ретинальных протезов типа Argus II, с которыми пациент обретает лишь грубое предметное зрение. Большое преимущество оптогенетики по сравнению с другими методами генной терапии пигментного ретинита — ее мутационная агностичность (см. Optogenetics: New Therapy for Retinitis Pigmentosa Shows Promise). То есть какая бы мутация ни вызвала дегенерацию палочек и колбочек — сделать новые фоторецепторы из клеток-проводников можно всегда.

Рис. 7. Сравнение реального изображения (слева), зрения пациента с ретинальным протезом (в середине) и зрения пациента, получившего оптогенетическую терапию. Заметно, что качество изображения значительно лучше при оптогенетическом лечении. Кадр из видео «What would the world look like to someone with a bionic eye?»

В целом, история оптогенетики — это практически эталонная история «нобелевского» открытия. Случайная находка, успешная коллаборация, мотивация на почти недостижимый результат — и идея, которая становится для научного сообщества чем-то вроде «а как мы раньше-то не догадались»? Она также как нельзя лучше подчеркивает философию Нобелевской премии и ее принципы — награждение исследователей, чей вклад уже изменил науку и технику.

В мире «большой науки», построенной на рутинном труде тысяч специалистов в больших группах, новые инструменты и методики сами по себе становятся яркими открытиями — как в случае с оптогенетикой. Аналогичным образом дело обстоит с AlphaFold — программой для предсказания структуры белка на основе нейросетей, «удостоившейся» Нобелевской премии по химии в 2024 году (см. AlphaFold 3: как диффузионные модели пришли в предсказание структуры белков, «Биомолекула», 28 августа 2026). Но на этом фоне особенная красота «оптогенетической» Нобелевки состоит в напоминании, какой должна быть настоящая наука. Насколько важным остается стремление решить непостижимые прежде вопросы и творческий подход к процессу — и к каким значимым результатам это может привести.

Источники:
1) Пресс-релиз Нобелевского комитета.
2) Научно-популярная статья Нобелевского комитета.

Георгий Куракин