Onlarca yıllık araştırmanın ardından bilim insanları, beyin ve omurilikteki özelleşmiş hücrelerin ne işe yaradığını kısmen de olsa ortaya koymayı başardı. Beynin gelişimini inceleyerek, farklı nöron popülasyonlarında hangi genlerin aktif olduğunu ve bu nöronların beyinde nerede bulunduğunu tespit ettiler. Bazı durumlarda bu genler, ilgili nöronları genetik olarak yok etmek için kullanılarak, hasarlı bölgelere sahip beyinler üzerinde yapılan çalışmalarla elde edilen bilgileri genişleterek, bu nöronların ne gibi işlevlere sahip olabileceği hakkında ipuçları elde edildi.
Ancak bu yaklaşımın da sınırları vardı. Beyin, bazı hücrelerin kaybına uyum sağlayabilecek kadar esnekti ve gelişimlerinin erken evrelerindeki kayıplar, normalde bağlantı kuracakları nöronların gelişimini etkileyebilirdi. Çok daha aydınlatıcı olanı ise, nöronları, bunun dışında tamamen sağlam bir beyinde aktifleştirmek ve devre dışı bırakmaktı.
Bu yıl Fizyoloji veya Tıp alanında Nobel Ödülü, tam da bunu yapma yeteneğimizi geliştiren üç ismi; Karl Deisseroth, Peter Hegemann ve Georg Nagel'ı onurlandırıyor. Işığa duyarlı tek hücreli algler üzerine yapılan çalışmalardan yola çıkan bu isimler ve daha birçok araştırmacı, günümüzde optogenetik olarak adlandırdığımız, ışığı kullanarak gen aktivitesiyle işaretlenmiş sinir hücrelerinin davranışını değiştirmeyi amaçlayan bir çalışma alanı inşa ettiler.
Alglerden İnsan Hücrelerine: Optogenetiğin Yolculuğu
Sinir uyarıları, zar üzerinde bulunan ve yüklü atomların geçişine izin veren iyon kanalları adı verilen proteinler tarafından üretilir. Sinir sistemi, yalnızca belirli koşullar altında aktif olan, örneğin bir nörotransmitteri algıladığında veya voltaj değişikliklerini hissettiğinde çalışan bir dizi iyon kanalını kullanır. Bu hassas kontrol seviyesi, özelleşmiş sinir hücrelerinin yalnızca belirli durumlarda uyarı göndermesini sağlayarak, beynin elektriksel gürültüden oluşan bir karmaşaya sürüklenmesini engeller.
Dolayısıyla, özelleşmiş sinir hücrelerinden herhangi birinin ne işe yaradığını anlamak istiyorsak, en kolay yol bu sistemi ele geçirmektir: Hücreyi, bizim istediğimiz zaman iyon bazlı uyarılar göndermeye zorlamak ve hayvanın davranışındaki değişiklikleri gözlemlemek.
Nobel Komitesi, bu fikrin o kadar belirgin olduğunu belirtiyor ki, insanlar optogenetiği geliştirmeden önce bunu başarmak için çeşitli yöntemler denemişlerdi. Ancak görünen o ki "en kolay yol" aynı zamanda "kolay" anlamına gelmiyordu ve bu yöntemlerin çoğu, birden fazla genin eklenmesi gerekliliği, sinir hücrelerine çok özel kimyasalların sağlanması veya hücrelere fiziksel zarar verecek kadar yoğun lazer kullanılması gibi nedenlerle yaygın olarak kullanılamadı.
Nihai çözüm, Chlamydomonas adlı tek hücreli bir algın içinde saklıydı. Bu canlının tek hücresi oldukça karmaşıktı; etrafta hareket etmesine yardımcı olan iki kamçısı ve yöneldiği ışığı algılayan bir göz lekesi bulunuyordu. İnsanlar, bu canlıyı temel biyolojik süreçler için bir model olarak uzun süredir inceliyordu.
İşte tam da bu noktada, Berlin Humboldt Üniversitesi'nde görevli Hegemann ve çalışma arkadaşları devreye girdi. Bir Chlamydomonas'a elektrot bağlamayı başardılar ve ona bir ışık flaşı tutulduğunda çok hızlı bir iyon akışı olduğunu gösterdiler, bu da ışığın bir iyon kanalını açtığını tetiklediğini düşündürüyordu. Diğer bilim insanları Chlamydomonas tarafından üretilen haberci RNA'ları taramaya başladıkça, Hegemann, arkeler türünde bulunan ışığa duyarlı bir iyon pompasına benzeyen birkaç gen fark etti.
Bunların Chlamydomonas'taki iyon akışlarından sorumlu olabileceğinden şüphelenen Hegemann, RNA interferansı kullanarak aktivitelerini engelledi. Bu, ışığa yanıt olarak iyon akışını kısıtladı ve bu genlerin organizmanın ışık algısında rol oynadığını açıkça ortaya koydu.
