O Prémio Nobel da Medicina 2026 foi atribuído a Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel pela optogenética: uma técnica que permite ligar e desligar neurónios específicos com luz, em milissegundos. Os galardoados são dois alemães da Universidade Humboldt de Berlim e de Würzburg, respetivamente, – Peter Hegemann e Georg Nagel – e um americano da Universidade de Stanford – Karl Deisseroth. Hegemann é professor de neurociência, Nagel é professor de fisiologia molecular de plantas e Deisseroth é professor de bioengenharia e de psiquiatria.
A optogenética, distinguida este ano, já é uma ferramenta essencial para estudar o cérebro e abre caminho a novas formas de tratar doenças como o Parkinson, onde o INESC TEC tem já um trabalho de investigação de longa data com instituições nacionais e internacionais. Mas não só em bioengenharia tem o INESC TEC um excelente track record científico, também na fotónica, em geral, e nas fibras óticas, em particular, isso se verifica.
“A descoberta que este ano recebeu o Nobel da Medicina deste ano, a optogenética, foi o resultado de uma sucessão de passos e de contributos de vários grupos de cientistas. Hoje, as grandes descobertas raramente saem de um cientista isolado no seu laboratório. Resultam de iterações sucessivas sobre o trabalho de outros, que em certos casos conduzem a avanços extraordinários e que não seriam possíveis sem estarmos, como se diz em ciência, “on the shoulders of giants.”, explica João Paulo Cunha, investigador do INESC TEC onde coordena a área de bioengenharia.
No século XX os investigadores já sabiam que zonas do cérebro afetavam que funções, mas os métodos não permitiam provar relações de causa e efeito. O comité do Nobel comparou a imagem do cérebro a um mapa esboçado, cheio de pontos de interrogação. Mas, vamos à cronologia dos factos?
Tudo começou com uma alga
A curiosidade começa nos anos 90, as descobertas no início dos anos 2000. Primeiro Hegemann quis perceber porque é que a alga Chlamydomonas nadava em direção à luz. Depois juntou-se Nagel, com quem descobriu uma proteína na superfície das células, a canalrodopsina. Os dois perceberam que, com luz azul, abre-se um canal, entram iões positivos e gera-se uma corrente elétrica. O mais surpreendente? Descobriram que, em qualquer célula onde a proteína fosse colocada, a membrana tornava-se sensível à luz.
“Nos anos 1990, no Instituto Max Planck de Bioquímica, nos subúrbios de Munique, a curiosidade de Peter Hegemann levou-o a tentar perceber porque é que a alga Chlamydomonas, uma micro-alga verde unicelular microscópica, nada ativamente em direção à luz solar para realizar a fotossíntese (um processo conhecido como fototaxia). Na viragem do século, a sua colaboração com Georg Nagel, que estudava canais iónicos no Instituto Max Planck de Biofísica, em Frankfurt, levou à identificação das canalrodopsinas, proteínas que funcionam como canais iónicos na membrana e que se abrem quando iluminadas com luz de um dado comprimento de onda (azul, no caso da canalrodopsina-2). A abertura deixa passar iões positivos, sobretudo protões e sódio, e gera uma corrente elétrica que altera o movimento dos flagelos da alga, as suas “braçadas”, direcionando-a para a luz”, conta João Paulo Cunha.
“Já nessa altura ficou claro para estes cientistas que estávamos perante um enorme potencial futuro”, continua o investigador do INESC TEC, que é também docente da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
Da alga passaram para o neurónio
É aqui que entra Karl Deisseroth, que levou esta ideia para o cérebro, introduzindo o gene da proteína em neurónios para que disparassem quando iluminados. Publicou o trabalho em 2005 e, dois anos depois, testou o princípio em ratos. Em 2026 há já outras proteínas a responderem a outras cores – umas a silenciar neurónios, outras a reagirem à luz vermelha.
“Esse potencial foi então explorado no laboratório do terceiro laureado, Karl Deisseroth, na Universidade de Stanford transportando este potencial para as células nervosas. Um neurónio dispara quando canais iónicos se abrem e deixam entrar iões positivos, o que despolariza a membrana e dá origem a um potencial de ação, transmitido pelas sinapses a muitos outros neurónios, formando circuitos neuronais. A ideia foi introduzir o gene da canalrodopsina nos neurónios, para que passassem a disparar quando iluminados. O artigo fundador é de 2005, na Nature Neuroscience, e mostrou que a canalrodopsina-2, inserida em neurónios de mamífero em cultura, permitia controlar os potenciais de ação com precisão de milissegundos. Dois anos depois, o mesmo laboratório e outros colaboradores demonstraram o princípio em ratinhos vivos. Passou a ser possível ativar ou silenciar neurónios de circuitos específicos num animal em comportamento, e testar modelos de doença e terapias”, esclarece João Paulo Cunha.
E as outras cores que falávamos acima? “A canalrodopsina ativa os neurónios com luz azul, mas existem outras opsinas com propriedades complementares. Algumas inibem a atividade neuronal, como a halorrodopsina (luz amarela), e outras respondem a luz vermelha, que penetra melhor no tecido. Há ainda variantes mais rápidas, mais sensíveis ou seletivas para outros iões. Em conjunto, permitem controlar vários tipos de neurónios com luz de cores diferentes.”, explica o investigador.
