Dall’alga al cervello: il Nobel 2026 per la medicina premia l’optogenetica

Il Nobel per la fisiologia o la medicina 2026 è stato assegnato a Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel per le scoperte sui canali ionici attivati dalla luce e per lo sviluppo dell’optogenetica. Dietro questa formulazione piuttosto tecnica c’è una storia che comincia da un problema elementare della biologia: capire come un organismo unicellulare riesca a percepire la luce e a modificare quasi immediatamente il proprio comportamento.

Peter Hegemann studiava Chlamydomonas, una piccola alga verde dotata di due flagelli, capace di orientare il proprio movimento in funzione dell’illuminazione. La rapidità della risposta suggeriva che la percezione della luce fosse collegata direttamente a una variazione elettrica della membrana cellulare. Il lavoro condotto con Georg Nagel portò all’identificazione delle canalrodopsine, proteine che possiedono proprio questa proprietà. Quando assorbono luce, cambiano conformazione e aprono un canale attraverso la membrana; attraverso quel canale passano ioni, cioè particelle dotate di carica elettrica, e il movimento degli ioni modifica il potenziale elettrico della cellula.

Per capire perché questa scoperta abbia avuto conseguenze tanto grandi bisogna ricordare come funziona un neurone. L’attività nervosa dipende da variazioni del potenziale elettrico della membrana. Quando la depolarizzazione supera una certa soglia, il neurone genera un potenziale d’azione, l’impulso elettrico con cui trasmette informazioni ad altre cellule. Una proteina capace di aprire un canale ionico in risposta alla luce poteva quindi diventare un sistema per controllare dall’esterno l’attività elettrica di un neurone.

Nel 2005 Edward Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel e Karl Deisseroth mostrarono che il gene della canalrodopsina-2 poteva essere introdotto nei neuroni di mammifero e che brevi impulsi di luce blu erano sufficienti a produrre potenziali d’azione con una precisione temporale dell’ordine dei millisecondi. Da quel passaggio nacque l’optogenetica. La parte genetica del metodo consente di fare esprimere la proteina fotosensibile soltanto in determinati tipi cellulari; la luce permette poi di controllarne l’attività nel momento scelto dallo sperimentatore. Lo sviluppo di proteine diverse ha successivamente reso possibile anche la riduzione dell’attività neuronale e l’uso di differenti lunghezze d’onda.

Il risultato ha cambiato il genere di esperimenti che si possono fare sul cervello. Per molto tempo le neuroscienze hanno studiato l’associazione tra l’attività di determinate regioni cerebrali e un comportamento, oppure hanno utilizzato la stimolazione elettrica. Entrambe le strategie hanno prodotto una parte decisiva delle nostre conoscenze, però lasciano aperto un problema di causalità. Se un gruppo di neuroni si attiva mentre un animale prova paura, quella correlazione da sola non dimostra che siano proprio quelle cellule a produrre la risposta. La stimolazione elettrica, a sua volta, coinvolge popolazioni cellulari differenti e fibre che attraversano la stessa regione, rendendo difficile stabilire quale elemento del circuito sia responsabile dell’effetto osservato.

Con l’optogenetica si può selezionare geneticamente una particolare popolazione di neuroni, attivarla durante il comportamento e misurare ciò che accade. Lo stesso gruppo di cellule può essere silenziato e si può verificare se una funzione scompare. La domanda sperimentale acquista così una forma molto più rigorosa: l’attività di quelle cellule è sufficiente a produrre un certo comportamento? La loro attività è necessaria perché quel comportamento abbia luogo?

Uno degli esempi più noti riguarda la memoria. Nel 2012 il gruppo di Susumu Tonegawa riuscì a marcare con una proteina fotosensibile alcuni neuroni dell’ippocampo che si erano attivati durante la formazione di una memoria associata alla paura. Gli stessi neuroni furono poi riattivati mediante la luce mentre il topo si trovava in un ambiente differente. L’animale manifestò la risposta comportamentale associata al ricordo. Il problema dell’engramma, cioè della traccia fisica lasciata nel cervello da una memoria, veniva affrontato attraverso la manipolazione diretta delle cellule coinvolte: una parte della popolazione neuronale attiva durante la formazione del ricordo poteva essere riaccesa artificialmente e la sua riattivazione produceva una componente della risposta appresa.

Esperimenti dello stesso tipo hanno permesso di analizzare circuiti coinvolti nella ricompensa, nella paura, nel sonno, nei movimenti, nelle risposte sensoriali e in numerose altre funzioni. L’importanza dell’optogenetica deriva dalla possibilità di collegare l’attività di cellule identificate a conseguenze osservabili usando tempi compatibili con quelli della comunicazione neuronale. Una variazione che dura pochi millisecondi può avere effetti diversi dalla stimolazione prolungata di una regione cerebrale, e il controllo temporale diventa quindi parte essenziale dell’esperimento.

