Viết bởi | Fanpu
Vào lúc 11:30 sáng giờ địa phương ngày 4 tháng 10 năm 2021 tại Thụy Điển (17:30 chiều giờ Bắc Kinh ngày 4 tháng 10), Ủy ban Giải Nobel đã công bố Giải thưởng Sinh lý học hoặc Y khoa năm 2021 sẽ được trao cho nhà sinh lý học người Mỹ David Julies và nhà khoa học thần kinh người Mỹ gốc Armenia Ardem Patapoutian để ghi nhận khám phá của họ về thụ thể cảm nhận nhiệt độ và xúc giác.
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta coi những cảm giác nóng, lạnh và xúc giác là điều hiển nhiên. Nhưng những hiện tượng này, vốn rất quan trọng đối với sự sống còn của con người, lại không có lời giải thích khoa học nào. Hệ thần kinh cảm nhận và diễn giải môi trường xung quanh như thế nào? Nhiệt độ và kích thích cơ học được chuyển đổi thành xung điện trong hệ thần kinh như thế nào? Xung thần kinh được khởi phát như thế nào để cảm nhận nhiệt độ và áp suất? Những người đoạt giải Nobel năm nay là David Julies và Ardem Patapoutian đã đưa ra câu trả lời cho những câu hỏi cơ bản này.
David Julies đã sử dụng capsaicin để xác định các cảm biến ở đầu dây thần kinh của da phản ứng với nhiệt. Ardem Patapoutian đã sử dụng các tế bào nhạy cảm với áp suất để khám phá ra một loại thụ thể mới có khả năng phản ứng với các kích thích cơ học ở da và các cơ quan nội tạng. Những khám phá mang tính đột phá này đã mở ra nhiều nghiên cứu mới giúp chúng ta nhanh chóng hiểu rõ hơn về cách hệ thần kinh cảm nhận nhiệt, lạnh và kích thích cơ học. Hai người đoạt giải đã xác định được một mắt xích quan trọng còn thiếu trong việc hiểu được sự tương tác phức tạp giữa các giác quan của chúng ta và môi trường.
Xác định thụ thể nhiệt độ bằng capsaicin
Từ cuối những năm 1990, người ta đã biết rằng capsaicin có thể kích hoạt các tế bào thần kinh và gây ra cảm giác đau, nhưng chính xác thì chất hóa học này có tác dụng như thế nào? David Julies nhìn thấy hy vọng trong việc giải quyết một câu đố quan trọng. Ông đã lãnh đạo một nhóm tạo ra cơ sở dữ liệu gồm hàng triệu đoạn DNA tương ứng với các gen biểu hiện trong tế bào thần kinh cảm giác phản ứng với cơn đau, nhiệt và xúc giác. Họ nghĩ rằng thư viện sẽ chứa một đoạn DNA mã hóa một loại protein phản ứng với capsaicin.
Họ biểu hiện các gen riêng lẻ từ thư viện trong các tế bào nuôi cấy thường không phản ứng với capsaicin. Sau quá trình tìm kiếm tỉ mỉ, người ta đã xác định được một gen duy nhất có thể khiến tế bào nhạy cảm với capsaicin - gen cảm nhận capsaicin đã được tìm thấy! Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy gen này mã hóa một protein kênh ion mới. Thụ thể capsaicin mới được phát hiện sau đó được đặt tên là TRPV1. Julies nhận ra rằng anh đã tìm thấy một thụ thể cảm biến nhiệt được kích hoạt khi nhiệt độ tăng đến mức gây đau đớn.
Bây giờ chúng ta đã hiểu cách nhiệt độ khác nhau gây ra tín hiệu điện trong hệ thần kinh.
Việc phát hiện ra TRPV1 là một bước đột phá lớn, mở đường cho việc phát hiện ra các thụ thể nhạy cảm với nhiệt độ khác. David Julius và Ardem Patapoutian đã độc lập sử dụng menthol để xác định TRPM8, một thụ thể được kích hoạt bởi nhiệt độ lạnh. Các kênh ion bổ sung liên quan đến TRPV1 và TRPM8 đã được phát hiện và được xác định là được kích hoạt ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau.