Do neurónio passa para a medicina
Em contexto clínico, o método está a ser usado em tentativas de restaurar a visão de pessoas com deficiência visual. Porém, existem uma série de outras possíveis aplicações. Hoje, para tratar doentes de Parkinson, epilepsia ou outras doenças que não respondem aos medicamentos, usam-se elétrodos implantados no cérebro, ligados a uma bateria. Chama-se a isto estimulação cerebral profunda. Mas a corrente elétrica não escolhe: afeta todos os neurónios à volta do elétrodo, que tem cerca de um milímetro, enquanto um neurónio mede dezenas de micrómetros.
E porque é que esta descoberta é tão relevante?
“Até hoje, para modular a atividade neuronal usamos a corrente elétrica através de elétrodos implantados em zonas específicas do cérebro que sabemos serem alvos terapêuticos, ligados a uma bateria implantada, como num pacemaker cardíaco. O exemplo mais estudado, e aquele em que trabalhamos em parceria com o Hospital Universitário de Munique e o Hospital de São João, é a estimulação cerebral profunda (deep brain stimulation, DBS). Usamo-la em doentes de Parkinson, de epilepsia e de outras doenças neurológicas e psiquiátricas que não respondem à medicação convencional. O nosso contributo tem sido ajudar a posicionar melhor os elétrodos nos alvos, que na doença de Parkinson são o núcleo subtalâmico (STN), uma estrutura minúscula no centro do cérebro (com cerca de 0.2 cm3), e a otimizar os parâmetros de estimulação, como a amplitude e a frequência da corrente elétrica”, explica João Paulo Cunha.
Mas, como referido acima, esta abordagem tem limitações. “A estimulação elétrica não é seletiva, porque afeta todos os neurónios (e fibras) na vizinhança do elétrodo. Os elétrodos têm cerca de um milímetro de diâmetro, enquanto um neurónio mede dezenas de micrómetros. E são necessários circuitos eletrónicos e cabos para levar a corrente até ao alvo”, conta o investigador.
É aqui que entra a optogenética, que permite usar luz em vez de corrente. Só os neurónios modificados respondem, e as fibras óticas podem ter a espessura de um cabelo.
“A optogenética abre a porta a usar luz em vez de corrente. Os estudos em animais mostram que isso pode permitir dispositivos mais pequenos, com fibras óticas da espessura de um cabelo humano. Mais importante, permite escolher quais os neurónios que respondem, porque só os geneticamente modificados ficam sensíveis à luz, deixando os restantes intactos. A neuromodulação torna-se assim muito mais fina e específica, e pode revelar alvos terapêuticos que hoje não conseguimos identificar por serem demasiado pequenos ou específicos para as técnicas atuais”, refere o investigador do INESC TEC.
Mas como é que se leva a luz até ao cérebro?
A optogenética só funciona se a luz chegar, com precisão, ao sítio certo, e é aí que entra a fotónica. Duas tecnologias desenvolvidas para outros fins foram essenciais, e ambas foram distinguidas com o Nobel da Física: em 2009, Charles Kao, pelo trabalho sobre a transmissão de luz em fibras óticas de elevada pureza, e em 2014, Akasaki, Amano e Nakamura, pelos LEDs azuis eficientes.
“A optogenética é um excelente exemplo de como os grandes avanços científicos resultam frequentemente da convergência de conhecimentos e tecnologias desenvolvidos em diferentes áreas”, explica Pedro Jorge, investigador do INESC TEC na área da fotónica.
As fibras óticas já fazem hoje muito mais do que transportar luz. Podem ser produzidas com regiões de dimensões micrométricas ou nanométricas, com microcanais para fluidos ou com estruturas que interagem diretamente com o meio envolvente. “Uma fibra pode assim deixar de ser apenas um guia de luz e passar a funcionar como uma plataforma miniaturizada de sensorização e atuação”, acrescenta Pedro Jorge, que é também docente na Faculdade de Ciências da Universidade do Porto.
Além de levar a luz que estimula, as fibras podem recolher informação sobre os tecidos, através de fenómenos como a fluorescência e a dispersão ótica. Combinando isto com análise espectral e inteligência artificial, já estão a ser desenvolvidos sistemas que estimulam, monitorizam a resposta e ajustam a intervenção em tempo real. “Estamos a passar de sistemas que utilizam a luz essencialmente para observar ou estimular, para plataformas que podem combinar as duas funções de forma integrada”, conclui o investigador do INESC TEC.
E quanto à aplicação em humanos?
João Paulo Cunha alerta que convém, ainda assim, ser realista. “A aplicação em humanos exige terapia génica, para tornar os neurónios sensíveis à luz, e continua em fase de investigação, com as primeiras aplicações clínicas fora do cérebro, nomeadamente na retina. A DBS elétrica continua a ser o padrão clínico. Entretanto, a optogenética já é uma ferramenta de investigação essencial para perceber como a DBS funciona, e isso ajuda a melhorá-la algo que temos vindo a estudar.”, conclui.
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