Georg Nagel是一位德国生物物理学家，现任德国维尔茨堡大学分子植物生理学教授。他的研究聚焦于光敏蛋白与离子通道的生物物理机制，其核心贡献是与Peter Hegemann合作发现并鉴定了通道视紫红质（Channelrhodopsin），这一发现为光遗传学这一全新研究领域的诞生奠定了基石。2026年，Nagel与Peter Hegemann、Karl Deisseroth共同获得诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在光门控离子通道与光遗传学领域的突破性发现。
Georg Nagel
一、兴趣启蒙 Georg Nagel对科学的兴趣，和他小时候的经历密切相关。1953年，他出生于德国巴登-符腾堡州的魏因加滕，是家中五个孩子中的长子。五岁时，他因骨骼炎症而频繁出入医院。他后来回忆，当兄弟姐妹去奥地利滑雪时，他留在家里用父母赠送的科学套装搭建蒸汽机或收音机[1]。“我的许多暑假都是在维尔茨堡大学医院的手术中度过的，”他写道，“直到最后一次手术终于控制住了骨骼炎症。”这段经历让他与维尔茨堡这座城市结下了复杂而深厚的缘分。多年后他回到这里任教时，说自己是“认识和爱上了这座少年时求医的城市”。 中学时期，数学、物理和生物学便深深吸引了Nagel。他在康斯坦茨大学攻读生物学与生物物理学，师从Ernst Bamberg。这位后来成为马克斯·普朗克生物物理研究所所长的学者，成为了Nagel学术生涯中最重要的引路人[2]。 二、学习经历 Nagel在康斯坦茨大学学习生物学和生物物理学。获得文凭后，他先是在瑞士一所私立文理中学担任教师。后来，Ernst Bamberg邀请他一同前往法兰克福继续研究，他毫不犹豫地接受了。Nagel于1988年在法兰克福大学获得博士学位，期间在马克斯·普朗克生物物理研究所从事研究。此后，他前往美国耶鲁大学和洛克菲勒大学从事博士后研究。1992年，Nagel回到德国，在马克斯·普朗克生物物理研究所担任研究组组长，直至2004年。同年，他加入维尔茨堡大学，担任分子植物生理学教授[2]。2021年，他成为维尔茨堡大学的高级教授。 三、光遗传学研究 Georg Nagel的研究围绕一个核心问题展开：光如何通过蛋白质转化为细胞的电信号，以及这种机制如何被用作操控细胞活动的工具。 起点：从细菌视紫红质到通道视紫红质 Nagel的研究起点可以追溯到1995年。当时，他与Ernst Bamberg合作，首次证明了一种来自古菌的光驱动质子泵，即细菌视紫红质，在被导入动物细胞后仍能保持功能，使细胞对光敏感[3]。这一实验表明，微生物视紫红质可以在其他细胞类型中表达并工作，为后续的光控工具开发提供了概念验证。 进入21世纪初，Nagel与Peter Hegemann展开合作。Hegemann长期研究单细胞绿藻莱茵衣藻的趋光性，并已经找到了相关的基因序列，但他并非生物物理出身。Nagel的生物物理学背景恰好形成互补：一人发现基因，一人解析蛋白功能。2002年，他们在Science杂志上报道了通道视紫红质-1（ChR1）的鉴定，证明它编码一种光门控质子通道，其疏水核心区域与光驱动质子泵细菌视紫红质同源[4]。次年，他们又在PNAS上发表了通道视紫红质-2（ChR2）的研究，证明ChR2是一种直接由光门控的阳离子选择性膜通道[5]。 他们鉴定出的通道视紫红质是一种本身既是光感受器又是离子通道的蛋白质。这在当时是一个相当特殊的发现。传统视紫红质如细菌视紫红质是离子泵，需要消耗能量将离子逆浓度梯度运输；而通道视紫红质只需光子触发，即可让离子顺着电化学梯度被动流动。光照射时，通道打开，阳离子流入细胞，引发去极化。 机制：一个蛋白质如何同时完成感光与导电 通道视紫红质的独特之处在于，它将光检测和离子运输合并到了同一个由单基因编码的蛋白质中。当蓝光照射时，通道打开，正电荷离子流入细胞，迅速改变细胞的膜电位。Nagel在2003年证明了通道视紫红质-2（ChR2）在哺乳动物细胞中的功能性表达，并指出该蛋白可以作为工具，调控细胞去极化和钙信号。ChR2可用于通过光照使小细胞或大细胞去极化[5]。只要将这一个基因导入目标细胞，细胞就能获得光敏感性。而在此之前，操控特定神经元的活动需要复杂且侵入性的手段。
ChR2与ChR1的作用光谱、莱茵衣藻膜组分的抗体染色，以及由ChR2引起的膜去极化
应用：从基础发现到神经科学工具 ChR2在哺乳动物细胞中被证明具有功能性表达之后，一个更直接的问题随之浮现：能否将这种光门控通道用于操控神经细胞的活动？斯坦福大学的Karl Deisseroth对此产生了兴趣，他联系Nagel开展合作，将ChR2的基因导入海马神经元。实验结果显示，短暂的光脉冲即可触发神经元的动作电位，而且时间精度达到毫秒级。这项2005年发表于Nature Neuroscience的研究，将ChR2从一种被鉴定的光门控通道转变为可操控神经活动的实验工具[6]。Nature Neuroscience在十年回顾中评价，这项工作“标志着光遗传学发展的关键一步”[7]。此后，光遗传学迅速成为神经科学的核心工具之一。科学家们利用这一技术，以毫秒级的时间精度操控特定神经元的活动，从而解析神经环路如何编码记忆、情感和行为。
ChR2能够实现光驱动的神经元放电
Nagel的实验室还拓展了光遗传学工具箱。他基于古菌的卤视紫红质开发了光控的神经元抑制工具。卤视紫红质是一种光驱动氯离子泵，黄光照射时可将Cl-泵入细胞，使神经元超极化，从而实现光诱导的沉默。这种抑制机制与ChR2的兴奋机制恰好互补。研究表明，这两种拮抗的视紫红质甚至可以表达在同一细胞中，分别用460纳米和580纳米的光独立激活，互不干扰[8]。
优化卤视紫红质的光刺激以实现长期神经元抑制
