Optogenetik: Wie Licht Nervenzellen steuert und den Medizin-Nobelpreis gewinnt

Am 16. Oktober 2026 ist die Nachricht auch an der Uni Regensburg präsent: Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin geht in diesem Jahr an Peter Hegemann, Georg Nagel und den US-Amerikaner Karl Deisseroth. Die drei werden für Entdeckungen zu lichtgesteuerten Ionenkanälen und zur Optogenetik ausgezeichnet. Das Preisgeld von zwölf Millionen schwedischen Kronen teilen sie sich.

Die Idee klingt fast wie aus einem Science-Fiction-Film, funktioniert aber im Labor: Mithilfe von Licht lässt sich die Aktivität von Zellen steuern, darunter Nervenzellen im Gehirn. Dafür werden Gene für lichtempfindliche Ionenkanäle in Zielzellen eingeschleust. So können Forschende Nervenzellen gezielt an- und ausschalten und untersuchen, welche Schaltkreise Schmerz, Durst, Hunger, Belohnung oder Aufmerksamkeit beeinflussen.

Eine Alge liefert den entscheidenden Baustein

Peter Hegemann beschäftigte sich bereits in den 1980er-Jahren mit der einzelligen Grünalge Chlamydomonas. Sie besitzt einen Augenfleck und schwimmt bei ausreichender Beleuchtung auf die Lichtquelle zu. Hegemann maß elektrische Signale der Alge und stellte fest, dass schon innerhalb von 0,5 Millisekunden ein Impuls auftrat. Daraus schloss er auf ein lichtempfindliches Protein in der Zellmembran.

Gemeinsam mit Georg Nagel untersuchte er zwei Gene aus dem Erbgut von Chlamydomonas. Sie codieren Proteine, die als lichtgesteuerte Ionenkanäle funktionieren. Bei Lichteinfall öffnet sich der Kanal, Ionen strömen ein und erzeugen ein elektrisches Signal.

Die Forscher injizierten die Gene in Froscheizellen. Diese produzierten die Proteine und bauten sie in ihre Zellmembranen ein. Wurde Licht auf die Zellen gerichtet, entstand ein Ionenstrom – und damit ein elektrisches Signal. 2002 veröffentlichten Hegemann und Nagel ihre Entdeckung des ersten Kanals, Channelrhodopsin-1. 2003 folgte die Veröffentlichung zum zweiten Kanalprotein, Channelrhodopsin-2.

Die grundlegende Idee war allerdings älter. 1979 hatte Francis Crick vorgeschlagen, einzelne Nervenzellen gezielt mit Licht zu steuern, ohne benachbarte Zellen zu beeinflussen. Grundlage der späteren Entwicklung war außerdem die Entdeckung des bakteriellen Rhodopsins Bacteriorhodopsin Anfang der 1970er-Jahre durch Dieter Oesterhelt.

Vom Kanal in der Alge zum Licht im Gehirn

Karl Deisseroth, Psychiater an der Stanford University, wollte die Funktionsweise des Gehirns besser verstehen und die Grenzen herkömmlicher Therapien überwinden. Er schleuste das Gen für Channelrhodopsin-2 in gezüchtete Rattennervenzellen ein. Blaulicht löste daraufhin Nervensignale aus, die sich auf benachbarte Neurone ausbreiten konnten. Die 2005 veröffentlichte Arbeit gilt als wichtiger Meilenstein der Neurowissenschaft. 2006 bezeichneten Deisseroth und seine Kollegen die Methode erstmals als „Optogenetik“.

Ein Jahr später brachte Deisseroths Team das Gen in Nervenzellen lebender Mäuse ein. Über einen dünnen Lichtleiter stimulierten die Forschenden Neurone im motorischen Kortex; die Mäuse bewegten daraufhin ihre Schnurrhaare. Weitere Experimente zeigten, dass sich Mäuse durch Licht im Gehirn aufwecken lassen. Bei der Aktivierung bestimmter Nervenzellen konnte außerdem Angst ausgelöst werden.

Für den Gentransfer wird das Kanalgen in einen speziellen Virus eingebaut und in das Gehirn eines Versuchstiers injiziert. Die Viren gelangen in Nervenzellen, die anschließend das lichtempfindliche Protein herstellen und in die Zellmembran integrieren. Ein Glasfaserkabel bringt das Licht anschließend genau dorthin, wo der Kanal aktiviert werden soll.

Optogenetik verbindet Optik und Genetik. Fremdgene sorgen dafür, dass Zielzellen lichtempfindliche Ionenkanäle, Transporter oder Enzyme bilden. Auch fluoreszierende Proteine zählen zu den optogenetischen Werkzeugen, weil sie zelluläre Aktivität mit Licht messbar machen. Reaktionen sind im Millisekundenbereich möglich.

