Hohe Auszeichnung für den Wissenschaftsstandort Berlin. Der Medizin-Nobelpreis geht in diesem Jahr an den Biophysiker Peter Hegemann von der Humboldt-Universität. Mit dem Professor wurden zwei weitere Wissenschaftler ausgezeichnet: der Würzburger Georg Nagel und Karl Deisseroth aus den USA. Das gab die Nobelversammlung am Karolinska-Institut in Stockholm am Montag bekannt.

Ausgezeichnet werden die drei für ihre Entdeckungen zu lichtgesteuerten Ionenkanälen und zur Optogenetik. Hegemann und Nagel entdeckten die Kanalrhodopsine, lichtempfindliche Eiweiße aus einer Grünalge. Deisseroth entwickelte eine Art lichtgesteuerten Schalter, indem er Kanalrhodopsine mithilfe eines Virus in Nervenzellen im Gehirn einschleuste.

So entstand die Optogenetik, eine Technik, mit der sich einzelne Nervenzellen gezielt per Lichtimpuls an- und ausschalten lassen. Die Methode könnte Perspektiven für Patienten eröffnen, die an neurologischen Erkrankungen leiden wie etwa Parkinson oder Epilepsie. Forschern hilft die Technologie, solche Erkrankungen besser zu verstehen und neue Therapieansätze zu entwickeln.

„Eine neue Ära der Neurowissenschaft“

Thomas Perlmann, Sekretär der Nobelversammlung, sagte, die drei hätten „eine neue Ära in der Neurowissenschaft“ eingeläutet. Er habe alle drei Preisträger, ungewöhnlicherweise, bereits vor der Bekanntgabe des Votums erreicht. Alle seien begeistert gewesen und hätten sich besonders gefreut, gemeinsam mit den anderen beiden geehrt zu werden. „Die Optogenetik bietet Möglichkeiten, das Gehirn auf eine Weise zu kartieren, von der wir früher nur träumen konnten“, sagte Per Svenningsson, der Vorsitzende des Nobelkomitees.

Berlins Wissenschaftssenatorin Ina Czyborra gratulierte Hegemann und den beiden anderen ausgezeichneten Wissenschaftlern. Berlin sei stolz auf seinen neuen Nobelpreisträger, so die SPD-Politikerin. Der Preis zeige, „welchen Wert ausdauernde Grundlagenforschung für die Medizin besitzt. Mit seiner forschungspolitischen Strategie will das Land Berlin gerade diesen Bereich der Gesundheitsforschung noch stärker fördern“.

Lichtabhängige elektrische Ströme der Alge

Der Ursprung der neuen Technik liegt in einem unscheinbaren Organismus: der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Hegemann und Nagel beschreiben in einem Übersichtsbeitrag in der Fachzeitschrift EMBO Molecular Medicine, dass die Alge sich mithilfe dieser Lichtrezeptoren auf das Licht zu oder von ihm weg bewegt.

Hegemann hatte über Jahre das Verhalten und die lichtabhängigen elektrischen Ströme der Alge untersucht. Nach Darstellung der amerikanischen National Academy of Sciences, der Hegemann angehört, kam er dabei zu der These, dass die Fotorezeptoren der Alge Rhodopsine sind, die Lichtsensor und Ionenkanal in einem einzigen Protein vereinen.

Der Beweis gelang in Zusammenarbeit mit Nagel. Wie die beiden Forscher in EMBO Molecular Medicine schildern, identifizierte Suneel Kateriya aus Hegemanns Arbeitsgruppe im Jahr 2001 neuartige DNA-Sequenzen der Alge, die für große Rhodopsine kodierten. Nagel schleuste diese Gene in Eizellen des Krallenfroschs ein, um ihre Funktion zu prüfen. Die Forscher tauften die Gene Kanalrhodopsin-1 und Kanalrhodopsin-2.

