Cách đây ít phút tại Viện Karolinska Stockholm Thụy Điển, giải thưởng đầu tiên của mùa Nobel 2021 trong lĩnh vực Sinh lý học và Y khoa đã được trao cho hai nhà khoa học David Julius và Ardem Patapoutian. Họ là những người có công khám phá ra các thụ thể cảm ứng với nhiệt độ và xúc giác trên cơ thể chúng ta.
Những công trình nghiên cứu của Julius và Patapoutian đã đóng góp nhiều hiểu biết quan trọng vào kho kiến thức của nhân loại, về cách mà các giác quan của chúng ta cảm nhận được mọi thứ trong thế giới xung quanh mình.
David Julius là một nhà sinh lý học người Mỹ sinh năm 1955 tại New York. Ông nhận bằng Tiến sĩ năm 1984 tại Đại học California, Berkeley và làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Columbia. David Julius được tuyển vào Đại học California, San Francisco năm 1989 và công tác tại đây cho tới tận bây giờ dưới cương vị là một giáo sư.
Ardem Patapoutian sinh năm 1967 tại Beirut, thuộc đất nước Trung Đông Lebanon. Trong thời kỳ đất nước mình gặp chiến tranh, ông đã chuyển sang Mỹ sinh sống tại Los Angeles. Năm 1996, Patapoutian nhận bằng Tiến sĩ tại Viện Công nghệ California và tiếp tục chương trình nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học California.
Từ năm 2000 tới nay, ông công tác tại Trung tâm Nghiên cứu Scripps Research với vai trò là một giáo sư sinh học phân tử và khoa học thần kinh.
Tại sao chúng ta cảm nhận được nhiệt độ bên ngoài môi trường?
Nói về các khám phá đoạt giải Nobel Y học năm nay, chúng ta biết khả năng cảm nhận nhiệt độ và xúc giác là điều tối cần thiết cho một sinh vật tương tác với thế giới bên ngoài để sinh tồn. Hãy thử tưởng tượng bạn không biết tự rụt tay lại khi chạm vào ngọn lửa hay một đồ vật cực kỳ sắc nhọn. Hay tổ tiên của chúng ta không biết may các bộ quần áo ấm từ da thú để mặc vào mùa đông, khi nhiệt độ bên ngoài lạnh tới mức đóng băng.
Những điều tưởng chừng hết sức bình thường này hóa ra lại cực kỳ phức tạp dưới con mắt của các nhà khoa học. Họ muốn biết cơ chế chính xác của quá trình này đã xảy ra như thế nào? Điều gì đã đem lại cho hệ thần kinh của chúng ta khả năng cảm nhận nhiệt độ và áp suất, ngay từ các tế bào trên da?
Câu hỏi thú vị và quan trọng này đã được giải đáp bởi hai nhà khoa học đoạt giải Nobel Y học năm nay: David Julius và Ardem Patapoutian.
Vào cuối những năm 1990, David Julius khi đó đang nghiên cứu capsaicin, một hợp chất tạo ra vị cay của ớt, khiến lưỡi bạn trở nên bỏng rát mỗi khi chạm vào. Capsaicin đã được biết đến là chất kích hoạt các tế bào thần kinh gây ra cảm giác đau, nhưng làm thế nào chất hóa học này thực sự kích hoạt cảm giác đau vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải.
Trong nghiên cứu ban đầu của mình, Julius và các đồng nghiệp đã quan sát các tế bào thần kinh cảm giác khi chúng được kích hoạt bởi cảm giác đau, nóng hoặc xúc giác của chúng ta. Ông lọc ra các gen được biểu hiện tương ứng với chúng, rồi lập ra một thư viện gồm hàng triệu DNA trong số này.
Giả thuyết của Julius là nếu có một DNA mã hóa protein có khả năng gây ra phản ứng với capsaicin, nó hẳn phải nằm trong bộ sưu tập khổng lồ này. Và để tìm ra nó, ông sẽ cấy từng đoạn DNA này vào các tế bào trước đây không phản ứng với capsaicin. Nếu gen nào kích hoạt được phản ứng, đó chính là mục tiêu cần tìm kiếm.
Sau quá trình thử nghiệm hết sức tỷ mẩn này, Julius cuối cùng cũng xác định được một gen duy nhất đem lại cảm giác cay cho chúng ta khi tiếp xúc với capsaicin. Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy gen này mã hóa một protein kênh ion mới, nó được đặt tên là TRPV1, từ đây được gọi là thụ thể capsaicin.
