植物需要陽光才能生長，年輕的向日葵白天會追隨太陽，晚上再逐漸轉回東方，迎接翌日的日出。這種現象說明，陽光不僅為植物的光合作用提供能量，亦是調節其生長活動的重要訊號。
今年諾貝爾生理學或醫學獎表揚的光遺傳學（Optogenetics），其關鍵發現源自衣藻（Chlamydomonas）的研究。這種單細胞綠藻能感應光線，並利用鞭毛游向適合的光源。科學家從中發現感光蛋白通道視紫紅質（Channelrhodopsin），為利用光線控制細胞活動開啟了新方向。光遺傳學已廣泛應用於神經科學研究，科學家亦正探索如何利用它控制工程菌的活動。
工程細菌裝開關 紅光調控菌功能
通道視紫紅質二型（ChR2）受到藍光刺激後，會打開細胞膜上的離子通道，讓鈉離子等帶正電的粒子流入細胞，改變細胞的電活動，把光線轉化成細胞的電訊號。科學家亦利用其他感光蛋白，為細菌安裝「光控開關」。早於2005年，已有研究讓大腸桿菌感應紅光。沒有紅光照射的細菌會產生酵素，令培養基變黑；而受光照的部分則不變黑，形成可辨認的圖案。
光控工程菌亦可用來製造日常用品。英國研究人員改造產纖維素細菌（Komagataeibacter rhaeticus），讓它製造酪氨酸酶（Tyrosinase），促進真黑色素（Eumelanin）形成，成功為銀包及鞋面原型加上顔色。研究團隊更嘗試以藍光控制色素分佈，雖然圖案仍未夠清晰，但已顯示工程菌能按光線指令改變產品外觀。
科學家進一步將光控技術應用於腸道。2023年的研究把經基因改造的大腸桿菌Nissle 1917（Escherichia coli Nissle 1917）送入小鼠腸道，讓工程菌製造Exendin-4融合蛋白。這種蛋白模仿腸道荷爾蒙GLP-1的作用，具有保護多巴胺神經細胞的研究潛力。研究人員利用紅光觸發大腸桿菌裂解（Lysis），控制蛋白質釋放的時間。在柏金遜症模型小鼠中，相關處理改善了部分運動、記憶及腦部生化指標。不過，即使沒有光照，細菌仍可能少量釋放蛋白，使部分光照組與非光照組的結果沒有顯著差異。因此，這項技術距離人體臨床療效仍有相當長的路要走。
感光蛋白控神經 探索腸菌免疫網
光遺傳學亦可直接控制神經活動。研究人員把ChR2基因導入指定神經細胞，使其在藍光刺激下於毫秒間產生電訊號，有助了解神經迴路的功能。然而，藍光穿透組織的能力有限，傳統實驗往往需要把光纖插入腦組織。近期一項柏金遜症小鼠研究，把納米粒子（Upconversion nanoparticles）注射入特定腦區，使其在腦內把穿透力較好的近紅外光（Near-infrared light）轉換成藍光。那麼先讓指定腦神經細胞表達ChR2，再於相關腦區注射納米粒子後，就可以把光纖固定在頭骨表面提供近紅外光。實驗顯示，小鼠的活動及運動協調能力有所改善，效果與傳統光纖刺激相近，局部腦組織損傷及發炎反應亦較少。雖然減少了光纖直接插入腦組織的需要，但仍涉及基因導入及腦內注射，並非完全無創。
光遺傳學亦有助研究腸道神經。研究人員利用基因改造小鼠，讓特定腸神經細胞產生感光蛋白ChR2，再取出腸道組織，以藍光控制這些神經的活動。結果發現，刺激不同神經細胞或改變光照頻率，會引起不同的腸道免疫及屏障反應；加入多枝梭菌（Thomasclavelia ramosa）後，部分反應亦有所改變。這項研究顯示，光遺傳學可協助科學家了解腸道神經與微生物如何共同調節免疫功能。
智能膠囊收訊號 手機啟動工程菌
2025年的研究進一步把工程菌、光電膠囊及智能手機結合，在豬隻腸道建立雙向通訊系統。腸道中的一種工程菌負責感應與腸道炎症相關的硝酸鹽（Nitrate）訊號，再產生生物光，由電子裝置接收並傳送到手機，而同時附近的光電膠囊接收此生物光，引發裡面的另一工程菌啟動相關的值入基因，製造並分泌抗腫瘤壞死因子納米抗體（Anti-TNF nanobody），發揮抗炎作用。實驗顯示，系統可監測部分炎症訊號，光控處理亦使豬隻的部分腸道炎症指標下降。這項研究讓工程菌與電子裝置雙向傳遞訊號，實現腸道炎症監測及光控抗炎功能。不過，目前膠囊的光感測器電池運作時間過短，因此仍須由研究人員透過手機控制綠光照射，尚未實現根據炎症訊號自動啟動及調節治療的完全自動化診療循環。
從衣藻的感光蛋白，到控制神經、調節細菌色素形成及按指令釋放蛋白，光遺傳學展示了基礎科學發現如何衍生跨領域應用。雖然多項技術仍處於研究階段，但其精準控制細胞活動的能力，已為神經科學、合成生物學及精準醫學開闢新方向。自然界看似微小的發現，往往正是重大科學突破的起點。
光遺傳學, 諾貝爾生理學或醫學獎, 衣藻, 通道視紫紅質, 光控工程菌, 腸道微生物, 柏金遜病, 多巴胺神經細胞, 近紅外光, 上轉換納米粒子, 腸神經系統, 腸道免疫, 智能膠囊, 精準醫學
Optogenetics, Nobel Prize in Physiology or Medicine, Chlamydomonas, Channelrhodopsin, Light-controlled engineered bacteria, Gut microbiota, Parkinson's disease, Dopaminergic neurons, Near-infrared light, Upconversion nanoparticles, Enteric nervous system, Intestinal immunity, Smart ingestible capsules, Precision medicine
參考資料/延伸閱讀:
＜益生第一關＞2023/10/04--『腸道大腦雙向溝通 冥想益生菌助紓壓』 https://hskgene.com/blogs/probiofirst/meditation-gba
＜益生第一關＞2021/07/30--『腸道大腦互影響 行為健康同維持』 https://hskgene.com/blogs/probiofirst/gut-brain-axis-behavior
＜益生第一關＞2020/12/04--『細菌和基因裁縫的剪刀（2020年諾貝爾獎專題文章）』
https://hskgene.com/blogs/probiofirst/nobel_prize_2020_crispr
Easy Reading:
The Nobel Assembly at Karolinska Institutet. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026| NobelPrize.org| 10-05-2026
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/press-release/
光遺傳學奪諾貝爾醫學獎 國內專家：有望助攻失智、憂鬱與失明治療 | 聯合新聞網 | 10-05-2026
https://udn.com/news/story/7266/9796451
Google Images:
學術論文：
Nagel G, Szellas T, Huhn W, et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2003;100(24):13940–13945. doi:10.1073/pnas.1936192100
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1936192100
Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, et al. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience. 2005;8(9):1263–1268. doi:10.1038/nn1525
https://www.nature.com/articles/nn1525
Cryan JF, O'Riordan KJ, Cowan CSM, et al. The Microbiota-Gut-Brain Axis. Physiological Reviews. 2019;99(4):1877–2013. doi:10.1152/physrev.00018.2018
https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/physrev.00018.2018
Naim G, Romano-Zadaka H, Amidror S, et al. Optogenetics-integrated gut organ culture system connects enteric neurons dynamics and gut homeostasis. Nature Communications. 2025;16(1):10010. doi:10.1038/s41467-025-64995-7
https://www.nature.com/articles/s41467-025-64995-7
Levskaya A, Chevalier AA, Tabor JJ, et al. Engineering Escherichia coli to see light. Nature. 2005;438(7067):441–442. doi:10.1038/nature04405
https://www.nature.com/articles/nature04405
Riglar DT, Giessen TW, Baym M, et al. Engineered bacteria can function in the mammalian gut long-term as live diagnostics of inflammation. Nature Biotechnology. 2017;35(7):653–658. doi:10.1038/nbt.3879
https://www.nature.com/articles/nbt.3879
Riglar DT, Silver PA. Engineering bacteria for diagnostic and therapeutic applications. Nature Reviews Microbiology. 2018;16(4):214–225. doi:10.1038/nrmicro.2017.172
https://www.nature.com/articles/nrmicro.2017.172
Lindner F, Diepold A. Optogenetics in bacteria – applications and opportunities. FEMS Microbiology Reviews. 2022;46(2):fuab055. doi:10.1093/femsre/fuab055
https://academic.oup.com/femsre/article/46/2/fuab055/6427354
Zhang X, Pang G, Sun T, et al. A red light-controlled probiotic bio-system for in-situ gut-brain axis regulation. Biomaterials. 2023;294:122005. doi:10.1016/j.biomaterials.2023.122005
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142961223000133
Zhang X, Feng Z, Li H, et al. Ingestible optoelectronic capsules enable bidirectional communication with engineered microbes for controllable therapeutic interventions. Nature Microbiology. 2025;10(8):1841–1853. doi:10.1038/s41564-025-02057-w
https://www.nature.com/articles/s41564-025-02057-w
Yin Y, Cheng X, Xie R, et al. Empowering bacteria with light: Optogenetically engineered bacteria for light-controlled disease theranostics and regulation. Journal of Controlled Release. 2025;383:113787. doi:10.1016/j.jconrel.2025.113787
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168365925004079
Li X, Wang X, Zhou T, et al. Minimally invasive upconversion optogenetics for Parkinson's disease treatment. Biomaterials. 2026;324:123509. doi:10.1016/j.biomaterials.2025.123509
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142961225004284
Walker KT, Li IS, Keane J, et al. Self-pigmenting textiles grown from cellulose-producing bacteria with engineered tyrosinase expression. Nature Biotechnology. 2025;43(3):345–354. doi:10.1038/s41587-024-02194-3
https://www.nature.com/articles/s41587-024-02194-3
Atamian HS, Creux NM, Brown RI, et al. Circadian regulation of sunflower heliotropism, floral orientation, and pollinator visits. Science. 2016;353(6299):587–590. doi:10.1126/science.aaf9793
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27493185/