Áp suất thực tế
Về cách chúng ta cảm nhận "áp lực", các nhà nghiên cứu chưa tìm thấy cơ chế thần kinh ở động vật có xương sống, nhưng đã phát hiện ra các thụ thể cơ học ở vi khuẩn. Ardem Patapoutian của Viện nghiên cứu Scripps đã đóng góp vào nghiên cứu này. Ông và các cộng sự lần đầu tiên xác định được dòng tế bào phát ra tín hiệu điện khi các tế bào bị kim siêu nhỏ đâm vào. Vì họ suy đoán rằng thụ thể được kích thích bởi lực cơ học bên ngoài là một kênh ion, nên họ đã sàng lọc 72 gen ứng cử viên mã hóa thụ thể. Tương tự như vậy, sau rất nhiều nỗ lực, Ardem Patapoutian cuối cùng đã xác định được một gen duy nhất có khả năng khiến tế bào không nhạy cảm với vết chích của kim siêu nhỏ khi bị vô hiệu hóa.
Bằng cách nuôi cấy các tế bào nhạy cảm với áp suất cơ học, một kênh ion mới có thể được kích hoạt bằng lực cơ học đã được phát hiện và đặt tên là Piezo1. "Piezo" có nghĩa là "áp suất" trong tiếng Hy Lạp. Sau đó, họ phát hiện ra một gen khác được biểu hiện ở mức độ cao trong các tế bào thần kinh cảm giác, đó là Piezo2. Họ xác định rằng đây cũng là một kênh ion có thể được kích hoạt bằng áp lực lên bề mặt màng tế bào. Các nghiên cứu sau đó đã phát hiện ra rằng Piezo2 cũng rất quan trọng trong việc cảm nhận tư thế và chuyển động của cơ thể. Piezo1 và Piezo2 cũng đã được chứng minh là đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh lý, bao gồm huyết áp, hô hấp và kiểm soát bàng quang.
Trong thông cáo báo chí chính thức về Giải Nobel, họ đã sử dụng câu “Tất cả đều có lý!” để mô tả công trình của David Julies và Ardem Patapoutian. Những khám phá mang tính đột phá của họ về các kênh TRPV1, TRPM8 và Piezo đã giúp chúng ta hiểu được cách các lực nóng, lạnh và cơ học khởi phát xung thần kinh, cho phép chúng ta cảm nhận và thích nghi với thế giới xung quanh. Lượng lớn nghiên cứu xuất hiện từ những khám phá của hai nhà khoa học này tập trung vào việc làm sáng tỏ chức năng của các kênh ion này trong nhiều quá trình sinh lý khác nhau, giúp chúng ta phát triển phương pháp điều trị nhiều loại bệnh, bao gồm cả chứng đau mãn tính.
David Julius là nhà sinh lý học người Mỹ và là giáo sư tại Đại học California, San Francisco.
Julius sinh năm 1955. Ông tốt nghiệp MIT năm 1977, nhận bằng Tiến sĩ. từ Đại học California, Berkeley năm 1984 và hoàn thành chương trình sau tiến sĩ tại Đại học Columbia năm 1989.
Julius đã được trao Giải thưởng khoa học thần kinh Perl-UNC đầu tiên vào năm 2000 và Giải thưởng Shaw năm 2010. Giải thưởng đột phá năm 2020 về khoa học sự sống, Giải thưởng Kavli năm 2020 về khoa học thần kinh (cùng với Ardem Patapoutian).
Ardem Patapoutian là một nhà sinh học phân tử và nhà khoa học thần kinh người Mỹ gốc Armenia.
Patapoutian sinh ra tại Beirut, Lebanon vào năm 1967 và di cư đến Hoa Kỳ vào năm 1986. Ông nhận bằng cử nhân về sinh học tế bào và phát triển từ Đại học California, Los Angeles vào năm 1990 và bằng tiến sĩ về sinh học từ Viện Công nghệ California vào năm 1996. Trong quá trình nghiên cứu sau tiến sĩ, ông đã làm việc với Louis F. Reichardt tại Đại học California, San Francisco. Năm 2000, Patapoutian trở thành trợ lý giáo sư tại Viện nghiên cứu Scripps và là nhà nghiên cứu tại Viện Y khoa Howard Hughes (HHMI) từ năm 2014.
Patapoutian được bầu làm Viện sĩ của Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ năm 2016, Viện sĩ của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia năm 2017 và Viện sĩ của Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Hoa Kỳ năm 2020. Ngoài ra, Patapoutian còn nhận được Giải thưởng W. Alden Spencer năm 2017, Giải thưởng Rosenstiel năm 2019, Giải thưởng Kavli về khoa học thần kinh năm 2020 và Giải thưởng Biên giới kiến thức về sinh học/y sinh học của Quỹ BBVA.
