Optogenetik: Wie Licht Nervenzellen steuert und neue Therapien ermöglicht

Georg Nagel erfuhr von seinem Nobelpreis auf einer Terrasse in Italien, umgeben von Olivenbäumen. Zum Zeitpunkt des Interviews hielt sich der 73-jährige Wissenschaftler der Universität Würzburg in den Bergen zwischen Neapel und Rom auf – in der Heimatregion seiner aus Neapel stammenden Ehefrau. Seit seinem Ruhestand verbringt er dort üblicherweise die kalten Monate.

Das Wetter hilft bei dieser Entscheidung offenbar mit: In der italienischen Region ist es durchschnittlich zehn Grad wärmer als in Würzburg, dazu kommen kein Nebel und kein graues Wetter. Nagel sagte, er sei von der Auszeichnung sehr überrascht gewesen und habe nicht damit gerechnet. Freunden, die gespannt nach Stockholm blickten, hatte er vor der Verkündung noch zugerufen, sie sollten „cool bleiben“.

Seine Zurückhaltung hatte einen konkreten Grund. Seines Wissens habe bislang nur ein Patient von der Optogenetik profitiert, erklärte Nagel. Mit Malaria-Medikamenten oder Checkpoint-Inhibitoren zur Bekämpfung von Tumorzellen sei die Methode nicht vergleichbar – von diesen Behandlungen profitierten viele Patienten. Deshalb habe er gedacht, für einen Medizin-Nobelpreis sei es noch zu früh.

Ein Schalter für Nervenzellen

Am Montag wurden Georg Nagel, der US-Forscher Karl Deisseroth (54) und der deutsche Forscher Peter Hegemann (71) für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet der Optogenetik ausgezeichnet. Hegemann arbeitet an der Humboldt-Universität zu Berlin, Nagel an der Universität Würzburg. Deisseroth ist an der Stanford University und am Howard Hughes Medical Institute tätig.

Die Methode verbindet Optik und Genetik. Sie ermöglicht es, ausgewählte Nervenzellen mithilfe von Licht gezielt zu aktivieren oder zu hemmen. Dadurch können Forschende untersuchen, wie Nervenzellen kommunizieren und welche neuronalen Schaltkreise Gefühle, Erinnerungen, Bewegungen oder Verhalten steuern.

Ausgangspunkt war die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Peter Hegemann untersuchte, wie sie sich schnell zum Licht orientiert. Um das Jahr 2000 stieß seine Arbeitsgruppe in neu zugänglichen Gensequenzen auf Gene für lichtempfindliche Proteine. Hegemann bat Georg Nagel, der damals am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt arbeitete, diese Proteine zu untersuchen.

Nagel brachte sie in Eizellen des Krallenfroschs ein. Gemeinsam zeigten Hegemann und Nagel, dass Channelrhodopsin-2 ein direkt durch Licht gesteuerter Ionenkanal ist. Bei blauem Licht öffnet sich der Kanal, geladene Teilchen strömen durch die Zellmembran und erzeugen ein elektrisches Signal. Nervenzellen arbeiten ebenfalls mit elektrischen Signalen – damit war die Idee geboren, sie mithilfe dieses Proteins durch Licht zu steuern.

Karl Deisseroth und sein Team übertrugen das Prinzip gemeinsam mit Nagel auf Nervenzellen. Sie brachten das Gen für Channelrhodopsin-2 in Nervenzellen von Säugetieren ein; kurze Lichtpulse lösten dort gezielt elektrische Signale aus. Dieser Durchbruch wurde 2005 veröffentlicht. 2007 funktionierte der lichtgesteuerte Schalter auch im Gehirn lebender Mäuse.

Seitdem können Forschende bestimmte Nervenzellen an- oder ausschalten und anschließend beobachten, was sich verändert. So lässt sich nicht nur feststellen, wo im Gehirn Aktivität entsteht. Es wird auch prüfbar, ob bestimmte Nervenzellgruppen Bewegungen, Gefühle, Erinnerungen oder Verhalten auslösen.

Vom Laborwerkzeug zur möglichen Therapie

Die Idee, Nervenzellen mit Licht zu kontrollieren, hatte Francis Crick bereits Ende der 1970er-Jahre vorgeschlagen. Licht erschien ihm wegen seiner zeitlichen Präzision geeignet, einzelne Nervenzelltypen zu steuern. Die Optogenetik wird zunächst vor allem als Werkzeug der Grundlagenforschung eingesetzt. Sie kann Veränderungen neuronaler Schaltkreise bei Krankheiten wie Parkinson oder psychiatrischen Erkrankungen sichtbar machen. Langfristig könnten daraus neue Therapieansätze entstehen.

