Nobelpreis für Medizin: Die Pioniere der Optogenetik

„Leute, die auf den Nobelpreis warten, werden doch neurotisch.“ Dieser Satz ist hängen geblieben aus einem Gespräch mit Peter Hegemann, das gerade einmal ein Jahr zurückliegt. Seit gestern hat sich diese Sorge, so sie denn seine eigene war, ein für alle Mal erledigt. Denn dem umtriebigen, vielfach preisgekrönten Berliner Biophysiker Peter Hegemann von der Humboldt-Universität ist gestern in Stockholm der Nobelpreis für Medizin oder Physiologie zugesprochen worden, zusammen mit einem anderen deutschen Entdecker der Kanalrhodopsine, Georg Nagel aus Würzburg, und dem amerikanischen Mitbegründer der Optogenetik, Karl Deisseroth.

Die drei Forscher haben in den frühen Jahren dieses Jahrhunderts die Hirnforschung in eine völlig neue Richtung gelenkt – die Hirnforschung und, wie man inzwischen angesichts der weltweiten Aktivitäten auf dem Gebiet erkennen kann, auch die medizinische Forschung. Tatsächlich hat die Idee, mithilfe von Licht Gene und damit auch gezielt Körperfunktionen zu steuern, optisch gewissermaßen zu operieren, bei Wissenschaftlern rund um den Globus die Hoffnung auf neue Therapien geweckt. Blinden und tauben Menschen, Herzkranken und Menschen mit schweren Magenproblemen, auch Patienten mit schwersten degenerativen Hirnleiden oder Suchterkrankungen könnte am Ende damit geholfen werden, die Moleküle des Lebens gezielt mit Licht zu manipulieren – wenn, ja wenn sich das umsetzen lässt, was derzeit vor allem in sogenannten präklinischen Experimenten an Tieren getestet wird.

Wie aber sollte das möglich sein? Um das zu erklären, mussten die Vertreter des Nobelkomitees am Karolinska-Institut gestern um einiges zurückblättern in der Historie. Peter Hegemann und Georg Nagel, so referierten sie, haben die Grundlagen für die Entdeckung der Kanalrhodopsine gelegt: Hegemann, damals am Planck-Institut für Biochemie in München, und Nagel, der am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main tätig war. Beide wollten vor allem eines wissen: wie das Licht die ursprünglich in Bakterien gefundenen Membranproteine dazu bringen konnte, dass sich diese Zellen buchstäblich für geladene Atome öffnen und diese Ionen dann für einen Strom sorgten und die Zelle damit buchstäblich aktiviert. Jedes Mal, wenn auf ein solches Kanalrhodopsin Licht fällt, öffnet sich der Kanal in der Zellmembran, die Ionen fließen und verändern die Zelle. Und das Allerbeste: Diese Membranproteine können das auch in anderen Zellen, wenn man es schafft, sie etwa durch Gentechnik dort auch fest zu verankern.

Hegemann und Nagel experimentierten an verschiedenen Orten mit den Kanalrhodopsinen, teils auch an unterschiedlichen Membranproteinen, aber sie waren längst nicht die Ersten und auch nicht allein. Denn tatsächlich fußen ihre Befunde auf Entdeckungen, die bis zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts zurückreichen und an denen zahlreiche deutsche Wissenschaftler maßgeblich beteiligt waren: zuerst der berühmte Berliner Genetiker Max Delbrück, der schon vor 90 Jahren vor den Nazis in die USA flüchtete und dort in die sogenannte Photobiologie wechselte. Auch der vor vier Jahren verstorbene Biochemiker Dieter Oesterhelt, in dessen Münchener Arbeitsgruppe Hegemann arbeitete und dem der eigentliche Nachweis des Rhodopsin-ähnlichen Proteins Bakteriorhodopsin in der Zellmembran von Halobakterien gelang, muss als einer der frühen Pioniere der Optogenetik genannt werden.

