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瑞典华人学者解读2026诺奖:未来可从“细胞开关”走向“智能细胞”

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图源:诺奖官网

撰文|吴耀文( 瑞典于默奥大学生物化学教授)

2026年诺贝尔生理学或医学奖,奖励了一束改变生命科学的“光”。

10月5日,诺贝尔生理学或医学奖揭晓。美国科学家卡尔·戴塞罗特(KarlDeisseroth)与德国科学家彼得·赫格曼(Peter Hegemann)、格奥尔格·纳格尔(Georg Nagel)共同获得这一奖项,以表彰他们“关于光门控离子通道和光遗传学的发现(for their discoveries concerning light-gated ion channels and optogenetics)”。诺贝尔奖评委会认为,光遗传学让科学家能够在活体大脑中研究神经细胞如何塑造记忆、情感和行为,为神经科学开辟了一个新时代。

那么,为什么“用光控制细胞”会成为诺贝尔奖级别的突破?



01 一束光,让“相关”变成“因果”

过去几十年,神经科学家已经能够观察到:当动物运动、学习、产生恐惧,或者形成一段记忆时,大脑中的某些神经元会变得活跃。

但这里有一个非常重要的科学问题:这些神经元的活动,是行为发生的原因,还是只是伴随行为发生的结果?

这正是传统技术难以回答的问题。电刺激可以激活神经元,但电极附近往往有大量不同类型的细胞和神经纤维同时受到影响;药物可以作用于特定分子,却通常扩散到较大的范围,而且反应速度相对缓慢。换句话说,科学家可以“扰动”大脑,却很难做到只在特定的细胞、特定的时间进行干预。

光遗传学改变了这一点。

科学家把编码光敏蛋白的基因导入特定类型的细胞,使这些细胞获得“感光”能力。随后,只需要一个精确控制的光脉冲,就可以在毫秒尺度上激活或抑制这些细胞。

于是,一系列过去难以回答的问题变得可以直接实验:究竟是哪一群神经元导致了某种行为?哪条神经环路参与了记忆形成?如果只在几百毫秒内打开或关闭一群神经元,会发生什么?

也就是说,光遗传学帮助神经科学从“看到某个现象与某组神经元相关”,进一步走向“直接操纵这些神经元,检验它们是否产生了这个现象”。诺贝尔奖官网将其概括为:这项技术使科学家能够研究神经细胞如何塑造活体动物的记忆、情感和行为。

这也是为什么,光遗传学的重要性远远超出了“给神经元装上一个开关”。

它改变的是科学家研究生命的方式:从观察,走向精确操控;从相关性,走向因果性。

但光遗传学并不是终点,光遗传学的成功又提出了一个新的问题。

经典光遗传学所依赖的核心元件,大多来自天然的光敏蛋白,例如视紫红质(rhodopsin)、LOV蛋白和隐花色素(cryptochrome)。这些天然蛋白非常强大,但也有一个先天限制:它们是生物进化出来的,而不是按照人们的需求设计出来的。

科学家当然可以对它们进行改造,但想同时改变它们的光谱、开关性质、相互作用能力、动态范围等特征,往往需要复杂的蛋白质工程,而且结果并不总是容易预测。更重要的是,这些天然模块的模块化程度有限。当我们希望把光控制技术用于完全不同的生物过程时,并不能总是像搭积木一样可以自由组合。

而现代细胞生物学真正需要控制的,往往也不只是“细胞开”还是“细胞关”。

细胞内部,每时每刻都在发生大量分子层面的事件:蛋白质彼此结合、分离,进入不同的细胞器,聚集成复合物,启动信号通路,改变细胞器的位置,甚至决定一个蛋白质是稳定存在还是被降解。

因此,一个更深层的问题是:我们能不能直接控制细胞内部某两个蛋白质什么时候见面、在哪里见面,以及见面多久?

于是,我们提出了化学光遗传学(chemo-optogenetics)来解决这些问题。

02 化学光遗传学:把“分子胶”变成光控开关

在这一方向上,我们实验室做了一些早期的工作。

化学光遗传学并不完全依赖天然光敏蛋白,而是把光响应的合成小分子与化学诱导蛋白二聚化技术结合起来。其核心是一类可以形象地称为“分子胶”的化合物。

可以把它想象成一个微型分子开关:一种光照状态下,它把两个蛋白质“粘”在一起;改变光照后,它们又可以分开。

这样,科学家获得的就不只是一个控制细胞整体活动的工具,而是一个可以直接调节蛋白质邻近和蛋白质相互作用的化学开关。

2018年,我们报道了第一代化学光遗传学系统:可调控、可逆的光控化学诱导二聚化系统,展示了利用光在活细胞中快速控制蛋白质相互作用、蛋白质定位以及细胞器定位的可能性。[1、2]

2025年,我们进一步发展了一代化学光遗传学系统:模块化的光响应分子胶(photoswitchablemolecular glues),使蛋白质功能可以进行多轮、可逆的光控开关,并可用于调节蛋白质定位、功能、丰度以及细胞器的位置。我们还发展了可见光响应的分子胶,使蓝光、绿光乃至红光可以参与可逆的蛋白质控制。[3、4、5]

这意味着,光不再只是一个“刺激细胞”的信号,也可以成为一个重新组织细胞内部网络的工具。

03 两种技术,究竟有什么不同?

