Penemuan optogenetika membuka jalan baru untuk memahami cara kerja otak, mulai dari pembentukan ingatan hingga munculnya emosi dan perilaku.
Tiga ilmuwan dari Amerika Serikat dan Jerman meraih Hadiah Nobel Fisiologi atau Kedokteran 2026 berkat penelitian yang mengubah cara manusia mempelajari otak. Mereka adalah Karl Deisseroth, Peter Hegemann, dan Georg Nagel, yang berjasa dalam penemuan protein peka cahaya dan pengembangan teknik optogenetika.
Penghargaan yang diumumkan pada 5 Oktober 2026 itu diberikan atas penemuan mengenai saluran ion yang dikendalikan cahaya (light-gated ion channels) dan optogenetika. Teknologi ini memungkinkan peneliti mengendalikan aktivitas sel saraf tertentu menggunakan cahaya, sehingga hubungan antara aktivitas neuron dan fungsi otak dapat diteliti dengan lebih terarah.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Sebelum teknik ini berkembang, ilmuwan menghadapi kesulitan untuk memastikan bagaimana aktivitas kelompok sel saraf tertentu memengaruhi ingatan, emosi, gerakan, dan perilaku. Otak memiliki miliaran neuron yang saling terhubung. Mengamati aktivitasnya saja tidak selalu cukup untuk mengetahui sel mana yang menyebabkan respons tertentu.
Optogenetika menawarkan pendekatan yang berbeda. Peneliti dapat mengaktifkan atau menghambat kelompok neuron tertentu dengan memberikan rangsangan cahaya, kemudian mengamati perubahan yang terjadi. Terobosan ini menjadi salah satu tonggak penting dalam perkembangan ilmu saraf modern.
Berawal dari organisme bersel satu
Kisah penemuan ini bermula dari pertanyaan sederhana mengenai alga hijau bersel satu bernama Chlamydomonas. Organisme mikroskopis tersebut mampu merespons cahaya dan bergerak menuju sumber cahaya yang sesuai bagi kehidupannya.
Pada awal 1990-an, Peter Hegemann tertarik memahami mekanisme biologis yang memungkinkan alga tersebut mendeteksi cahaya dengan sangat cepat. Penelitiannya mengarah pada dugaan bahwa terdapat protein yang tidak hanya menangkap cahaya, tetapi juga mengendalikan aliran ion melalui membran sel.
Ion merupakan partikel bermuatan listrik. Pergerakannya melintasi membran sel dapat mengubah kondisi listrik di dalam sel dan memicu respons biologis. Pada sel saraf, perubahan listrik semacam ini merupakan bagian mendasar dari proses pengiriman sinyal.
Hipotesis Hegemann tergolong tidak biasa pada masanya. Para ilmuwan telah mengenal berbagai saluran ion, tetapi gagasan mengenai protein yang sekaligus peka terhadap cahaya dan berfungsi sebagai saluran ion masih membutuhkan pembuktian eksperimental.
Untuk menguji gagasan tersebut, Hegemann bekerja sama dengan Georg Nagel, seorang ahli biofisika yang memiliki keahlian dalam mempelajari fungsi protein dan saluran ion.
Georg Nagel mengungkap fungsi protein peka cahaya
Dalam penelitian bersama Hegemann, Nagel memanfaatkan sel telur katak sebagai sistem percobaan. Sel tersebut digunakan untuk mempelajari protein yang dihasilkan dari informasi genetik alga.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa protein tertentu dapat membentuk saluran ion yang terbuka ketika terkena cahaya. Protein itu kemudian dikenal sebagai channelrhodopsin.
Ketika cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai, termasuk cahaya biru, mengenai protein tersebut, salurannya terbuka. Ion dapat melintasi membran sel dan menghasilkan perubahan listrik.
Temuan Hegemann dan Nagel yang dipublikasikan pada 2003 menunjukkan bahwa protein tersebut berpotensi menjadi perangkat biologis untuk mengendalikan aktivitas listrik sel menggunakan cahaya.
Penemuan ini memiliki arti penting karena menyediakan komponen molekuler yang dapat dimanfaatkan jauh melampaui fungsi aslinya pada alga. Protein yang semula membantu organisme mikroskopis merespons lingkungan ternyata dapat menjadi alat untuk menyelidiki sistem saraf hewan.
