Nobelpreis: So profitiert die Pflanzenforschung von der Optogenetik

Der Nobelpreis für Medizin 2026 geht an Georg Nagel (Universität Würzburg, Bild 1) und seine Kollegen Karl Deisseroth (Stanford University) und Peter Hegemann (Humboldt-Universität Berlin). Ausgezeichnet werden damit ihre Entdeckungen von lichtgesteuerten Ionenkanalproteinen und der daraus resultierenden Begründung der Optogenetik (Pressemitteilung der JMU vom 5. Oktober 2026).

Bereits während seiner Zeit als Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main entdeckte und beschrieb Georg Nagel zusammen mit Peter Hegemann Ionenkanäle aus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, die sich als direkt durch Blaulicht gesteuerte Kationenkanäle erwiesen. Die Kanäle bestehen aus einem Lichtsensor (Rhodopsin) und einem Ionenkanal, befinden sich in der Zellmembran und wurden auf den Namen Channelrhodopsine getauft. Diese Proteine bestimmten seither die Forschungsanstrengungen von Georg Nagel.

Biophysik als Schlüssel zum Verständnis lichtgesteuerter Kanäle

Mit Hilfe der Biophysik schlug Georg Nagel die Brücke zwischen der Komplexität des Lebens und der Einfachheit und Allgemeingültigkeit physikalischer Gesetze. So konnte er maßgeblich zum Verständnis des Transportzyklus und des Steuerungsmechanismus lichtgesteuerter Transportproteine beitragen.

Dazu brachte er die Ionenkanäle aus der Alge in die Zellmembran von Eizellen des südafrikanischen Krallenfroschs ein und beschrieb erstmals ihre biophysikalischen Eigenschaften mit elektrophysiologischen Techniken. Nagel konnte zeigen, dass die Grünalgen-Channelrhodopsine sehr empfindlich auf Blaulichtreize reagieren und sehr schnell schalten. Zudem erwiesen sie sich als hauptsächlich durchlässig für Protonen und weniger durchlässig für Kationen wie Natrium, Kalium oder Kalzium, die für den Aufbau der Membranspannung, zur Osmoregulation oder als Signalmolekül wirken.

Georg Nagel und seine Mitstreiter erkannten schnell das Anwendungspotenzial der Channelrhodpsine. So wurden sie zu den Gründungsvätern einer neuen Forschungsrichtung – der Optogenetik. Der Charme dieser Technik liegt in der berührungslosen Steuerung elektrischer Reize, die punktgenau und mit variierbarer Frequenz und Amplitude eingesetzt werden können.

Etablierung und Optimierung für den Einsatz in der Optogenetik

Mit seiner Berufung zum Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie am Lehrstuhl für Botanik I am Julius-von-Sachs-Institut des Biozentrums der Universität Würzburg im Jahr 2004 fokussierte sich Professor Nagel darauf, die lichtgesteuerten Kanäle für den Einsatz als optogenetische Werkzeuge zu optimieren.

Er und seine Mitforschenden konnten durch gezielte Mutationen Stellschrauben in den Channelrhodopsinen identifizieren, um deren Expression in tierischen und pflanzlichen Zellen anzuheben sowie die Verweildauer der Kanalpore im Offenzustand und die Selektivität für einzelne Kationen zu erhöhen. Seine akribischen Arbeiten und seine Beharrlichkeit erweiterten zudem das Repertoire an lichtgesteuerten Ionenkanälen.

Auf Basis dieser optimierten optogenetischen Werkzeuge können heute in unterschiedlichsten Nervenzellen elektrische Reize durch Licht ausgelöst oder unterbunden werden. Dank der Arbeiten der drei Nobelpreisträger werden diese optogenetischen Methoden mittlerweile in Laboren auf der ganzen Welt zur Untersuchung von Nervenfunktionen im Zusammenhang mit Erinnerungen, Gefühlen und Verhaltensweisen, aber auch zur Erforschung von Nervenkrankheiten genutzt.