Nagel konnte in den Neunzigerjahren durch Experimente an Fröschen zeigen, dass die Kanalrhodopsine aus Bakterien auch in den Amphibienzellen funktionierten. Sie ernteten Licht und lösten in den Zellen einen Ionenstrom aus, der sich molekularbiologisch nutzen ließ. Ein Lichtschalter für die Biotechnik war geboren – allerdings erst einmal nur theoretisch. Erst als die Kanalrhodopsine in den ersten Jahren dieses Jahrhunderts von Peter Hegemann genetisch entschlüsselt und später auch genetisch so verändert werden konnten, dass die Wirkung des Lichts in eine physiologisch gewünschte Richtung gelenkt werden konnte, war die Optogenetik als Werkzeug der Molekularbiologie und Biomedizin geboren. Es war der Schlüsselmoment der Optogenetik, den der US-Forscher Karl Deisseroth von der Stanford-Universität von da an in diversen großen Experimenten in unterschiedlichen Zielgeweben nutzte.

Besonders geeignet war dafür Nervengewebe, weil in den Nervenzellen die elektrischen Ströme, die von Ionenpumpen in der Zellmembran ausgelöst werden, als elementarer Prozess längst bekannt und vielfach erforscht waren. Bei Hirngewebe aber ist es keineswegs geblieben. Überall entdeckte man die Möglichkeiten, nur eben lange nicht in Deutschland, bedauert Hegemann. „Die Deutschen haben die Arbeiten der anderen allesamt begutachtet, aber selbst nichts gemacht.“ Die ersten Anwendungen, die nach den deutschen Grundlagenarbeiten in den einflussreichsten Journalen veröffentlicht wurden, stammen fast alle aus den USA und China: Zhuo-Hua Pan, damals in Detroit in Michigan tätig, war der Erste im Jahr 2006, der mit der Optogenetik die krankhaft veränderten Sinneszellen in der Netzhaut von Labormäusen korrigierte und es auf einer wissenschaftlichen Tagung präsentierte. Danach kam der US-Hirnforscher Karl Deisseroth, der die Phantasie der Biomediziner beflügelte.

Mittlerweile gibt es trotz langjähriger Vorbehalte gegenüber der Gentechnik zahlreiche Ansätze auch in Deutschland, die Optogenetik therapeutisch zu nutzen. An der Uniklinik Göttingen etwa und dort besonders am Else-Kröner-Fresenius-Zentrum für Optogenetische Therapien stehen womöglich schon im nächsten oder übernächsten Jahr die ersten Patientenversuche an, um „optisches Hören“ mit einem völlig neuen, lichtgesteuerten Cochlea-Implantat möglich zu machen. Auch an der Chance, Blinde zu behandeln und Schwerkranken mit einem Magenschrittmacher zu helfen, wird in den Göttinger Laboren bereits tierexperimentell gearbeitet.

Bei solchen Vorhaben drängt sich natürlich zuerst die Frage auf, wie das Licht zur Steuerung der entsprechenden Gene in den Körper gelangen soll. Tatsächlich ist das die wunde Stelle der Optogenetik. Sichtbares Licht, auf das die herkömmlichen Kanalrhodopsine reagieren, dringt nur wenige Millimeter in die Haut ein. Deshalb wird inzwischen intensiv an Verfahren und Molekülen gearbeitet, die diese Lichternte mit den Membranproteinen auch in größeren Tiefen optimieren sollen. Und um das Ganze biomedizinisch auf die Spitze zu treiben, arbeiten inzwischen weltweit Wissenschaftler daran, die in den Zellen verankerten Lichtsensoren anderweitig gezielt zu aktivieren – etwa durch Radiowellen oder fokussierten Ultraschall. Die haben nicht nur den Vorteil, dass sie tief in den Körper eindringen können, sondern auch in der Medizin als Therapieinstrumente längst im Gebrauch sind.

In den amerikanischen Top-Wissenschaftsjournalen lösen solche Ideen immer wieder Begeisterungsstürme aus. Dort hat es der Optogenetik-Pionier Deisseroth allerdings auch schon in jungen Jahren zum Star der Wissenschaften geschafft. Hegemann und Nagel hingegen haben ihre zahlreichen hochkarätigen Forschungspreise, die sie schon vor dem Medizin-Nobelpreis ernteten, quasi unter Ausschluss der Öffentlichkeit eingesammelt.