Theo thông cáo báo chí của Tổ chức trao giải Nobel Quốc tế, cơ chế tự thực của tế bào (autophagy) là một khái niệm được phát kiến từ những năm 60 của thế kỷ trước khi các nhà nghiên cứu quan sát thấy các tế bào có thể tự tiêu hủy và hình thành một lớp màng bao bọc quanh nhân tế bào đã tự tiêu hủy đó.
Nhân tế bào này được bọc trong một lớp màng như một chiếc túi này sẽ được vận chuyển đến một "nhà máy tái chế" gọi là lysosome (còn gọi là tiêu thể).
Tuy nhiên, những khó khăn trong việc nghiên cứu đã khiến hiện tượng này không được biết đến nhiều cho đến tận đầu những năm 90 của thế kỷ trước sau khi nhà khoa học Nhật Bản Yoshinori Ohsumi tiến hành một loạt những thí nghiệm đem lại kết quả rất khả quan trong lĩnh vực này.
Trong đó, nổi bật là việc ông Ohsumi sử dụng tế bào bột nở để xác định các loại gene cần thiết cho cơ chế tự thực của tế bào. Nhờ nghiên cứu này, ông đã lý giải được các cơ chế tự thực của các tế bào trong bột nở và chứng minh được rằng, cơ chế tương tự nhưng có độ phức tạp hơn rất nhiều cũng tồn tại trong tế bào con người.
Khám phá của ông Ohsumi sau đó đã tạo ra một cách thức mới trong việc tìm hiểu về các tế bào "tái chế" lại như thế nào.
Khám phá của ông cũng mở đường cho việc hiểu rõ tầm quan trọng của cơ chế tự thực của tế bào trong rất nhiều tiến trình sinh lý học, bao gồm cơ chế thích nghi của tế bào khi bị "đói" hoặc đối phó với khả năng lây nhiễm bệnh tật.
Những đột biến trong các gene của tế bào tự thực có thể dẫn đến bệnh tật và quá trình tự thực của tế bào được cho là có liên quan đến một số loại bệnh lý như ung thư hay các bệnh về thần kinh.
Tiêu thể- chức năng cốt lõi của mọi tế bào sống
Từ giữa những năm 50 của thế kỷ trước, các nhà khoa học đã quan sát được một loại cơ quan tế bào chuyên biệt mới chứa các loại enzyme có thể tiêu hóa các loại protein, tinh bột và đạm. Cơ quan tế bào chuyên biệt này được gọi là lysosome (tiêu thể) có chức năng như một "nhà máy tái chế" các tế bào.
Nhà khoa học người Bỉ Christian de Duve đã được trao giải Nobel Y tế năm 1974 cho những khám phá của mình về lysosome dựa trên những quan sát trong những năm 60 của thế kỷ trước, trong đó một lượng lớn các nhân tế bào và thậm chí là toàn bộ các cơ quan tế bào có thể được tìm thấy bên trong các lysosome.
Chính vì thế, các tế bào này dường như đã hình thành một "chiến lược" để phân phối các nhân tế bào cỡ lớn đến lysosome. Các phân tích sinh hóa và quan sát qua ống kính hiển vi cũng đã hé lộ một dạng "túi vận chuyển" mới để đưa các tế bào đến lysosome.
Christian de Duve, người phát hiện ra lysosome, đã gọi cơ chế này là autophagy và những chiếc "túi vận chuyển" tế bào đó được gọi là autophagosome.
Trong suốt những năm 70 và 80 của thế kỷ trước, các nhà khoa học tập trung vào việc nghiên cứu một hệ thống mới được sử dụng để phân giải protein được gọi là "proteasome".
Các nhà khoa học Aaron Ciechanover, Avram Hershko và Irwin Rose đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2004 nhờ những khám phá về quá trình ubiquitin hỗ trợ phân giải protein.
Proteasome phân giải rất hiệu quả các loại protein, tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn không lý giải nổi làm thế nào proteasome có thể "tự lọc" các loại protein phức tạp và các cơ quan tế bào "đã quá cũ nát". Cơ chế tự thực của tế bào được kỳ vọng là sẽ đem đến lời giải cho câu hỏi này.
Phát minh đột phá
Từ lâu, nhà khoa học Nhật Bản Yoshinori Ohsumi đã rất tích cực nghiên cứu về vấn đề này, tuy nhiên, mãi cho đến năm 1988, khi ông tự mở được phòng thí nghiệm của riêng mình, ông mới có điều kiện tập trung nghiêp cứu cơ chế phân giải protein trong không bào- một cơ quan tế bào liên quan đến cơ chế tiêu bào trong tế bào của con người.
Ông Ohsumi sử dụng tế bào bột nở để nghiên cứu vì tế bào này rất dễ quan sát và từ lâu đã được dùng làm tiêu bản để nghiên cứu tế bào của con người. Tế bào bột nở còn đặc biệt hữu dụng trong việc phát hiện các loại gene quan trọng trong các phân tử phức tạp.
