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Georg Nagel (Biophysiker)

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Georg Nagel, 2022

Georg Nagel (* 24. August 1953 in Weingarten)[1][2] ist ein deutscher Biologe und Professor an der Universität Würzburg. Ihm wurde gemeinsam mit Karl Deisseroth und Peter Hegemann der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2026 zugesprochen.

Werdegang

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Nagel legte 1973 das Abitur am Albert-Einstein-Gymnasium Ravensburg ab[3] und studierte von 1973 bis 1979 Biologie und Biophysik an der Universität Konstanz. Er beendete sein Promotionsstudium 1988 am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main mit der Dissertation Ionentransport über Zellmembranen. Elektrische Untersuchungen von Membranproteinen in situ und rekonstituiert an künstlichen Lipidmembranen. Als Postdoktorand arbeitete er an der Yale University in New Haven, Connecticut, und an der Rockefeller University in New York City, New York. Von 1992 bis 2004 war Nagel Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Biophysik. Seit 2004 ist er Professor an der Universität Würzburg, zunächst am Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, seit 2019 am Physiologischen Institut, Abteilung für Neurophysiologie. Von 2021 bis Ende Juni 2026 war er als Seniorprofessor am Physiologischen Institut tätig.[4]

Nagel ist mit der italienischen Molekularbiologin und Hochschullehrerin Anna Maria Musti verheiratet. Das Ehepaar hat eine Tochter.[5]

Wirken

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Nobelpreis in Physiologie oder Medizin 2026 für die Entwicklung der Optogenetik

Nagel gehört zu den Entdeckern der Channelrhodopsine, einer Familie von lichtaktivierten Ionenkanälen. Diese Entdeckung hat das neue gentechnische Gebiet der Optogenetik und neue Möglichkeiten zur Untersuchung neuronaler Netze eröffnet. Weitere erhoffte Erfolge der Anwendung liegen in der Wiedererlangung verlorener Sehkraft und in der Behandlung der Parkinson-Krankheit und anderer neurologischer Erkrankungen mittels tiefer Hirnstimulation. Nagel arbeitet insbesondere auch daran, die Methode bei Pflanzen anzuwenden.

Weitere Arbeiten Nagels befassen sich mit dem Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR), einem Protein, das an der Pathogenese der Mukoviszidose beteiligt ist.

Gentechnik und Lichtempfindlichkeit

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Optogenetik beruht auf einem einfachen Konzept: Ein Protein, das geeignete Zellen heterolog dem genetischen Code entsprechend herstellen, wird durch Licht aktiviert. So kann jenes Protein zelluläre Prozesse an- oder ausschalten. Die Optogenetik erwies sich in Neurowissenschaft und allgemeiner Zoologie als sehr erfolgreich. Doch in der Botanik ist ihre Anwendung schwierig, weil Pflanzen zum Wachsen Licht brauchen. Für optogenetische Anwendungen mussten zuerst Spektralfarben bestimmt werden, die zwar Wachstum erlauben, aber optogenetisch neutral sind. Danach war eine Wellenlänge zu finden, die das heterologe Protein aktiviert.

Lange suchte man, wie die Aktivierung optogenetischer Werkzeuge in Pflanzen unter normalen Beleuchtungszyklen (weißes Licht / Dunkelheit) zu unterbinden sei. Die Lösung bestand in der Kopplung zweier Lichtschalter. Die Genexpression für einen Schalter, der Rot als AN und Blau als AUS versteht, wurde zu einem optogenetischen System erweitert, das bei Sonnenlicht ausschaltet und durch monochromatisches Rot aktiviert wird. Ein solcher doppelter Lichtschalter namens „PULSE“ wirkt in ganzen Pflanzen (PULSE: Plant-Usable Light-Switch Element).

