Hành trình 2 nhà khoa học bất ngờ đoạt giải Nobel Y học 2021

Một trong những bí ẩn lớn mà nhân loại phải đối mặt là câu hỏi làm thế nào chúng ta cảm nhận được môi trường của mình. Bởi vốn dĩ các cơ chế bên trong các giác quan của chúng ta đã khơi dậy sự tò mò của chúng ta trong hàng ngàn năm, chẳng hạn cách ánh sáng được mắt phát hiện, cách sóng âm ảnh hưởng đến tai trong của chúng ta, và cách các hợp chất hóa học khác nhau tương tác với các thụ thể trong mũi và miệng tạo ra mùi và vị.

Chúng ta cũng có những cách khác để nhận thức thế giới xung quanh. Hãy tưởng tượng bạn đang đi chân trần trên bãi cỏ vào một ngày hè nóng nực. Bạn có thể cảm nhận được sức nóng của mặt trời, sự mát lạnh mà làn gió mang lại hay từ những ngọn cỏ bên dưới chân bạn. Những ấn tượng về nhiệt độ, xúc giác và chuyển động này rất cần thiết cho sự thích nghi của chúng ta với môi trường xung quanh vốn dĩ luôn thay đổi theo thời gian.

Vào thế kỷ 17, nhà triết học René Descartes đã hình dung ra những sợi thần kinh kết nối các bộ phận khác nhau của da với não. Bằng cách này, một bàn chân trần chạm vào ngọn lửa trần sẽ gửi một tín hiệu cơ học đến não.

Các khám phá sau đó đã tiết lộ sự tồn tại của các tế bào thần kinh cảm giác chuyên biệt ghi lại những thay đổi trong môi trường của chúng ta. Joseph Erlanger và Herbert Gasser được nhận giải Nobel Sinh lý học & Y học năm 1944 vì đã khám phá ra các loại sợi thần kinh cảm giác khác nhau phản ứng với các kích thích khác nhau, ví dụ như phản ứng với sự đụng chạm đau đớn và không đau đớn.

Kể từ đó, người ta đã chứng minh được rằng các tế bào thần kinh có khả năng chuyên biệt cao để phát hiện và chuyển tải các loại kích thích khác nhau, cho phép nhận thức rõ về môi trường xung quanh chúng ta; ví dụ khả năng của chúng ta để cảm nhận sự khác biệt về kết cấu của bề mặt thông qua đầu ngón tay của chúng ta khi sờ vào.

Trước khám phá của David Julius và Ardem Patapoutian, hiểu biết của chúng ta về cách hệ thần kinh cảm nhận và giải thích môi trường của chúng ta vẫn còn chứa một câu hỏi cơ bản chưa được giải đáp: Đó là nhiệt độ và các kích thích cơ học được chuyển thành tín hiệu nhận diện trong hệ thần kinh như thế nào?

Bởi khả năng cảm nhận nhiệt, lạnh và xúc giác của chúng ta là điều cần thiết để tồn tại và làm nền tảng cho sự tương tác của chúng ta với thế giới xung quanh. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta coi những cảm giác này là đương nhiên, nhưng làm thế nào các xung thần kinh bắt đầu để có thể cảm nhận được nhiệt độ và áp suất? Câu hỏi này giờ đây đã được giải mã bởi những người đoạt giải Nobel năm nay.

Cụ thể, vào ngày 4/10, Giải Nobel Y học đã xướng tên 2 nhà khoa học người Mỹ David Julius (65 tuổi) và Ardem Patapoutian (53 tuổi) vì công trình nghiên cứu đột phá, đầy giá trị tiềm năng có liên quan đến cơ chế cảm nhận nhiệt độ và áp suất thông qua xung thần kinh.

"Khả năng cảm nhận nóng, lạnh và hệ thống xúc giác đóng vai trò quan trọng đối với khả năng sinh tồn của con người. Đây là nền tảng cho tương tác giữa chúng ta với thế giới xung quanh" - Đại diện Hội đồng Nobel tại Viện Karolinska (Thụy Điển) nhận định.

Hội đồng cũng đánh giá công trình của 2 nhà khoa học người Mỹ David Julius và Ardem Patapoutian giúp đã đặt nền móng cho các nghiên cứu sâu rộng, giúp con người gia tăng hiểu biết một cách nhanh chóng về cơ chế cảm nhận nóng, lạnh cũng như các kích thích cơ học. Trong đó, những phát hiện của ông Julius và Patapoutian đang được sử dụng để phát triển phương pháp điều trị cho hàng loạt tình trạng bệnh, trong đó có đau mãn tính.

Hội đồng Nobel còn cho biết, vào cuối những năm 1990, David Julius tại Đại học California, San Francisco, Mỹ đã nhìn thấy khả năng đạt được những tiến bộ lớn, bằng cách phân tích cách hợp chất hóa học capsaicin gây ra cảm giác nóng rát mà chúng ta cảm nhận khi tiếp xúc với ớt. Capsaicin đã được biết đến là chất kích hoạt các tế bào thần kinh gây ra cảm giác đau, nhưng làm thế nào cơ chế trên xảy ra vẫn là một câu hỏi chưa được giải đáp. Julius và các đồng nghiệp đã tạo ra một thư viện gồm hàng triệu đoạn DNA tương ứng với các gen được biểu hiện trong các tế bào thần kinh cảm giác có thể phản ứng với đau, nóng hay khi cho chạm vào.

Julius và các đồng nghiệp đưa ra giả thuyết rằng một đoạn DNA mã hóa protein có khả năng phản ứng với capsaicin.

Sau một cuộc tìm kiếm vất vả, nhóm đã xác định được một gen duy nhất có thể làm cho các tế bào nhạy cảm với capsaicin được đặt tên là TRPV1. Việc phát hiện ra TRPV1 là một bước đột phá lớn dẫn đường cho việc khám phá xác định cảm biến trong các đầu dây thần kinh của da phản ứng với nhiệt.

Còn Ardem Patapoutian làm việc tại Scripps Research ở La Jolla, California, Hoa Kỳ mong muốn xác định các thụ thể khó nắm bắt được kích hoạt bởi các kích thích cơ học.

Patapoutian và các cộng sự của ông lần đầu tiên xác định một dòng tế bào phát ra tín hiệu điện có thể đo được khi các tế bào riêng lẻ được chọc bằng thiết bị áp suất micropipette. Sau đó, 72 gen ứng cử viên mã hóa các thụ thể đã được xác định.

Các gen này lần lượt bị bất hoạt để phát hiện ra thụ thể nào trong gen chịu trách nhiệm về tính nhạy cảm cơ học sau khi cho va chạm. Sau một cuộc tìm kiếm gian khổ, Patapoutian và các đồng nghiệp của ông đã thành công trong việc xác định một gen duy nhất chi phối phản ứng với các kích thích cơ học trong da và nội tạng. Gen này được đặt tên là Piezo1, theo từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là áp suất (í; píesi). Thông qua sự tương đồng với Piezo1, một gen thứ hai tương tự đã được phát hiện và được đặt tên là Piezo2.

Theo Thư ký Hội đồng Nobel Thomas Perlmann, những phát hiện nêu trên giúp "vén màn một trong những bí mật của tự nhiên thông qua việc giải thích ở cấp độ phân tử cách gen phản ứng nhiệt độ và những kích thích cơ học được chuyển đổi thành tín hiệu thần kinh".