瑞典華人學者解讀2026諾獎：未來可從「細胞開關」走向「智能細胞」
瑞典華人學者解讀2026諾獎：未來可從「細胞開關」走向「智能細胞」
2026年諾貝爾生理學或醫學獎，獎勵了一束改變生命科學的「光」。
10月5日，諾貝爾生理學或醫學獎揭曉。美國科學家卡爾·戴塞羅特（Karl Deisseroth）與德國科學家彼得·赫格曼（Peter Hegemann）、格奧爾格·納格爾（Georg Nagel）共同獲得這一獎項，以表彰他們「關於光門控離子通道和光遺傳學的發現（for their discoveries concerning light-gated ion channels and optogenetics）」。諾貝爾獎評委會認為，光遺傳學讓科學家能夠在活體大腦中研究神經細胞如何塑造記憶、情感和行為，為神經科學開闢了一個新時代。
那麼，為什麼「用光控制細胞」會成為諾貝爾獎級別的突破？
01
一束光，讓「相關」變成「因果」過去幾十年，神經科學家已經能夠觀察到：當動物運動、學習、產生恐懼，或者形成一段記憶時，大腦中的某些神經元會變得活躍。
但這裡有一個非常重要的科學問題：這些神經元的活動，是行為發生的原因，還是只是伴隨行為發生的結果？
這正是傳統技術難以回答的問題。電刺激可以激活神經元，但電極附近往往有大量不同類型的細胞和神經纖維同時受到影響；藥物可以作用於特定分子，卻通常擴散到較大的範圍，而且反應速度相對緩慢。換句話說，科學家可以「擾動」大腦，卻很難做到只在特定的細胞、特定的時間進行干預。
光遺傳學改變了這一點。
科學家把編碼光敏蛋白的基因導入特定類型的細胞，使這些細胞獲得「感光」能力。隨後，只需要一個精確控制的光脈衝，就可以在毫秒尺度上激活或抑制這些細胞。
於是，一系列過去難以回答的問題變得可以直接實驗：究竟是哪一群神經元導致了某種行為？哪條神經環路參与了記憶形成？如果只在幾百毫秒內打開或關閉一群神經元，會發生什麼？
也就是說，光遺傳學幫助神經科學從「看到某個現象與某組神經元相關」，進一步走向「直接操縱這些神經元，檢驗它們是否產生了這個現象」。諾貝爾獎官網將其概括為：這項技術使科學家能夠研究神經細胞如何塑造活體動物的記憶、情感和行為。
這也是為什麼，光遺傳學的重要性遠遠超出了「給神經元裝上一個開關」。
它改變的是科學家研究生命的方式：從觀察，走向精確操控；從相關性，走向因果性。
但光遺傳學並不是終點，光遺傳學的成功又提出了一個新的問題。
經典光遺傳學所依賴的核心元件，大多來自天然的光敏蛋白，例如視紫紅質（rhodopsin）、LOV蛋白和隱花色素（cryptochrome）。這些天然蛋白非常強大，但也有一個先天限制：它們是生物進化出來的，而不是按照人們的需求設計出來的。
科學家當然可以對它們進行改造，但想同時改變它們的光譜、開關性質、相互作用能力、動態範圍等特徵，往往需要複雜的蛋白質工程，而且結果並不總是容易預測。更重要的是，這些天然模塊的模塊化程度有限。當我們希望把光控制技術用於完全不同的生物過程時，並不能總是像搭積木一樣可以自由組合。
而現代細胞生物學真正需要控制的，往往也不只是「細胞開」還是「細胞關」。
細胞內部，每時每刻都在發生大量分子層面的事件：蛋白質彼此結合、分離，進入不同的細胞器，聚集成複合物，啟動信號通路，改變細胞器的位置，甚至決定一個蛋白質是穩定存在還是被降解。
因此，一個更深層的問題是：我們能不能直接控制細胞內部某兩個蛋白質什麼時候見面、在哪裡見面，以及見面多久？
於是，我們提出了化學光遺傳學（chemo-optogenetics）來解決這些問題。
02
化學光遺傳學：把「分子膠」變成光控開關
在這一方向上，我們實驗室做了一些早期的工作。
化學光遺傳學並不完全依賴天然光敏蛋白，而是把光響應的合成小分子與化學誘導蛋白二聚化技術結合起來。其核心是一類可以形象地稱為「分子膠」的化合物。
可以把它想象成一個微型分子開關：一種光照狀態下，它把兩個蛋白質「粘」在一起；改變光照后，它們又可以分開。