Tuy nhiên, ông Ohsumi cũng vấp phải một thách thức rất lớn trong quá trình nghiên cứu. Các tế bào bột nở có kích thước rất nhỏ và cấu trúc bên trong của chúng rất khó được phân tách rõ ràng dưới kính hiển vi. Chính vì thế, bản thân ông nhiều lúc cũng không thể chắc chắn được rằng liệu cơ chế tự thực của tế bào có diễn ra hay không.
Để giải quyết vấn đề này, ông Ohsumi cho rằng, nếu có thể làm gián đoạn quá trình tiêu bào trong không bào trong khi cơ chế tự thực vẫn đang diễn ra thì ông có thể thu được các "túi vận chuyển" autophagosomes trong không bào và khiến chúng hiển hiện rõ ràng dưới kính hiển vi.
Ông quyết định sử dụng một số tế bào bột nở không có enzyme tiêu bào trong không bào đồng thời kích hoạt cơ chế tự thực của tế bào bằng cách cho chúng "chết đói". Kết quả thật bất ngờ, chỉ trong vòng vài giờ, các không bào đều được lấp đầy bởi các "túi vận chuyển" có kích cỡ nhỏ chưa bị phân giải.
Các túi vận chuyển này chính là các autophagosome và thí nghiệm của ông Ohssumi cho thấy, cơ chế tự thực tồn tại trong các tế bào bột nở. Quan trọng hơn, giờ ông đã tìm ra phương pháp xác định và phân loại các gene quan trọng trong quá trình tự thực của tế bào. Đó là một phát kiến mang tính đột phá và ông Ohsumi đã công bố kết quả nghiên cứu của mình vào năm 1992.
Tìm ra gene liên quan đến cơ chế tự thực
Sau đó, ông tiếp tục nghiên cứu cơ chế tích tụ các autophagosome khi các tế bào bị bỏ đói. Quá trình tích tụ này sẽ không diễn ra nếu các gene quan trọng trong quá trình tự thực không được kích hoạt. Ông Ohsumi sau đó đưa tế bào này vào một loại hóa chất có tác dụng gây biến đổi gene một cách ngẫu nhiên và tiếp tục kích hoạt cơ chế tự thực.
"Chiến thuật" này của ông tiếp tục mang lại hiệu quả. Một năm sau khi phát hiện ra cơ chế tự thực của tế bào bột nở, ông Ohsumi đã có thể xác định được những gene quan trọng đầu tiên đảm trách quá trình tự thực của tế bào. Những nghiên cứu sau đó của ông Ohsumi cho thấy, các loại protein do những gene này mã hóa hoạt động đúng như ông đã mong đợi.
Kết quả cho thấy, cơ chế tự thực của tế bào được kiểm soát bởi một loạt các loại protein, mỗi loại chịu trách nhiệm về từng giai đoạn khác nhau trong việc hình thành các autophagosome.
Cơ hội chữa trị ung thư, Parkison và tiểu đường
Sau khi xác định được cơ chế tự thực của các tế bào bột nở, một câu hỏi quan trọng được đưa ra đó là, liệu có cơ chế nào tương ứng để kiểm soát cơ chế tự thực của tế bào con người? Câu trả lời là có, và cơ chế đó hoàn toàn tương đồng với cơ chế của tế bào bột nở.
Nhờ ông Ohsumi và những nghiên cứu tiếp theo của nhà khoa học Nhật Bản này, chúng ta đã biết được rằng, cơ chế tự thực của tế bào kiểm soát nhiều chức năng y học và sinh học quan trọng nơi các tế bào cần phải được phân giải và tái sử dụng.
Cơ chế tự thực của tế bào có thể nhanh chóng cung cấp năng lượng và hình thành các khối giúp các phân tử tế bào hồi sinh. Chính vì thế, cơ chế này rất quan trọng trong việc giúp tế bào phản ứng với việc bị "bỏ đói" và các dạng căng thẳng khác. Nếu bị lây nhiễm bệnh, cơ chế tự thực của tế bào sẽ giúp loại trừ các loại vi khuẩn và virus xâm nhập trái phép vào tế bào.
Ngoài ra, cơ chế tự thực của tế bào còn góp phần thúc đẩy và hình thành sự đa dạng của các loại tế bào. Các tế bào cũng tận dụng cơ chế tự thực để triệt tiêu các loại protein và cơ quan tế bào gây hại- một dạng "kiểm soát nghiêm ngặt chất lượng tế bào" rất cần thiết cho việc ngăn chặn tình trạng lão hóa của con người.
Việc cơ chế tự thực của tế bào bị gián đoạn được cho là nguyên nhân gây ra bệnh Parkinson, tiểu đường type 2 và nhiều loại rối loạn khác của người già. Ngoài ra, những rối loạn trong quá trình tự thực của tế bào có thể dẫn đến bệnh ung thư.
Các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các loại thuốc gây tác động đến cơ chế tự thực của tế bào để đối phó với rất nhiều loại bệnh tật khác nhau.
Dù được biết đến từ hơn 50 năm qua, tầm quan trọng của cơ chế tự thực của tế bào đối với sinh học và y học chỉ mới được phát hiện ra nhờ những nghiên cứu của ông Ohsumo và ông đã được trao giải Nobel Y học năm 2016./.