Việc phát hiện ra TRPV1 đã trở thành một bước đột phá lớn, dẫn đường cho Julius khám phá ra các thụ thể cảm nhận nhiệt độ và cảm giác đau sau này. Làm việc độc lập, David Julius và Ardem Patapoutian sau đó đã xác định được thêm TRPM8, một thụ thể được kích hoạt khi chúng ta cảm thấy lạnh.
Với hai thụ thể TRPV1 và TRPM8, các nhà khoa học đã giải thích được tại sao con người và cả các sinh vật khác cảm nhận được một dải nhiệt độ từ lạnh đến nóng và tạo ra các phản ứng sinh tồn sau đó. Chẳng hạn khi TRPV1 biểu hiện mạnh hơn TRPM8, chúng ta sẽ thấy nóng và ngược lại.
Nhiều phòng thí nghiệm đã theo đuổi các nghiên cứu trên hai thụ thể này, ví dụ như họ đã biến đổi gen chuột để chúng không có cảm giác về nhiệt độ. Kết quả rõ ràng, những con chuột này đã mất đi một khả năng sinh tồn quan trọng.
Đâu là nơi khởi nguồn cho mọi xúc giác trên cơ thể chúng ta?
Trong khi các cơ chế tạo ra cảm giác nhiệt đã được giải thích, vẫn còn một câu hỏi quan trọng về cách xúc giác của chúng ta hoạt động như thế nào? Chẳng hạn như khi một đầu kim tiêm chọc vào da, hay đơn giản lúc bạn nắm bàn tay mình lại thành nắm đấm, chúng ta đều có thể cảm thấy một áp lực cơ học trên da mình.
Các nhà nghiên cứu trước đây đã tìm thấy vi khuẩn cũng có khả năng cảm ứng cơ học, nhưng cơ chế cảm ứng cơ bản ở động vật có xương sống thì vẫn chưa được khám phá. Ardem Patapoutian khi đang làm việc tại Viện nghiên cứu Scripps Research ở La Jolla, California, đã đặt mục tiêu xác định cơ chế khó nắm bắt này.
Trong một bước tiến đột phá, ông và các cộng sự của mình đã tìm ra một dòng tế bào phát tín hiệu điện mỗi khi có áp lực đặt lên chúng. Họ giả định rằng thụ thể được kích hoạt bởi lực cơ học là một kênh ion. Nên trong bước tiếp theo, Patapoutian đã thống kê tất cả 72 gen có thể mã hóa các thụ thể đó.
Ngược lại với hướng đi của Julius là cấy từng gen vào tế bào mới, Patapoutian chọn cách làm bất hoạt từng gen một để xem gen nào thực sự chịu trách nhiệm cho khả năng cảm nhận áp lực cơ học của tế bào.
Công việc vất vả không kém nhưng cuối cùng Patapoutian và các đồng nghiệp đã xác định thành công một gen duy nhất làm được việc đó, kích hoạt một kênh ion cảm ứng cơ học mới và hoàn toàn chưa được biết đến. Các nhà khoa học đặt tên nó là Piezo1, theo từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là áp suất (í; píesi).
Chưa dừng lại ở đó, một gen thứ hai đã được phát hiện là Piezo2, cũng biểu hiện mạnh khi các tế bào thần kinh cảm giác của chúng ta được kích hoạt. Các nghiên cứu sâu hơn đã khẳng định chắc chắn rằng Piezo1 và Piezo2 là các kênh ion được kích hoạt trực tiếp khi có áp lực đặt lên màng tế bào.
Cuối cùng, bước đột phá của Patapoutian đã dẫn đến một loạt bài báo của ông và các nhà khoa học khác chứng minh kênh ion Piezo2 là thụ thể chủ đạo đóng góp vào khả năng cảm nhận xúc giác của con người.
Hơn nữa, Piezo2 cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cảm nhận vị trí và chuyển động của cơ thể, được gọi là proprioception, hay giác quan thứ 6 của chúng ta. Các nghiên cứu tiếp theo về Piezo1 và Piezo2 còn cho thấy chúng tham gia vào quá trình điều chỉnh các cơ chế sinh lý quan trọng trong cơ thể bao gồm huyết áp, hô hấp và kiểm soát tiết niệu ở bàng quang.
Phát hiện mang tính đột phá về kênh TRPV1, TRPM8 và Piezo của hai nhà khoa học đoạt giải Nobel năm nay đã cho phép chúng ta hiểu được cách thức nhiệt độ và lực cơ học kích hoạt xung thần kinh, từ đó cho phép chúng ta nhận thức và thích nghi được với thế giới bên ngoài.
Những kiến thức này đang được ứng dụng một cách sâu rộng vào lĩnh vực y tế, cho phép các bác sĩ điều trị nhiều căn bệnh, bao gồm cảm giác đau mạn tính.
Tham khảo Nobel