Namun, penemuan protein peka cahaya saja belum cukup. Tantangan berikutnya adalah membuktikan bahwa protein tersebut dapat digunakan untuk mengendalikan neuron, sel khusus yang bertugas menerima dan mengirimkan informasi dalam sistem saraf.
Karl Deisseroth membawa penemuan ke dunia ilmu saraf
Di sinilah peran Karl Deisseroth menjadi penting. Ilmuwan Amerika Serikat yang berkiprah di Universitas Stanford tersebut mengembangkan pendekatan yang menggabungkan genetika, biologi sel, dan teknik optik untuk mempelajari otak.
Deisseroth dan timnya memasukkan informasi genetik yang mengode protein peka cahaya ke dalam sel saraf. Dengan cara ini, neuron yang sebelumnya tidak memiliki kemampuan tersebut dapat menghasilkan protein yang membuatnya responsif terhadap cahaya.
Ketika neuron yang telah dimodifikasi itu disinari, channelrhodopsin dapat membuka saluran ion dan memicu perubahan listrik. Dengan pengaturan yang tepat, peneliti dapat memengaruhi aktivitas sel saraf menggunakan pulsa cahaya.
Pada 2005, penelitian Deisseroth dan kelompoknya menunjukkan bahwa pendekatan tersebut dapat digunakan untuk mengendalikan aktivitas neuron. Dalam perkembangan berikutnya, teknik ini diterapkan pada otak hewan hidup.
Metode tersebut kemudian dikenal sebagai optogenetika, sebuah istilah yang menggabungkan optik dan genetika.
Kontribusi Deisseroth bukan sekadar menemukan cara menyalakan sel saraf dengan cahaya. Ia turut membantu mengembangkan pendekatan eksperimental yang memungkinkan ilmuwan mempelajari sirkuit saraf secara lebih spesifik, yakni jaringan neuron yang saling terhubung dan bekerja bersama menjalankan fungsi tertentu.
Bagaimana optogenetika bekerja?
Untuk memahami teknik ini, bayangkan otak sebagai jaringan komunikasi yang sangat kompleks. Setiap neuron berperan seperti simpul dalam jaringan tersebut. Sel-sel ini bertukar informasi melalui sinyal listrik dan kimia.
Jika ilmuwan hanya merekam aktivitas otak, mereka dapat mengetahui bahwa suatu kelompok neuron aktif ketika seseorang atau hewan melakukan tindakan tertentu. Namun, belum tentu jelas apakah aktivitas tersebut menyebabkan tindakan itu atau sekadar terjadi bersamaan dengannya.
Optogenetika membantu mengatasi persoalan tersebut melalui percobaan yang lebih terkontrol.
Pertama, peneliti memasukkan gen yang mengode protein peka cahaya ke dalam jenis sel yang ingin dipelajari. Berikutnya, cahaya diarahkan ke wilayah sasaran menggunakan perangkat optik, misalnya serat optik atau sistem pencahayaan khusus. Protein peka cahaya merespons rangsangan itu dan mengubah aktivitas listrik sel.
Peneliti kemudian merekam respons neuron dan mengamati perubahan fungsi biologis atau perilaku yang menyertainya.
Dengan membandingkan hasil ketika neuron diaktifkan, dihambat, atau tidak diberi rangsangan, ilmuwan dapat menguji peran kelompok sel tertentu dalam suatu proses.
Teknik ini memiliki ketepatan ruang dan waktu yang tinggi dibandingkan sejumlah metode stimulasi konvensional. Meski demikian, hasilnya tetap bergantung pada jenis protein yang digunakan, ketepatan penargetan sel, pengaturan cahaya, serta desain eksperimen.
Dari ingatan hingga gangguan neurologis
Salah satu nilai utama optogenetika adalah kemampuannya membantu peneliti memahami hubungan antara sirkuit saraf dan fungsi otak.
Para ilmuwan dapat menyelidiki kelompok neuron yang terlibat dalam pembentukan ingatan, respons terhadap rasa takut, motivasi, gerakan, dan berbagai bentuk perilaku. Penelitian semacam ini membantu menjelaskan bagaimana aktivitas sel-sel yang saling terhubung menghasilkan fungsi otak yang kompleks.
Teknik tersebut juga digunakan dalam penelitian mengenai gangguan neurologis dan psikiatris, termasuk epilepsi, penyakit Parkinson, kecanduan, serta sejumlah kondisi yang memengaruhi suasana hati dan perilaku.
