Khám phá về nhiệt độ và xúc giác giành giải Nobel Y Sinh 2021

Chiều 4/10, Ủy ban Nobel công bố giải Nobel Y Sinh 2021 thuộc về hai nhà khoa học người Mỹ David Julius và Ardem Patapoutian nhờ công trình khám phá về nhiệt độ và xúc giác.

Thông báo được hội đồng chuyên gia của giải Nobel đưa ra tại Viện Karolinska ở Stockholm. Hai nhà khoa học giành giải thưởng vì "những phát hiện quan trọng liên quan tới cơ chế thụ cảm nhiệt độ và xúc giác". Công trình của họ làm sáng tỏ cách giảm đau mạn tính và cấp tính liên quan đến một số bệnh tật, chấn thương và phương pháp điều trị.

"Khả năng cảm nhận nóng, lạnh và xúc giác của chúng ta đều rất cần thiết cho sự sống, làm nền tảng cho tương tác đối với thế giới. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta coi cảm giác là điều đương nhiên, nhưng làm thế nào để biết các xung thần kinh phản ứng ra sao với nhiệt độ và áp suất", Ủy ban Nobel đề cập trong thông cáo báo chí.

Hai nhà khoa học Julius và Patapoutian đã giúp giải đáp câu hỏi này. Họ có những phát hiện đột phá và bắt đầu nhiều nghiên cứu chuyên sâu, từ đó tìm hiểu về cách hệ thần kinh cảm nhận các kích thích nóng lạnh và cơ học.

Julius và Patapoutian bổ sung kiến thức còn thiếu của nhân loại về tác động phức tạp giữa giác quan và môi trường. Cụ thể, Julius sử dụng capsaicin, một hợp chất cay từ ớt, gây cảm giác nóng để xác định cách đầu dây thần kinh của da phản ứng với nhiệt. Cộng sự của ông là Patapoutian dùng tế bào nhạy cảm với áp suất để khám phá ra một phản ứng khác với kích thích cơ học trên da và cơ quan nội tạng.

Ủy ban Nobel cho biết hai nhà khoa học giúp trả lời một trong những câu hỏi sâu sắc nhất về cơ thể người: "Làm sao chúng ta cảm nhận được môi trường xung quanh?". "Các cơ chế bên trong giác quan đã khơi dậy sự tò mò của chúng ta hàng nghìn năm, chẳng hạn mắt phát hiện ánh sáng thế nào, cách sóng âm ảnh hưởng đến tai, hợp chất khác nhau tương tác với thụ thể (phân tử protein) trong mũi và miệng tạo ra mùi vị ra sao", Ủy ban Nobel viết.

Vào thế kỷ 17, triết gia René Descartes sử dụng hình ảnh sợi chỉ để mô tả sự kết nối của các bộ phận với não bộ. Bằng cách này, khi chân người tiếp xúc với lửa, tín hiệu được gửi đến não. Nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng các tế bào thần kinh cảm giác ghi lại những thay đổi trong môi trường sống. Năm 1944, hai nhà khoa học Joseph Erlanger và Herbert Gasser nhận giải Nobel Y Sinh vì khám phá ra các loại sợi thần kinh cảm giác khác nhau, phản ứng với các kích thích khác nhau. Song một câu hỏi còn bỏ ngỏ, đó là "nhiệt độ và kích thích cơ học được chuyển thành xung thần kinh thế nào?".

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 gene 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 gene 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 gene duy nhất đem lại cảm giác cay cho chúng ta khi tiếp xúc với capsaicin. Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy gene 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 gene 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 gene có thể mã hóa các thụ thể đó.

Ngược lại với hướng đi của Julius là cấy từng gene vào tế bào mới, Patapoutian chọn cách làm bất hoạt từng gene một để xem gene 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 gene 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 gene 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 mãn tính.

Diễn ra giữa dịch Covid-19, Nobel 2021 được điều chỉnh để phù hợp với tình hình thực tế. Năm ngoái, một số sự kiện bị hủy bỏ, buổi lễ được tổ chức trực tuyến. Lễ trao giải năm nay kết hợp cả hai hình thức online và trực tiếp.

Các ứng viên sáng giá cho giải Nobel Y Sinh năm nay thuộc nhiều lĩnh vực, trong đó nổi bật là nghiên cứu về RNA thông tin (mRNA) - tiền đề cho vaccine Covid-19; tế bào bạch cầu lympho B và T, cần thiết cho hệ thống miễn dịch của con người; và công trình xác định genee nguy cơ gây ung thư, mở đường cho các phương pháp điều trị tiềm năng.

Người đoạt giải được trao chứng nhận Nobel, huân chương Nobel và tiền thưởng, vào tháng 12 tới. Tổng tiền thưởng năm ngoái lên tới 10 triệu krona Thụy Điển, tương đương khoảng 1,1 triệu USD.

Năm 2020, Ủy ban Nobel xướng tên ba nhà khoa học người Mỹ và Anh là Harvey Alter, Michael Houghton, Charles Rice, do thành tựu phát hiện virus viêm gan C, góp phần cứu sống hàng triệu người.

Cả ba được vinh danh vì "đóng góp mang tính quyết định trong cuộc chiến chống lại bệnh lây truyền qua đường máu, một vấn đề sức khỏe toàn cầu gây ra xơ gan và ung thư gan giai đoạn cuối", theo Ủy ban Nobel.

Hai nhà khoa học đạt giải Nobel Y Sinh 2021.
Hai nhà khoa học đạt giải Nobel Y Sinh 2021.

Từ năm 1901 đến nay, Ủy ban đã trao tổng cộng 111 giải Nobel Y Sinh. Người trẻ nhất từng đoạt giải là nhà khoa học Frederick G. Banting. Ông được vinh danh năm 1923, khi mới 32 tuổi vì đã khám phá ra insulin. Người cao tuổi nhất là Peyton Rous cho công trình phát hiện virus gây khối u. Ông được xướng tên năm 1966, ở tuổi 87.

Năm 2019, Ủy ban Nobel yêu cầu đa dạng hóa các ứng viên theo giới tính, vị trí địa lý và lĩnh vực. Trong số hơn 100 giải Nobel Y Sinh, có 12 nhà khoa học nữ.

Năm ngoái, hai nhà khoa học nữ Emmanuelle Charpentier và Jennifer A. Doudna đã đoạt giải Nobel Hóa học nhờ phát triển phương pháp CRISPR nhằm chỉnh sửa bộ genee. Nhà khoa học Andrea Ghez đoạt giải Nobel Vật lý cho công trình của mình.

Hiện không thiếu nhà khoa học nữ đạt các giải thưởng tiềm năng. Tuy nhiên, sự đa dạng về địa lý còn chưa rõ ràng. Hầu hết người chiến thắng Nobel đến từ các tổ chức ở Mỹ và châu Âu, dù theo phân tích của ông David Pendlebury, chuyên gia của Clarivate Analytics, khu vực châu Á có nhiều nghiên cứu được trích dẫn hơn.

Cập nhật: 09/10/2021 Theo VnExpress