Bei Netzhauterkrankungen wird eine optogenetische Therapie bereits klinisch erprobt. Die US-Arzneimittelbehörde FDA nahm im September 2026 den Zulassungsantrag für eine Gentherapie gegen Retinitis pigmentosa mit schwerem Sehverlust zur Prüfung an. Zugelassen ist die Therapie damit noch nicht. Nach Angaben des Herstellers wäre sie im Fall einer Zulassung die erste genunabhängige Therapie für diese Patientengruppe.

Ein Patient mit Retinitis pigmentosa konnte 2021 durch eine optogenetische Therapie teilweise wieder sehen. Damals ermöglichte ein internationales Forschungsteam einem 58-jährigen Patienten diesen begrenzten Seherfolg. Auch in Tiermodellen werden optogenetische Verfahren unter anderem für Parkinson und Epilepsie untersucht.

Die Technologie kommt weltweit in Laboren zum Einsatz. Es geht dabei nicht nur um das Gehirn: Forschende untersuchen auch das Zusammenspiel des Nervensystems mit Organen wie Herz und Darm. In der Zellbiologie dienen die Verfahren dazu, Proteine in bestimmten Zellregionen zu lokalisieren, sekundäre Botenstoffe zu produzieren oder zelluläre Signalkaskaden gezielt zu verändern.

Ein Prinzip mit vielen Varianten

Optogenetik bedeutet, definierte funktionelle Vorgänge in bestimmten Zellen oder Geweben mit Licht an- oder abzuschalten. Dafür werden Fremdgene in Zielzellen eingebracht, die lichtempfindliche Ionenkanäle, Transporter oder Enzyme exprimieren. Auch fluoreszierende Proteine zählen zu den optogenetischen Werkzeugen, weil sie zelluläre Aktivität mit Licht messbar machen.

Die Kontrolle biologischer Prozesse kann im Millisekundenbereich erfolgen. Anwendungen reichen von einzelnen Proteinen und Zellen über Gewebe bis zur Verhaltensbiologie frei beweglicher Säugetiere. Die neuronale Optogenetik hat neue Erkenntnisse über neuronale Schaltkreise gebracht und detaillierte Einblicke in Nervensystem und Gehirn ermöglicht.

Ein molekulares Beispiel sind genetisch veränderte Formen von Channelrhodopsin als lichtgesteuerte „Schalter“. Channelrhodopsine sind eigenständige, lichtgesteuerte Ionenkanäle und keine G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Das intrazelluläre C-terminale Ende von ChR2 kann verändert oder ersetzt werden, ohne die Kanal Funktion aufzuheben.

Solche Fusionsproteine lassen sich unter anderem durch virale Transfektion, Elektroporation oder eine Genkanone in erregbare Zellen wie Neuronen einbringen. Vitamin A, die Vorstufe des lichtabsorbierenden Chromophors Retinal, ist in Wirbeltierzellen meist vorhanden. Deshalb können ChR2-exprimierende erregbare Zellen durch Beleuchtung depolarisiert werden.

Blauempfindliches ChR2 und die durch Gelblicht aktivierbare Chloridpumpe Halorhodopsin erlauben es, neuronale Aktivität innerhalb von Millisekunden ein- und auszuschalten. Durch gezielte Mutationen lässt sich die Ionenselektivität von ChR2 von Kationen wie Natrium und Kalium auf Anionen wie Chlorid umstellen. Anionenleitende Channelrhodopsine werden eingesetzt, um neuronale Aktivität mit Licht zu unterdrücken.

Eine Geschichte, die vor der Alge begann

Die Grundlage legte die Entdeckung des bakteriellen Rhodopsins, des Bacteriorhodopsins, Anfang der 1970er-Jahre durch Dieter Oesterhelt. Dafür zeichnete ihn die Lasker Foundation 2021 aus. Der entscheidende Durchbruch kam später mit dem Nachweis, dass lichtgesteuerte Kanäle aus Algen in Zellen anderer Organismen eingebaut werden können.

Georg Nagel und Peter Hegemann veröffentlichten 2002 Arbeiten zu Channelrhodopsin-1, einem lichtgesteuerten Protonenkanal, und 2003 zu Channelrhodopsin-2 (ChR2), einem direkt lichtgesteuerten, kationenselektiven Ionenkanal. Ihre fluoreszenzmarkierten genetischen Werkzeuge stellten sie unter anderem den Arbeitsgruppen von Karl Deisseroth, Roger Tsien und Alexander Gottschalk zur Verfügung.

Als führende Entwickler der Optogenetik gelten Karl Deisseroth sowie seine ehemaligen Mitarbeiter Edward Boyden und Feng Zhang. Gero Miesenböck und Boris Zemelman werden mit Arbeiten aus den Jahren 2002 und 2003 als Wegbereiter der Optogenetik angesehen. Nature Methods wählte die Technologie zur „Methode des Jahres 2010“, die Pioniere der Optogenetik erhielten 2013 den Brain Prize.

Botond Roska bekam 2020 den Körber-Preis für seine Optogenetik-F