Il Nobel per la Medicina a Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel

Il Premio Nobel per la Medicina è stato assegnato oggi a Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel «per le scoperte sui canali ionici attivati dalla luce e per lo sviluppo dell’optogenetica».

Il premio è stato assegnato per lo sviluppo di una tecnica che ha cambiato radicalmente il modo in cui si studia il cervello. L’optogenetica consente infatti di usare la luce per attivare o disattivare specifici insiemi di neuroni con una precisione prima impossibile. Illuminandoli, i gruppi di ricerca possono controllarne l’attività e osservare che cosa succede: per esempio, quali neuroni partecipano alla formazione di un ricordo, alla gestione di un movimento o a un dato comportamento. È una tecnica ormai usata nei laboratori di tutto il mondo e che ha aperto nuove possibilità anche per studiare malattie neurologiche e psichiatriche.

Hegemann e Nagel scoprirono le proteine che permettono alle cellule di trasformare la luce in un segnale elettrico. Deisseroth capì come trasferirle nei neuroni e usarle per controllarne l’attività con la luce.

La storia dell’optogenetica e dei Nobel per la Medicina di quest’anno ebbe inizio nei primi anni Novanta. All’epoca Peter Hegemann stava studiando un’alga microscopica formata da una sola cellula appartenente al genere Chlamydomonas. Era nota per reagire molto rapidamente alla luce e nuotare verso la fonte che la produceva. Hegemann era rimasto colpito dai tempi di reazione dell’alga: quando la luce colpiva una piccola struttura sulla sua superficie, si produceva un segnale elettrico in appena un millesimo di secondo.

Dopo avere studiato il fenomeno con diversi esperimenti, Hegemann ipotizzò che nell’alga ci fosse una proteina in grado sia di percepire la luce sia di aprire un piccolo canale nella membrana cellulare dell’alga. Attraverso quel canale sarebbero poi passate delle particelle cariche elettricamente (cioè degli ioni), producendo un segnale elettrico. Questo avrebbe spiegato la rapidità di reazione, ma l’ipotesi richiedeva ulteriori approfondimenti perché fino ad allora non erano mai stati osservati canali ionici aperti direttamente per effetto della luce. Era necessario trovare e studiare quella proteina.

Hegemann ci provò per molto tempo senza riuscirsi, perché una volta estratta dall’alga la principale sospettata, questa si degradava rapidamente senza possibilità di analizzarla. Tra la fine degli anni Novanta e l’inizio degli anni Duemila i progressi nello studio del DNA permisero di ottenere maggiori informazioni su Chlamydomonas e i suoi geni, cioè gli elementi che contengono le istruzioni che le cellule usano per produrre le proteine.

Due geni di Chlamydomonas sembravano contenere le istruzioni per produrre le proteine reattive alla luce e Hegemann decise di coinvolgere Georg Nagel, un biofisico che lavorava sempre in Germania. Nagel accettò e provò a trasferire i geni dell’alga in alcune cellule uovo di rana, notando che in questo modo iniziavano a produrre la proteina ipotizzata da Hegemann sulla loro superficie. Provò allora a colpirle con un fascio di luce e rilevò l’apertura dei canali ionici, con la generazione di un segnale elettrico.

Grazie all’intuizione di Hegemann e al lavoro di Nagel era stata quindi scoperta una proteina che poteva trasformare direttamente la luce in un segnale elettrico. Al di là della scoperta in sé, questa possibilità apriva una nuova serie di opportunità per usare quella proteina in vari contesti di ricerca.

Karl Deisseroth, uno neuroscienziato statunitense, si chiese insieme al proprio gruppo di ricerca se fosse possibile usare la proteina per controllare specifici gruppi di neuroni, nella quantità enorme di queste cellule che formano il cervello. Deisseroth provò a inserire il gene della proteina in neuroni di ratto coltivati in laboratorio e, quando li illuminò, notò che si attivavano immediatamente e producevano un impulso nervoso. Era quindi possibile controllare un neurone, la cui attività è soprattutto elettrica, usando una proteina e la luce.

Nel 2006 la tecnica fu chiamata “optogenetica”, dalla modifica genetica che si attua per far produrre alle cellule la proteina e dall’ottica, perché si usa poi la luce per controllarla. Il principio della tecnica era relativamente semplice e consisteva nell’attivare o bloccare l’attività di un neurone illuminandolo. Serviva però una dimostrazione in un cervello vero e proprio e non in un vetrino di laboratorio.

Dopo diversi tentativi, nel 2007 Deisseroth riuscì con i propri collaboratori a far produrre la proteina a uno specifico tipo di neuroni che regolano il movimento e a impiantare una sottilissima fibra ottica nella zona del cervello che li conteneva. Inviando un impulso luminoso attraverso la fibra ottica, i neuroni si attivavano e il topo muoveva i propri baffi. Era la dimostrazione che si poteva intervenire su un gruppo specifico di cellule e osservare direttamente che cosa succedeva.

Negli anni seguenti la stessa tecnica fu impiegata per studiare il sonno nei topi e capire quali neuroni fossero effettivamente coinvolti nei meccanismi della veglia. Altri studi riguardarono lo studio delle cellule nervose che si attivano durante un’esperienza associata alla paura, lavorando sui circuiti che portano alla costruzione di una memoria.

Prima dell’optogenetica era molto difficile fare qualcosa di analogo, perché non si poteva arrivare al livello delle singole cellule per osservare un fenomeno nel cervello. Spesso i neuroni che controllano funzioni diverse possono infatti trovarsi mescolati gli uni agli altri. Con l’optogenetica è stato invece possibile identificare e studiare meglio i circuiti di neuroni coinvolti nel dolore, nell’alimentazione, nell’attenzione e in certa misura nei comportamenti sociali.

Negli ultimi vent’anni l’optogenetica ha consentito di capire meglio i meccanismi di disturbi e malattie come la schizofrenia, il Parkinson, l’Alzheimer, l’ansia e la depressione. Altri studi di frontiera hanno riguardato sperimentazioni per provare a ripristinare almeno in parte le capacità visive tra chi ha danni alla retina.

Il lavoro dei tre premi Nobel per la Medicina di quest’anno ha permesso di cambiare profondamente il modo di studiare il cervello, una delle cose più complesse e articolate che conosciamo. Senza dimenticare il merito di una piccola, minuscola alga unicellulare che impazzisce per la luce.

Karl Deisseroth è nato nel 1971 ed è docente di Bioingegneria e di Psichiatria e scienze comportamentali a Stanford e presso l’Howard Hughes Medical Institute, negli Stati Uniti.

Peter Hegemann è nato nel 1954 ed è docente di Neuroscienze alla Humboldt University di Berlino, in Germania. Le ricerche per cui è stato premiato con il Nobel furono condotte al Max Planck Institute.

Georg Nagel è nato nel 1953 ed è docente di Fisiologia molecolare delle piante all’Università di Würzburg, in Germania. Le ricerche per cui è stato premiato con il Nobel furono condotte al Max Planck Institute.