Damit Rhodopsine als lichtschaltende Moleküle funktionieren, brauchen sie als Kofaktor Retinal, das seinerseits aus Vitamin A entsteht. Doch Landpflanzen enthalten kein eigenes Retinal und folglich auch kein Rhodopsin, welches optogenetische Vorhaben ermöglichen würde. Das Problem ließ sich mit Hilfe der Chloroplasten lösen. Diese pflanzlichen Zellorganellen sind voll mit ß-Carotin. Das Farbmolekül wird gespalten, wenn man das Enzym Dioxygenase in die Chloroplasten einführt. Mit dieser Methode erreichte die Forschergruppe genügend Retinal, um die Versuchspflanzen mit Rhodopsin auszustatten. So erhielten die Zellmembranen von Tabakpflanzen Kanalrhodopsin, dessen Pore für Anionen durchlässig ist und nichtinvasive Experimente ermöglicht. Erfolgreich wurden der Verlust an Zellflüssigkeit, das Schließen der Stomata und das Wachsen des Pollenschlauches verfolgt.[6]

Blinde werden sehen

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Rückbildungen der Netzhaut bedeuten fortschreitenden Verlust ihrer Lichtrezeptoren und letztlich Erblinden. Soll das Sehvermögen optogenetisch wieder hergestellt werden, müssen lichtempfindliche Proteine in noch lebende Neuronen der Netzhaut eingefügt werden, und zwar durch ektopische Expression. So bekam mit einem nach Rot verschobenen Kanalrhodopsin (ChR) ein erblindeter Patient teilweise das Sehvermögen zurück.[7]

Für eine optimale Wiederherstellung des Sehens sind jedoch größere Hürden zu überwinden. Die bis dahin verfügbaren Kanalrhodopsine waren wenig lichtempfindlich und reagierten langsam. Diese Einschränkungen meistert eine neue ChR-Variante, nämlich PsCatCh2.0, gewonnen aus einer Alge[8]. Diese Variante erreicht hohe Ionenleitung (Ca²+ und Na+) sowie schnelle Reaktionsgeschwindigkeit. Bei einem Hundertstel der Lichtintensität gegenüber der Ausgangssituation wurde der Ionenstrom vervierfacht.[9]

Die Lichtempfindlichkeit wurde schließlich mit lebenden Versuchstieren geprüft: an Mäusen mit degenerierter Retina. Deren Netzhaut funktioniert nicht, weil das zu Grunde liegende Gen Pde6b mutiert ist.[10] In homozygoten Tieren senden weder die Stäbchen- noch die Zapfenzellen Nervenimpulse an das Sehzentrum in der Großhirnrinde. Solche blinden Mäuse wurden mit PsCatCh2.0 behandelt. Danach zeigten sie Verhalten, das eindeutig von neu gewonnenem Sehen geleitet wurde. Sie konnten in einer beleuchteten Box genau so schnell wie Wildtyp-Tiere ein Loch finden, um sich in eine schwarze Box zurückzuziehen. Die Ergebnisse empfehlen das PsCatCh2.0 als hochwirksamen Erreger für klinische Anwendungen.

Schriften (Auswahl)

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  • Yujing Zhang, J Yu-Strzelczyk, D Sisario, R Holzapfel, Z Nagy, C Xu, C Shen C, Georg Nagel, Shiqiang Gao, Markus Bender: Optogenetic induction of subcellular Ca2+ events in megakaryocytes and platelets using a highly Ca2+-conductive channelrhodopsin. In: Commun Biol 8, 1, 2025: 1433. PDF.
  • Fei Lin F, R Tang, C Zhang, N Scholz, Georg Nagel, Shiqiang Gao: Combining different ion-selective channelrhodopsins to control water flux by light. In: Pflügers Arch 475, 12, 2023: 1375–1385. PDF.
  • Yuehui Tian, Shang Yang, Georg Nagel, Shiqiang Gao: Characterization and modification of light-sensitive phosphodiesterases from choanoflagellates. In: Biomolecules12, 1, 2022: 88. PDF.
  • A Bergs, C Schultheis, et al, Georg Nagel, Alexander Gottschalk, Jana F Liewald: Rhodopsin optogenetic toolbox v2.0 for light-sensitive excitation and inhibition in Caenorhabditis elegans. In: PLoS One 13, 2, 2018: e0191802. PDF.
  • Georg Nagel, T Szellas, S Kateriya, N Adeishvili, Peter Hegemann, E Bamberg: Channelrhodopsins: Directly light-gated cation channels. In: Biochem Soc Trans 33, 4, 2005: 863–866. doi:10.1042/BST0330863.
  • Georg Nagel, T Szellas, et al: Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. In: Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100, 24, 2003: 13940–13945. PDF.
  • T Budiman, E Bamberg, H Koepsell, Georg Nagel: Mechanism of electrogenic cation transport by the cloned organic cation transporter 2 from rat. In: J Biol Chem 275, 38, 2000: 29413–29420. PDF.
  • Shouguang Huang, M Ding, et al, Georg Nagel, Rainer Hedrich, Kai R Konrad: Optogenetic control of the guard cell membrane potential and stomatal movement by the light-gated anion channel GtACR1. In: Sci Adv 7, 28, 2021: eabg4619. PDF.
  • Georg Nagel: Differential function of the two nucleotide binding domains on cystic fibrosis transmembrane conductance regulator. In: Biochim Biophys Acta 1461, 2, 1999: 263–274. PDF.