Gearbeitet wird auf mehreren Ebenen: an Proteinen in der Molekularbiologie, an einzelnen Zellen in der Zellbiologie, an definierten Geweben in der Histologie und an frei beweglichen Säugetieren in der Verhaltensbiologie. In Tiermodellen werden Verfahren unter anderem für Parkinson und Epilepsie erprobt. Mit ihnen lassen sich auch intrazelluläre Prozesse untersuchen, etwa die Lokalisation von Proteinen oder die Produktion sekundärer Botenstoffe.

Ein wichtiges Werkzeug ist Channelrhodopsin-2, kurz ChR2, ein natürlich vorkommender, lichtgesteuerter Ionenkanal. Sein C-terminales Ende kann verändert oder durch andere Proteinabschnitte ersetzt werden, ohne dass die Funktion als Ionenkanal verloren geht. Genetisch veränderte ChR2-Fusionsproteine gelangen mittels viraler Transfektion, Elektroporation oder Genkanone in erregbare Zellen wie Neuronen.

In Wirbeltierzellen ist die Vorstufe des lichtabsorbierenden Chromophors Retinal meist vorhanden. ChR2-exprimierende Zellen können daher durch Beleuchtung depolarisiert werden. Das blauempfindliche ChR2 lässt sich mit der durch Gelblicht aktivierbaren Chloridpumpe Halorhodopsin kombinieren. So kann neuronale Aktivität innerhalb von Millisekunden ein- und ausgeschaltet werden.

Fluoreszenzmarkiertes ChR2 macht lichtaktivierte Axone und Synapsen in intaktem Gehirngewebe sichtbar. Damit lassen sich molekulare Vorgänge bei der Entstehung synaptischer Plastizität untersuchen und weitreichende neuronale Verbindungen kartieren. Durch intensive Blaulichtbeleuchtung wurde das Verhalten transgener Nematoden, Taufliegen, Zebrafische und Mäuse berührungslos kontrolliert.

Gezielte Mutationen können die Ionenselektivität von ChR2 verändern: Statt Kationen wie Natrium und Kalium leiten die Kanäle dann Anionen wie Chlorid. Solche anionenleitenden Channelrhodopsine werden eingesetzt, um neuronale Aktivität mit Licht zu hemmen.

Hoffnung für Forschung und Therapie

Die Methode könnte helfen, Blindheit, Depressionen, Sucht und Demenz genauer zu erforschen. Die Ergebnisse sollen außerdem zum Verständnis von Angststörungen, Schizophrenie, Alzheimer und Parkinson beitragen. Als mögliche klinische Anwendung werden optische Cochlea-Implantate untersucht, die Hörsignale präziser als elektrisch arbeitende Implantate übertragen könnten.

Auch bei geschädigten Netzhäuten gibt es Fortschritte. Botond Roska erhielt 2020 für seine Optogenetik-Forschung den Körber-Preis und untersucht gentherapeutische Verfahren zur Behandlung erkrankter Netzhäute. 2021 konnte ein internationales Forschungsteam einem 58-jährigen Patienten mit Retinitis pigmentosa durch eine optogenetische Therapie teilweise das Sehvermögen zurückgeben.

Als führende Entwickler der Optogenetik gelten Karl Deisseroth sowie seine ehemaligen Mitarbeiter Edward Boyden und Feng Zhang. Georg Nagel und Peter Hegemann stellten ihr fluoreszenzmarkiertes genetisches Werkzeug unter anderem den Arbeitsgruppen von Deisseroth, Roger Tsien und Alexander Gottschalk zur Verfügung. Als frühe Wegbereiter gelten außerdem Gero Miesenböck und Boris Zemelman, deren einschlägige Arbeiten 2002 und 2003 erschienen.

Nature Methods kürte die Optogenetik zur „Methode des Jahres 2010“. Die Pioniere erhielten 2013 den Brain Prize. Am 10. Dezember 2026 sollen Karl Deisseroth, Peter Hegemann und Georg Nagel den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin offiziell erhalten.

Hegemanns Kritik: Forschung braucht Luft

Hegemann nennt seine Arbeit Grundlagenforschung. Ein unmittelbarer praktischer Nutzen oder ein konkretes Produkt standen am Anfang nicht im Mittelpunkt. Gerade das sei wichtig, sagt er: Grundlagenforschung schaffe Raum für neue Ideen und Entdeckungen. Deutschland habe traditionell viel Grundlagenforschung betrieben.

Berlin sei vor rund 100 Jahren ein Zentrum der Forschung gewesen, erklärt Hegemann. Die Nationalsozialisten hätten diese Forschungsstrukturen zerstört. Beim Wiederaufbau nach dem Zweiten Weltkrieg sei dann entschieden worden, Forschung überwiegend an außeruniversitären Instituten und Lehre an Universitäten anzusiedeln.

Diese Trennung kritisiert Hegemann. Forschung und Lehre gehörten zusammen,