Die molekulare Pflanzenforschung profitiert von den optogenetischen Werkzeugen

Obwohl die ersten Channelrhodopsine aus einfachen Grünalgen stammen, sucht man in den Genomen der Blütenpflanzen bislang vergeblich nach ihnen. Obwohl Pflanzen keine Nervenzellen und kein zentrales Nervensystem besitzen, kommunizieren sie mit Hilfe elektrischer Signale, sowohl zwischen einzelnen Zellen als auch zwischen entfernt voneinander liegenden Geweben.

Auf diese Weise übermitteln Pflanzen Informationen, wie etwa über Verletzungen durch Fressfeinde oder einen örtlichen Befall mit Krankheitserregern, in weiter entfernt liegende Teile ihres Körpers. Man geht davon aus, dass für diesen Langstreckentransport von Information die Leitgewebe der Pflanze eine entscheidende Rolle spielen. Jedoch stecken die Untersuchungen solcher Signalwege noch weitgehend in den Kinderschuhen.

Hier spielen die von Georg Nagel entwickelten lichtgesteuerten Ionenkanäle als optogenetische Werkzeuge eine zunehmend bedeutende Rolle. Auch in der Pflanze können mit der Hilfe dieser lichtgesteuerten Kanäle präzise elektrische Signale ausgelöst werden, um berührungslos die physiologische Konsequenz einer elektrischen Reizung zu studieren.

Aber wie kann eine Pflanze zwischen unterschiedlichen Reizen wie der mechanischen Verwundung und dem Befall mit Krankheitserreger unterscheiden? Hier ist die Modulierbarkeit der Frequenz und Amplitude dieser künstlich durch Licht gesetzten elektrischen Signale von unschätzbarem Wert: So kann zum einen das Schwellenpotential ermitteln werden oder die Spezifität physiologischer Antworten der Pflanze als Antwort auf unterschiedliche Signalmuster hin untersucht werden.

Kalziumsignale auf Knopfdruck

Georg Nagel hat am Würzburger Julius-von-Sachs-Institut seine optogenetischen Werkzeuge in vielerlei Hinsicht und für unterschiedliche Fragestellungen optimiert. So hat er zum Beispiel die Durchlässigkeit von Channelrhodopsin2 für Kalzium-Ionen so weit erhöht, dass dieses optogenetische Werkzeug als lichtgesteuerter Kalzium-Ionenkanal fungiert.

Diese Eigenschaft ist für die Pflanzenforschung von herausragendem Interesse, da Kalzium als sekundärer Botenstoff fungiert und viele Stressreaktionen der pflanzlichen Zelle durch Kalziumerhöhungen vermittelt werden. Pflanzenzellen können Kalziumsignale „lesen“ und in eine Stress-spezifische physiologische Antwort ummünzen. Mit dem kalziumdurchlässigen Channelrhodopsin lassen sich die Frequenz und die Stärke des Kalziumsignals modulieren und die Auswirkungen dieser Veränderungen nicht-invasiv untersuchen.

Die Forschenden am Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, Botanik I, am Julius-von-Sachs-Institut sind sich sicher, dass sowohl das berührungslose und punktgenaue Setzen von elektrischen Signalen als auch das Auslösen von definierten Kalziumsignalen ein Schlüssel für das tiefere Verständnis komplexer molekularer Signalprozesse in Pflanzen ist.

Erste Studien und Publikationen bezeugen das zukunftsweisende Potential der optogenetischen Schalter des Nobelpreisträgers Georg Nagel. Zu seinem herausragenden Erfolg und mit Stolz auf seine Leistungen gratuliert ihm das Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften ganz herzlich.

Kontakt

Dietmar Geiger
Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften
Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik (Botanik I)
Julius-von-Sachs Platz 2, 97082 Würzburg
E-Mail: dietmar.geiger@uni-wuerzburg.de