Sono arrivate anche applicazioni terapeutiche. Nel 2021 è stato descritto il recupero parziale di una funzione visiva in un paziente affetto da retinite pigmentosa, ottenuto facendo esprimere una proteina fotosensibile nelle cellule gangliari della retina e fornendo poi stimoli luminosi adatti attraverso speciali occhiali. È un risultato importante, ancora lontano dall’impiego clinico generalizzato dell’optogenetica nelle malattie neurologiche. Il premio del 2026 riconosce soprattutto ciò che questa tecnologia ha già prodotto come metodo di conoscenza.

Proprio per questo il Nobel di quest’anno permette di porre una domanda che riguarda anche altri premi recenti. Guardando alla storia della medicina e della biologia, si ha talvolta l’impressione che le grandi rivoluzioni concettuali siano diventate più rare e che il riconoscimento vada sempre più spesso a tecnologie capaci di produrre risultati straordinari. Il paragone viene spontaneo pensando a scoperte che hanno modificato la nostra rappresentazione dei fenomeni biologici, dalla struttura del DNA al codice genetico, dalla regolazione genica ai prioni. Erano scoperte che obbligavano a cambiare una parte importante della teoria con cui si descriveva la vita.

La storia del Nobel, però, mostra che la distinzione tra conoscenza fondamentale e applicazione è sempre stata meno netta di quanto sembri. La tomografia computerizzata, la risonanza magnetica e la fecondazione in vitro hanno ricevuto il premio per aver introdotto capacità tecniche nuove. Nello stesso periodo, e anche negli ultimi venticinque anni, il Nobel ha continuato a premiare scoperte riguardanti il funzionamento delle cellule, lo sviluppo, l’immunologia, la genetica e il sistema nervoso. Nel 2012 il premio alla riprogrammazione cellulare riconobbe la scoperta che una cellula adulta può essere riportata a uno stato pluripotente; nel 2019 vennero premiati i meccanismi con cui le cellule percepiscono la disponibilità di ossigeno; nel 2024 la scoperta dei microRNA e del loro ruolo nella regolazione dell’espressione genica. Anche quando una scoperta produce rapidamente applicazioni, il suo significato scientifico può precederle e superarle.

L’optogenetica rende particolarmente chiaro un altro fenomeno. Una rivoluzione scientifica può derivare da una nuova teoria, e può derivare anche dalla comparsa di uno strumento che rende possibile un esperimento prima irrealizzabile. Il microscopio cambiò la biologia perché rese visibile un mondo cellulare; il sequenziamento del DNA trasformò la genetica perché consentì di leggere direttamente l’informazione contenuta nei genomi; l’optogenetica consente di intervenire sull’attività di cellule scelte mentre un circuito nervoso funziona e mentre un animale si comporta.

Quando cambia il tipo di esperimento che possiamo eseguire, cambia anche la qualità delle risposte che possiamo ottenere. La distinzione tra scoperta concettuale e innovazione tecnica diventa allora insufficiente. Hegemann e Nagel hanno chiarito il funzionamento di proteine fotosensibili presenti in microorganismi; Deisseroth e altri ricercatori hanno trasformato quelle proteine in strumenti per interrogare il sistema nervoso. Da quel momento è diventato possibile stabilire rapporti causali che in precedenza potevano essere soltanto inferiti attraverso osservazioni indirette.

Se esiste una trasformazione riconoscibile nei Nobel recenti, riguarda quindi il modo in cui le rivoluzioni scientifiche si producono. Una parte crescente della biologia contemporanea avanza costruendo strumenti che estendono la capacità di osservare e manipolare i sistemi viventi, mentre le nuove conoscenze emergono dall’impiego di quegli strumenti. In questi casi l’invenzione tecnica entra direttamente nella struttura della scoperta scientifica.

Il Nobel del 2026 appartiene a questa categoria. La sua origine è nello studio della risposta alla luce di un’alga unicellulare; il suo esito è la possibilità di controllare gruppi definiti di neuroni con la precisione temporale richiesta dal funzionamento del cervello. Le applicazioni mediche potranno diventare importanti e alcune hanno già cominciato a mostrarsi. Il risultato che giustifica oggi il premio riguarda soprattutto ciò che, grazie a quelle proteine, siamo diventati capaci di domandarci, per ottenere risposte sperimentali su come funziona il nostro sistema nervoso.