Namun, penting untuk membedakan antara kemajuan penelitian dan terapi yang sudah tersedia. Optogenetika telah menjadi alat penting dalam penelitian laboratorium, tetapi penerapannya sebagai pengobatan bagi manusia masih menghadapi berbagai tantangan. Pengiriman materi genetik ke sel sasaran, keamanan jangka panjang, serta kebutuhan perangkat untuk memberikan cahaya merupakan beberapa persoalan yang perlu ditangani.
Meski demikian, teknik ini telah memberikan landasan bagi pendekatan baru dalam memahami penyakit yang berkaitan dengan gangguan fungsi sistem saraf.
Harapan untuk memulihkan penglihatan
Salah satu arah penelitian yang menarik adalah penggunaan protein peka cahaya untuk membantu memulihkan sebagian fungsi penglihatan pada orang dengan kerusakan retina tertentu.
Pada kondisi seperti retinitis pigmentosa, sel fotoreseptor yang biasanya menangkap cahaya dapat mengalami kerusakan. Salah satu pendekatan yang diteliti adalah membuat sel retina yang masih bertahan memiliki sensitivitas terhadap cahaya melalui pengenalan protein tertentu.
Secara konseptual, pendekatan ini memanfaatkan prinsip yang sama dengan optogenetika: sel dibuat mampu merespons rangsangan cahaya melalui mekanisme biologis yang dirancang secara khusus.
Penelitian terapi optogenetik untuk gangguan penglihatan telah memasuki tahap klinis pada kondisi tertentu. Akan tetapi, hasilnya tidak berarti penglihatan normal dapat dipulihkan secara otomatis. Manfaat yang diperoleh bergantung pada kondisi pasien, jenis kerusakan retina, teknologi yang digunakan, dan hasil evaluasi klinis.
Pengembangan tersebut memperlihatkan bagaimana pengetahuan dasar mengenai mikroorganisme dapat membuka peluang bagi teknologi medis yang sebelumnya sulit dibayangkan.
Kolaborasi yang menghubungkan berbagai disiplin ilmu
Penghargaan Nobel 2026 juga memperlihatkan bahwa kemajuan sains sering lahir dari rangkaian penelitian yang saling melengkapi.
Hegemann menelusuri bagaimana alga mendeteksi cahaya. Nagel membantu membuktikan fungsi protein peka cahaya melalui eksperimen pada sel. Deisseroth dan timnya kemudian mengembangkan prinsip tersebut menjadi metode untuk mengendalikan aktivitas neuron.
Ketiganya mewakili tahapan berbeda dalam perjalanan pengetahuan: memahami fenomena alam, mengungkap mekanisme molekuler, dan menerapkan penemuan itu untuk menjawab pertanyaan yang lebih kompleks.
Penelitian tersebut mempertemukan biologi molekuler, biofisika, genetika, rekayasa biomedis, dan ilmu saraf. Batas antardisiplin menjadi ruang kolaborasi yang memungkinkan sebuah temuan dasar berkembang menjadi teknologi baru.
Pelajaran dari sebuah penemuan
Optogenetika mengingatkan bahwa penelitian yang berdampak besar tidak selalu bermula dari persoalan yang langsung berkaitan dengan manusia. Pertanyaan mengenai cara alga bersel satu merespons cahaya ternyata dapat membantu ilmuwan memahami jaringan saraf yang mendasari ingatan, emosi, dan perilaku.
Penghargaan kepada Peter Hegemann, Georg Nagel, dan Karl Deisseroth mengakui perjalanan panjang tersebut, dari pengamatan organisme sederhana hingga pengembangan perangkat eksperimental untuk mempelajari otak.
Manfaat akhirnya masih terus dikembangkan. Optogenetika belum menjadi jawaban bagi semua penyakit saraf, tetapi telah memberikan alat yang jauh lebih terarah untuk menguji bagaimana otak bekerja.
Dari protein kecil yang peka terhadap cahaya, para ilmuwan memperoleh cara baru untuk menyelidiki salah satu sistem biologis paling rumit yang dikenal manusia. Penemuan ini sekaligus menunjukkan bahwa rasa ingin tahu terhadap kehidupan, bahkan pada organisme mikroskopis, dapat menghasilkan perubahan besar dalam ilmu pengetahuan dan kedokteran.