這樣，科學家獲得的就不只是一個控制細胞整體活動的工具，而是一個可以直接調節蛋白質鄰近和蛋白質相互作用的化學開關。
2018年，我們報道了第一代化學光遺傳學系統：可調控、可逆的光控化學誘導二聚化系統，展示了利用光在活細胞中快速控制蛋白質相互作用、蛋白質定位以及細胞器定位的可能性。[1、2]
2025年，我們進一步發展了一代化學光遺傳學系統：模塊化的光響應分子膠（photoswitchable molecular glues），使蛋白質功能可以進行多輪、可逆的光控開關，並可用於調節蛋白質定位、功能、丰度以及細胞器的位置。我們還發展了可見光響應的分子膠，使藍光、綠光乃至紅光可以參与可逆的蛋白質控制。[3、4、5]
這意味著，光不再只是一個「刺激細胞」的信號，也可以成為一個重新組織細胞內部網路的工具。
03
兩種技術，究竟有什麼不同？
光遺傳學和化學光遺傳學都利用光來控制生命系統，因此二者並不是簡單的「老技術」和「新技術」。
它們更根本的區別，在於控制系統的架構不同。
經典光遺傳學主要依賴天然的光敏蛋白，把光信號直接轉換為細胞活動或蛋白質狀態的變化；化學光遺傳學則利用合成的光響應分子，把光信號轉換成蛋白質之間的接近、結合與分離。
前者讓我們能夠精確地操控特定細胞；後者進一步提供了一種更加化學化、模塊化的方式，讓我們能夠重新配置細胞內部的分子關係。
從這個意義上說，化學光遺傳學並不是簡單地給光遺傳學換一個元件，而是在嘗試建立一種更加通用的細胞分子編程語言。
04
下一步：從理解細胞，到編程細胞
這項技術的意義最終並不只在於研究細胞。
我們目前正在探索的一個重要方向，是利用化學光遺傳學編程免疫細胞，讓細胞治療變得更加精確。
以CAR-T細胞為例。這是一種經過基因工程改造的免疫細胞，能夠識別並攻擊癌細胞，已經成為血液腫瘤治療的重要突破。但CAR-T仍面臨一些挑戰：有些患者治療反應不足，而過強或失控的免疫激活又可能帶來嚴重副作用。
因此，一個重要的未來方向，是讓CAR-T細胞不僅會攻擊癌細胞，還能夠根據外界指令決定什麼時候啟動，在哪裡啟動，啟動多長時間，以及何時停止。
我們的研究團隊正在與臨床細胞治療專家合作，探索利用化學光遺傳學對CAR-T細胞進行時空調控的可能性。其目標並不是簡單地讓免疫細胞變得更強，而是讓它們變得更加可控、更安全，也更加有效。
另一個方向，則是「編程」微生物。
今天，微生物已經被廣泛用於生產藥物、化學品和其他有價值的物質。它們可以被看作天然的「生物工廠」。但一個活細胞不只是生產機器，它還要生長、維持自身生存，並在不同代謝途徑之間分配有限的能量和資源。
如果能夠利用可編程的分子開關動態調節這些過程，我們就可以進一步探索：什麼時候改變微生物的代謝方向？
這樣的控制有望提高微生物細胞工廠的效率和可調節性。
05
從「細胞開關」走向「智能細胞」
從20年前第一批光遺傳學實驗，到今天的化學光遺傳學，人們對「光能做什麼」的理解正在發生變化。
最初，光讓我們能夠打開或關閉神經元；後來，光可以控制蛋白質的位置；現在，研究者開始嘗試利用光控制細胞內部複雜的分子網路，並最終讓經過工程化的細胞按照預先設計的規則執行任務。
這意味著，我們正在從「控制細胞」，走向「編程細胞」。
可以設想未來的細胞不僅能夠被動地響應外界刺激，還能夠根據人工設計的分子邏輯，感知環境、處理信息，並在正確的時間和位置執行特定任務。
對於醫學而言，這可能意味著更加安全、更加精確的細胞治療；對於生物製造而言，則可能意味著更加高效、可動態調節的「智能生物工廠」。
2026年的諾貝爾生理學或醫學獎，表彰的是光遺傳學幫助科學家揭示大腦中神經細胞與記憶、情感和行為之間的因果關係。
而未來，我們希望把這束光帶到更廣闊的生命世界中——從控制神經元，到控制蛋白質相互作用，再到編程免疫細胞和微生物，讓活細胞真正成為可以被精確設計和操控的「智能系統」。
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