In den Jahren 2002 und 2003 konnten Hegemann, Nagel und Ernst Bamberg vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt nachweisen, dass die Algen-Rhodopsine tatsächlich Lichtrezeptor und Ionenkanal in sich vereinen. So berichtete es die Universität Würzburg anlässlich einer früheren Auszeichnung. Trifft Licht auf das Protein, öffnet sich ein Kanal in der Zellmembran, geladene Teilchen strömen ein, und die Zelle wird elektrisch erregt.

Werkzeug, um die Neurowissenschaften zu verändern

Damit war ein Werkzeug gefunden, das die Neurowissenschaften grundlegend verändern sollte. Auf Basis dieser Entdeckungen gelang es Karl Deisseroth und dem US-Forscher Ed Boyden, Nervenzellen mithilfe der Rhodopsine mit Licht und ohne Elektroden an- und auszuschalten. Nagel und Bamberg waren an der entsprechenden Veröffentlichung von 2005 als Koautoren beteiligt.

Seither lässt sich im Tiermodell untersuchen, welche Nervenzellen für bestimmte Verhaltensweisen, Erinnerungen oder Krankheitssymptome verantwortlich sind, mit einer bis dahin unerreichten zeitlichen und räumlichen Präzision. Hegemanns Gruppe hat das Prinzip inzwischen auch auf lichtaktivierte Enzyme ausgeweitet, die biochemische Signalwege in Zellen steuern.

Besseres Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen

Die Max-Planck-Gesellschaft verwies bereits 2021 darauf, dass die Arbeiten Wege zu einem besseren Verständnis neurodegenerativer und psychischer Erkrankungen eröffnet haben. Die bislang greifbarste Anwendung am Menschen betrifft das Auge. Bei Patienten mit erblicher Netzhautdegeneration wird erprobt, ob lichtempfindliche Kanalproteine in verbliebene Netzhautzellen eingebracht werden können, um einen Teil des Sehvermögens zurückzugewinnen.

Dass wissenschaftlicher Erfolg stets mit dem Risiko von Rückschlägen verbunden ist, erklärte Hegemann von einigen Jahren in einem Podcast der HU. „Man scheitert immer. Ich würde mal sagen, das tägliche Brot ist das Scheitern“, so der Professor. „Wir machen mal wieder neue Experimente in neue Richtungen. Die meisten Experimente gehen schief und wenn man das nicht verträgt, dann wird das auch in der Forschung nichts.“

Wissenschaft sei eine Kombination aus Zufall und genauem Hinschauen. „Und dann auch Kapieren, dass man etwas Interessantes auf der Hand hat.“

Peter Hegemann wurde 1954 in Münster geboren. Er promovierte am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried über das Lichtpumpenprotein Halorhodopsin, wurde 1993 Professor für Biochemie in Regensburg und wechselte 2005 als Professor für Biophysik an die Humboldt-Universität zu Berlin. Dort hat er zudem eine Hertie-Professur für Neurowissenschaften inne.

Georg Nagel, Jahrgang 1953, promovierte am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt und forscht an der Universität Würzburg zu mikrobiellen Fotorezeptoren und optogenetischen Werkzeugen.

Ganz überraschend kommt die Entscheidung vom Montag für die Fachwelt nicht. Hegemann und Nagel erhielten 2013 gemeinsam den Louis-Jeantet-Preis für Medizin. Hegemann wiederum wurde 2021 außerdem mit dem Lasker-Preis geehrt, der renommiertesten Auszeichnung für biomedizinische Forschung in den USA. Diesen teilte er nach Angaben der Max-Planck-Gesellschaft mit Dieter Oesterhelt und Karl Deisseroth.

Der Nobelpreis ist in diesem Jahr mit zwölf Millionen schwedischen Kronen dotiert, umgerechnet rund 1,06 Millionen Euro. Er geht zu gleichen Teilen an die drei Preisträger. Die Verleihung findet traditionell am 10. Dezember statt, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel.