Nobel Medicina. Che cos'è l'optogenetica, che deriva dallo studio di un'alga che cerca la luce

Capire come il cervello formi i ricordi, le emozioni e i comportamenti è da tempo un sogno per i ricercatori. E non solo, forse un desiderio di tanti.

Si chiama optogenetica, e proprio per le scoperte in questo campo Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel hanno ricevuto il Premio Nobel per la Medicina 2026: "Una tecnica - spiegano dall'Accademia di Stoccolma - che consente di attivare o disattivare l’attività di singole cellule nervose in un cervello vivente. Questo metodo viene ora utilizzato nei laboratori di tutto il mondo per svelare i misteri del cervello”. 

Fin dall'antichità i ricercatori hanno cercato di comprendere i misteri del cervello. Nel corso del Novecento sono riusciti a identificare quali regioni governano le diverse funzioni fisiologiche. Ciò ha fornito conoscenze inestimabili, ma i metodi disponibili all'epoca erano relativamente grossolani e non permettevano di dimostrare che un tipo specifico di cellula nervosa fosse la causa diretta di una determinata emozione o comportamento. L'immagine del cervello che ne emergeva era quindi simile a una fotografia sfocata, priva di molti dettagli. 
 

Cosa scoprono Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel?

I tre scienziati ricevono il Premio Nobel per la Medicina 2026 per la scoperta di un interruttore molecolare per le cellule nervose. Grazie alla luce, i ricercatori sono oggi in grado di attivare o disattivare singoli circuiti neuronali nel cervello. Possono far riaffiorare ricordi, suscitare emozioni, guidare comportamenti e studiare i tipi di neuroni coinvolti in vari disturbi psichiatrici e neurologici.

L'optogenetica "sta trasformando radicalmente la nostra comprensione del cervello. Ha inoltre fornito importanti informazioni su come il sistema nervoso interagisca con diverse cellule in altre parti dell'organismo, come il cuore e l'intestino", ricorda l'Accademia dei Nobel.

Tutto nasce dalla curiosità di un ricercatore e da un'alga “che nuota verso la luce”

Nei primi anni '90, Peter Hegemann, dell'Istituto Max Planck di Biochimica a Martinsried, si pose una domanda semplice: come fa l'alga unicellulare Chlamydomonas a reagire così rapidamente alla luce? Proprio gli studi nati da questa domanda hanno portato alla scoperta dell'optogenetica.

Hegemann riusciva a immaginare una sola spiegazione per questa risposta ultrarapida: il processo doveva essere molto più semplice nella Chlamydomonas rispetto all'occhio umano.

All'inizio degli anni '90, formulò l'ipotesi che un unico complesso proteico fosse in grado sia di catturare la luce sia di agire come canale ionico. “Tuttavia, la sua proposta fu accolta con un certo scetticismo”, ricordano da Stoccolma. All'epoca, i ricercatori conoscevano molti tipi diversi di canali ionici, ma nessuno era in grado di reagire alla luce autonomamente.

I primi esperimenti

Per verificare la sua ipotesi, Hegemann tentò di isolare la proteina fotosensibile della Chlamydomonas. Un'impresa tutt'altro che semplice: quando le proteine presenti nella macchia oculare dell'alga venivano rimosse dal loro ambiente naturale, diventavano instabili e si danneggiavano facilmente, rendendone difficile lo studio.

Ciononostante, a cavallo del nuovo millennio, dopo anni di insuccessi, il gruppo di ricerca fece una scoperta interessante. Alcuni ricercatori giapponesi avevano mappato il Dna dell’alga, rendendo disponibile il codice genetico di migliaia di geni. Tra questi, il gruppo di Hegemann ne individuò due che presentavano notevoli somiglianze con altri già noti e codificanti per proteine in grado di catturare la luce.