四、2026年诺贝尔奖 2026年10月，瑞典卡罗林斯卡学院宣布将诺贝尔生理学或医学奖授予Georg Nagel、Peter Hegemann和Karl Deisseroth，表彰他们“在光门控离子通道和光遗传学领域的发现”[9]。德国总统施泰因迈尔在贺信中说，他们的工作“为更好地理解神经退行性疾病和精神疾病开辟了道路”[10]。 Nagel对获奖感到意外。接到电话时，他正在意大利那不勒斯附近的山间度假，坐在阳光下的露台上，周围是橄榄树和柠檬树。“我没有想到，真的……”他说，“我以为光遗传学获得医学奖还太早。”他坦言，自己曾对关注诺奖的朋友们说：“淡定。据我所知，目前只有一个患者从光遗传学中获益。”他认为，光遗传学还不能与疟疾药物或癌症免疫疗法等惠及大量患者的成果相比[11]。 诺贝尔委员会指出，光遗传学“从根本上改变了神经科学的研究方式”，使科学家能够以毫秒级精度操控特定神经元，从而解析大脑如何编码记忆、情感和行为[9]。该技术已在临床试验中用于恢复视网膜色素变性患者的部分视力，并在帕金森病、抑郁症等疾病的研究中展现出潜力。 五、科学感悟 在Nagel的学生和同事眼中，他是一位极度看重科研细节、为人低调和蔼的学者。他的学生高世强回忆，Nagel写文章时总强调要实事求是，评判工作的第一标准是实验结果是否可靠。“不管一项研究结果看起来多么重大，数据准确永远放在第一位。”他不喜欢勾画宏大的远景，常说一项研究工作的意义不靠自我评价，而要看其他人能不能使用你的成果、从中获益。 生活中的Nagel极为平易近人。高世强作为课题组第一个中国学生刚到德国时，Nagel帮他租房子，开车带他去宜家，一起组装床。他酷爱骑自行车，上下班经常骑车，家里自行车差不多有十辆。高世强说：“他非常真实亲切和蔼，做事看重细节，不会给学生画大饼，讲求实实在在，没有架子[12]。” 获得诺奖的消息传来时，Nagel正在意大利那不勒斯附近的山间度假。他在接受采访时说：“我坐在这里的露台上，阳光很好，周围是橄榄树和柠檬树，非常美好。我不能抱怨。” 这种审慎与淡然，或许正是他科研风格的另一面：让数据说话，让成果自己证明价值。 参考文献： [1]https://www.larepublica.ec/blog/2026/10/06/georg-nagel-el-nino-que-pasaba-los-veranos-en-el-hospital-y-hoy-tiene-un-nobel/ [2]https://www.britannica.com/biography/Georg-Nagel [3]Nagel, G., Möckel, B., Büldt, G., & Bamberg, E. (1995). Functional expression of bacteriorhodopsin in oocytes allows direct measurement of voltage dependence of light induced H+ pumping. FEBS letters, 377(2), 263–266. https://doi.org/10.1016/0014-5793(95)01356-3 [4]Nagel, G., Ollig, D., Fuhrmann, M., Kateriya, S., Musti, A. M., Bamberg, E., & Hegemann, P. (2002). Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science (New York, N.Y.), 296(5577), 2395–2398. https://doi.org/10.1126/science.1072068 [5]Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., Berthold, P., Ollig, D., Hegemann, P., & Bamberg, E. (2003). Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 100(24), 13940–13945. https://doi.org/10.1073/pnas.1936192100 [6]Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., & Deisseroth, K. (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature neuroscience, 8(9), 1263–1268. https://doi.org/10.1038/nn1525 [7]ChR2 coming of age. (2015). Nature neuroscience, 18(9), 1191. https://doi.org/10.1038/nn.4103 [8]Zhang, C., Yang, S., Flossmann, T., Gao, S., Witte, O. W., Nagel, G., Holthoff, K., & Kirmse, K. (2019). Optimized photo-stimulation of halorhodopsin for long-term neuronal inhibition. BMC biology, 17(1), 95. https://doi.org/10.1186/s12915-019-0717-6 [9]https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/1929946-press-release-swedish/ [10]https://www.bundespraesident.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/DE/2026/10/261005-Glueckwunsch-Nobelpreis-Medizin.html [11]https://www.stuttgarter-zeitung.de/lokales/baden-wuerttemberg/nobelpreis-gewinner-aus-bawue-nagelich-habe-das-nicht-erwartet-wirklich-79536343.html [12]https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2026/10/572519.shtm
文章来源：MPlant植物科学
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