Bu aşamada Hegemann, iyon akışları konusunda uzman olan Würzburg Üniversitesi'nden Nagel ile kapsamlı bir işbirliğine başladı. İki genin birinin yalnızca protonları (bir nevi hidrojen iyonu) hücreye alırken, diğerinin geniş bir pozitif yüklü iyon yelpazesine izin verdiğini gösterdiler. Ayrıca, ışığın biraz farklı dalga boylarına da duyarlıydılar. Proteinler ayrıca, gözlerimizdeki reseptörler gibi ışığı algılamak için A Vitamini'nin kimyasal bir akrabasını kullanıyordu. Toplu olarak bu protein sınıfına artık "kanalerodopsinler" adı veriliyor.
Nagel, kanalerodopsinlerin kullanımını genişletmede önemli bir rol oynadı ve bu proteinleri kodlayan genlerin, gelişmekte olan kurbağa embriyolarından kültürlenmiş insan hücrelerine kadar her yerde çalışabileceğini gösterdi. Daha sonra, C. elegans adlı küçük bir solucanın nöronlarında aktif olduklarında, solucanları ışığa maruz bırakmanın davranışlarını değiştirebileceğini gösterdi.
Beyni Aydınlatmak: Optogenetiğin Devrimi
Stanford'daki Deisseroth ve çalışma arkadaşları, bunu geniş çapta kullanılabilir bir teknolojiye dönüştürmede kilit rol oynadılar. Kanalerodopsinlerin nöronlarda çalıştığını ve tetikledikleri iyon akışlarının sinir uyarıları olarak iletildiğini gösterdiler. Ayrıca, farklı dalga boylarındaki ışığa duyarlı olan daha fazla kanalerodopsin ailesi üyesi buldular. Hücreye negatif yüklü klorür iyonlarının girmesine izin veren bir versiyon da keşfedildi, bu da araştırmacıların sinir hücrelerini seçici olarak kapatmasına olanak tanıdı.
Aynı zamanda, Deisseroth ve ekibi, sorunun mühendislik tarafında çalışarak, hareket eden ve nispeten normal davranan hayvanların beyinlerinde sistemi çalıştırabilen kompakt ışık kaynakları ve küçük, esnek fiber optikler geliştirdiler.
Sonuç, farklı sinir hücresi popülasyonlarının ne yaptığını anlama yeteneğimizde bir devrimden başka bir şey olmadı. Eğer küçük bir nöron popülasyonunda bir genin aktif olduğunu biliyorsak, o zaman fare versiyonu geni kullanarak orada kanalerodopsini aktive edebilir ve ışığın sonuçta ortaya çıkan farelerin davranışını nasıl değiştirdiğini test etmeye başlayabiliriz.
Optogenetik üzerine kurulu çalışmaları bir düzine kez veya daha fazla kez aktardık. Nobel Komitesi, hafızanın nasıl depolandığını anlamaktan fareleri uykudan uyandıran sinyalleri çözmeye kadar her alanda kullanımını belirtiyor. Şaşırtıcı bir dizi deneyde, anne bakımının gerekli olduğu bilinen bir beyin bölgesini ele aldıklarını ve bu bölgenin, anneleri yavrularını aramaya teşvik etmek veya onlarla fiziksel etkileşimleri yönetmek gibi uzun bir işlev listesinden birini yerine getiren özelleşmiş hücreleri içerdiğini gösterdiklerini belirtiyorlar.
Kanalerodopsinler, çubuk ve koni hücrelerinin öldüğü bir görme bozukluğu türüne sahip bir hastada sınırlı ışık algısını geri yüklemek için bile kullanıldı.
Bu gelişmenin ne kadar önemli olduğunun en net işaretlerinden biri, optogenetiğin yaygın olarak benimsenmesi olmuştur. Onurlandırılan üç kişi, gelişimine önemli katkılarda bulunmuş olsa da, kullanımına nispeten küçük bir katkı sağlamışlardır. Bunun yerine, optogenetiğe dayanan çalışmalar büyük ölçüde, onun faydasını fark eden, onu geliştiren ve genişleten diğer kişiler tarafından yapılmıştır.
Ödül, ABD için de oldukça zamanında geldi; zira mevcut yönetim, temel araştırmalarda kesintileri destekliyor ve fonları yapay zeka ve kuantum bilişim gibi uygulamalı alanlardaki önceliklerine kaydırıyor. "Bu gölet yosununun fotosentez için yeterli ışık almasını sağlamak için nasıl hareket ettiği?" gibi temel bir bilimsel soruyu hayal etmek zor. Ve kesinlikle cevaplarının nihayetinde pratik uygulamalara sahip olacağı beklentisi olmadan sorulan türden bir soru.
Ancak bilimin hikayesi tekrar tekrar, görünüşte önemsiz araştırmaların tüm çalışma alanlarını nasıl devrimleştirdiğini ve nihayetinde insan sağlığı ve teknoloji üzerinde etkileri olduğunu göstermiştir. Nobel Ödülü Komitesi, net bir atılımı onurlandırarak, bize bu hikayeyi hatırlatma fırsatı vermiştir.