Auszeichnungen (Auswahl)

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Literatur

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  • Christina Beck: Vom roten Auge der grünen Alge. In: MaxPlanckForschung. 4/2002, S. 52–55 (online, PDF; Artikel über Arbeiten zum Channelrhodopsin).
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Einzelnachweise

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  1. ↑ Uni-Intern, Ausgabe 05 vom 9. Februar 2010: Biozentrum: Lichtblick für die Forschung. In: biozentrum.uni-wuerzburg.de. 9. Februar 2010, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 5. Februar 2016; abgerufen am 5. Februar 2016.
  2. 1 2 Georg Nagel (Memento vom 1. Oktober 2020 im Internet Archive) bei der Grete Lundbeck European Brain Research Foundation (thebrainprize.org); abgerufen am 7. September 2019.
  3. ↑ Oberschwaben jubelt mit Medizin-Nobelpreisträger, Schwäbische Zeitung, 6. Oktober 2026
  4. ↑ Nobelpreis für den Würzburger Professor Georg Nagel. Abgerufen am 6. Oktober 2026 (deutsch).
  5. ↑ A Nobel Prize with a Neapolitan Heart, Il Mattino, 6. Oktober 2026
  6. ↑ Kai R. Konrad, Shiqiang Gao, Matias D. Zurbriggen, Georg Nagel: Optogenetic methods in plant biology. In: Annual Review of Plant Biology. Jahrgang 74, 2023, S. 313–339. ← Zusammenfassung: S. 331 f. PDF.
  7. ↑ José-Alain Sahel, Elise Boulanger-Scemama, et al, Magali Taiel, Botond Roska: Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. In: Nat Med 27, 2021: 1223–1229. doi:10.1038/s41591-021-01351-4.
  8. ↑ Elena G Govorunova, Oleg A Sineshchekov, Hai Li, Roger Janz, John L Spudich: Characterization of a highly efficient blue-shifted Channelrhodopsin from the marine alga Platymonas subcordiformis. In: J Biol Chem 288, 2013: 29911–29922. PDF.
  9. ↑ Fei Chen, X Duan, Y Yu, S Yang, Y Chen, C E Gee, Georg Nagel, K Zhang, Shiqiang Gao, Yin Shen: Visual function restoration with a highly sensitive and fast Channelrhodopsin in blind mice. In: Signal Transduct Target Ther 7, 1, 2022: 104. PDF.
  10. ↑ J Bronwin Bateman, I Klisak, et al, C Bowes, Debora B Farber: Assignment of the beta-subunit of rod photoreceptor cGMP phosphodiesterase gene PDEB (homolog of the mouse rd gene) to human chromosome 4p16. In: Genomics 12, 3, 1992: 601–603. doi:10.1016/0888-7543(92)90454-z.
  11. ↑ Ninth Annual Wiley Prize in Biomedical Sciences Awarded to Dr. Peter Hegemann, Dr. Georg Nagel, and Dr. Ernst Bamberg bei wiley.com; abgerufen am 26. April 2011
  12. ↑ Preisträger bei der Karl Heinz Beckurts-Stiftung (beckurts-stiftung.de); abgerufen am 3. Februar 2016.
  13. ↑ Fondation Louis-Jeantet - The Winners of the Louis-Jeantet Prize for Medicine. In: jeantet.ch. Abgerufen am 3. Februar 2016 (englisch).
  14. ↑ Röntgen-Medaille - Universitätsarchiv. Abgerufen am 5. Oktober 2026.
Personendaten
NAME Nagel, Georg
KURZBESCHREIBUNG deutscher Biophysiker
GEBURTSDATUM 24. August 1953
GEBURTSORT Weingarten
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