光遗传学和化学光遗传学都利用光来控制生命系统,因此二者并不是简单的“老技术”和“新技术”。

它们更根本的区别,在于控制系统的架构不同。

经典光遗传学主要依赖天然的光敏蛋白,把光信号直接转换为细胞活动或蛋白质状态的变化;化学光遗传学则利用合成的光响应分子,把光信号转换成蛋白质之间的接近、结合与分离。

前者让我们能够精确地操控特定细胞;后者进一步提供了一种更加化学化、模块化的方式,让我们能够重新配置细胞内部的分子关系。

从这个意义上说,化学光遗传学并不是简单地给光遗传学换一个元件,而是在尝试建立一种更加通用的细胞分子编程语言。

04 下一步:从理解细胞,到编程细胞

这项技术的意义最终并不只在于研究细胞。

我们目前正在探索的一个重要方向,是利用化学光遗传学编程免疫细胞,让细胞治疗变得更加精确。

以CAR-T细胞为例。这是一种经过基因工程改造的免疫细胞,能够识别并攻击癌细胞,已经成为血液肿瘤治疗的重要突破。但CAR-T仍面临一些挑战:有些患者治疗反应不足,而过强或失控的免疫激活又可能带来严重副作用。

因此,一个重要的未来方向,是让CAR-T细胞不仅会攻击癌细胞,还能够根据外界指令决定什么时候启动,在哪里启动,启动多长时间,以及何时停止。

我们的研究团队正在与临床细胞治疗专家合作,探索利用化学光遗传学对CAR-T细胞进行时空调控的可能性。其目标并不是简单地让免疫细胞变得更强,而是让它们变得更加可控、更安全,也更加有效。

另一个方向,则是“编程”微生物。

今天,微生物已经被广泛用于生产药物、化学品和其他有价值的物质。它们可以被看作天然的“生物工厂”。但一个活细胞不只是生产机器,它还要生长、维持自身生存,并在不同代谢途径之间分配有限的能量和资源。

如果能够利用可编程的分子开关动态调节这些过程,我们就可以进一步探索:什么时候改变微生物的代谢方向?

这样的控制有望提高微生物细胞工厂的效率和可调节性。

05 从“细胞开关”走向“智能细胞”

从20年前第一批光遗传学实验,到今天的化学光遗传学,人们对“光能做什么”的理解正在发生变化。

最初,光让我们能够打开或关闭神经元;后来,光可以控制蛋白质的位置;现在,研究者开始尝试利用光控制细胞内部复杂的分子网络,并最终让经过工程化的细胞按照预先设计的规则执行任务。

这意味着,我们正在从“控制细胞”,走向“编程细胞”。

可以设想未来的细胞不仅能够被动地响应外界刺激,还能够根据人工设计的分子逻辑,感知环境、处理信息,并在正确的时间和位置执行特定任务。

对于医学而言,这可能意味着更加安全、更加精确的细胞治疗;对于生物制造而言,则可能意味着更加高效、可动态调节的“智能生物工厂”。

2026年的诺贝尔生理学或医学奖,表彰的是光遗传学帮助科学家揭示大脑中神经细胞与记忆、情感和行为之间的因果关系。

而未来,我们希望把这束光带到更广阔的生命世界中——从控制神经元,到控制蛋白质相互作用,再到编程免疫细胞和微生物,让活细胞真正成为可以被精确设计和操控的“智能系统”。

作者简介:



吴耀文,瑞典于默奥大学生物化学教授。2010年任德国马普分子生理研究所Otto-Hahn研究组长,2012年任马普化学基因组学中心实验室主任,2020年任于默奥微生物研究中心主任。2019年被瑞典皇家科学院授予古斯塔夫森分子生物学奖。

参考文献:

  • [1]Chen X, Wu YW. (2018) Tunable and photoswitchable chemically induced dimerization for chemo-optogenetic control of protein and organelle positioning.AngewChemIntEd.57(23): 6796-6799.https://doi.org/10.1002/anie.201800140
  • [2]Klewer L, Wu YW. (2019) Light-Induced Dimerization Approaches to Control Cellular Processes.Chem Eur J. 25(54):12452-12463.https://doi.org/10.1002/chem.201900562
  • [3] Zhang J, Herzog LK,… Wu YW. (2025) Modular Photoswitchable Molecular Glues for Chemo-Optogenetic Control of Protein Function in Living Cells.Angew Chem Int Ed. e202416456.https://doi.org/10.1002/anie.202416456
  • [4] Zhang J, Herzog LK, …Wu YW. (2025) Visible-Light-Switchable Molecular Glues for Reversible Control of Protein Function.Chem Eur J. 31(15): e202403808.https://doi.org/10.1002/chem.202403808
  • [5] Herzog LK, Zhang J, Wu YW. (2026) Flipping the Switch: Next-Generation Chemo-Optogenetics for Reversible Control of Biological Systems. ChemPhotoChem 10 (3): e202500267.https://doi.org/10.1002/cptc.202500267

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