Poteva uno di essi contenere le istruzioni che stavano cercando? Per rispondere a questa domanda, Hegemann contattò un collega: Georg Nagel del Max Planck Institute for Biophysics di Francoforte. Nagel possedeva le competenze necessarie per compiere il passo decisivo verso quella che avrebbe rivoluzionato le neuroscienze.

Nagel utilizzava ovociti di rana per studiare le proteine. Una volta ricevuti i due geni della Chlamydomona, ne iniettò delle copie, separatamente, in diversi lotti di ovociti di rana; questi iniziarono a produrre in grandi quantità le due proteine sconosciute. Le proteine si localizzavano sulla superficie delle cellule uovo, all'interno della membrana circostante. Nagel poté così studiarne il funzionamento e scoprì rapidamente che l'ipotesi formulata da Hegemann un decennio prima era corretta: le proteine appena scoperte erano canali ionici che si aprivano se esposti alla luce.

La scoperta e l'incontro con il terzo Nobel: Karl Deisseroth 

Queste proteine furono chiamate canalrodopsina-1 e canalrodopsina-2. Quando Nagel e Hegemann introdussero i geni di Chlamydomonas negli ovociti di rana, questi iniziarono a produrre proteine che si localizzavano sulla superficie della cellula.

Se i canali ionici venivano illuminati, questi si aprivano. Gli ioni fluivano quindi attraverso i canali, generando un segnale elettrico. Hegemann e Nagel compresero così di aver compiuto una scoperta rivoluzionaria.

Sperimentarono il gene in cellule renali embrionali umane e in cellule renali di criceto. Le cellule divennero fotosensibili: se esposte alla luce, generavano un segnale elettrico.

Nel 2003, Hegemann e Nagel pubblicarono i risultati del loro esperimento e un giovane scienziato della Stanford University raccolse il testimone. Era Karl Deisseroth.

Negli anni '90, quando Karl Deisseroth iniziò gli studi di medicina, stava valutando la carriera di neurochirurgo, ma trascorse parte della sua formazione presso una clinica psichiatrica. Lì rimase colpito dalla sofferenza dei pazienti e dal loro bisogno di aiuto. Allo stesso tempo, iniziò a chiedersi come il cervello potesse funzionare in modo così diverso da persona a persona.

Perché le persone affette da depressione trovano così difficile provare gioia? Cosa causa l'autismo o i deliri schizofrenici? Così, parallelamente agli studi di medicina, conseguì un dottorato di ricerca in neuroscienze. In laboratorio lo studioso utilizzava sottili sezioni di tessuto cerebrale, esaminandole in capsule di Petri. Ma per comprendere le patologie psichiatriche era necessario studiare il funzionamento delle cellule nervose in un cervello vivente.

I tre scienziati, fino al Nobel per la Medicina

Così il futuro Nobel scrisse a Georg Nagel chiedendo se potesse ottenere il Dna che codificava la proteina ‘chiave’. Deisseroth lo introdusse in cellule nervose di ratto coltivate in piastre di Petri. Quando il gruppo di ricerca espose le cellule nervose alla luce blu, queste reagirono immediatamente. La luce innescò un segnale nervoso capace di propagarsi ad altre cellule nervose.

Nel 2005, il gruppo di Deisseroth pubblicò la propria scoperta. Avevano raggiunto un traguardo decisivo, sebbene ci fosse ancora molta strada da percorrere per arrivare all'obiettivo finale: controllare l'attività delle cellule nervose in animali vivi.

Karl Deisseroth avviò quindi numerose collaborazioni, tra cui quelle con Peter Hegemann e Georg Nagel. Condivise inoltre la sua scoperta con altri ricercatori che ne compresero l'enorme potenziale. Con il laboratorio di Deisseroth in prima linea, gli scienziati individuarono presto altre proteine in grado di attivare e disattivare le cellule nervose, sensibili a diverse lunghezze d'onda della luce.

Nel 2006, questo nuovo metodo fu denominato optogenetica. La promessa di controllare l'attività delle cellule nervose in animali vivi fu mantenuta.