Từ con tảo xanh đến giải Nobel Y Sinh Học

Con tảo xanh và ‘công tắc ánh sáng’ 

Câu chuyện bắt đầu từ một con tảo xanh rất nhỏ tên là Chlamydomonas. Nó không có mắt, không có não, nhưng lại biết bơi về phía ánh sáng. Làm sao nó có được chức năng này? 

Các nhà khoa học phát hiện trên màng tế bào của nó có một protein đặc biệt gọi là channelrhodopsin (channel-rhodo-spin). Có thể hình dung protein này như một cánh cửa nhỏ xíu: ánh sáng chiếu vào thì cửa mở, ion đi qua, và tế bào tạo ra tín hiệu điện.

Sau đó, các nhà khoa học nảy ra một ý rất hay: nếu đưa gene tạo ra “cánh cửa ánh sáng” đó vào neuron thì sao? 

Họ làm được. Khi chiếu ánh sáng thích hợp vào những neuron mang channelrhodopsin, người ta có thể làm chúng hoạt động hoặc thay đổi hoạt động. Nói nôm na, họ đã tạo ra một công tắc ánh sáng cho tế bào thần kinh. 

Hai người có công trong bước này là GS Peter Hegemann và GS Georg Nagel. Họ khám phá các channelrhodopsin. 

Khoa học mới: Optogenetics (tạm dịch là "quang di truyền học")

Có thể hình dung bộ não như một thành phố khổng lồ về đêm. Trong thành phố đó có hàng triệu căn nhà, đường phố, trạm điện và vô số dây điện nối với nhau. Nhìn từ trên cao, chúng ta có thể thấy khu vực nào đang sáng. Nhưng chỉ nhìn ánh sáng thôi thì chưa biết dây điện nào nối với căn nhà nào, công tắc nào điều khiển ngọn đèn nào, hay chỗ nào đang làm cả khu phố mất điện.

Trước đây, nghiên cứu não phần nào giống như đứng từ trên cao quan sát thành phố đó. Chúng ta thấy một vùng não hoạt động khi người ta sợ hãi, vận động hay ghi nhớ, nhưng chưa chắc biết nhóm tế bào nào thật sự gây ra hiện tượng đó.

Optogenetics là câu trả lời. Optogenetics cho phép nhà khoa học có thể đánh dấu một “đường dây” cụ thể, rồi dùng ánh sáng bật nó lên hoặc tắt nó đi. Nếu bật đường dây đó mà một hành vi xuất hiện, rồi tắt nó mà hành vi biến mất, chúng ta có bằng chứng mạnh hơn rằng mạch thần kinh đó thật sự có vai trò nguyên nhân. 

Điều này rất quan trọng vì nhiều bệnh thần kinh không đơn giản là cả “thành phố” bị mất điện. Có khi chỉ một số đường dây hoạt động quá mạnh, quá yếu, hoặc truyền tín hiệu sai thời điểm. Điều đó có thể xảy ra trong Parkinson, động kinh, nghiện và một số rối loạn tâm thần.

Vì vậy, optogenetics trước hết giúp chúng ta tìm đúng đường dây bị trục trặc trong bộ não. 

Do đó, Quang di truyền học được định nghĩa là "phương pháp dùng kĩ thuật di truyền làm cho một nhóm tế bào trở nên nhạy với ánh sáng, rồi dùng ánh sáng để kích hoạt hoặc ức chế hoạt động của các tế bào đó." 

Người đóng vai trò quan trọng trong phương pháp optogenetics là Giáo sư Deisseroth. Ông có hơn 150,000 trích dẫn và chỉ số H 190! 

Tương lai

Điều quan trọng là ánh sáng tự nó không phải thuốc chữa bệnh. Các tế bào phải được làm cho nhạy với ánh sáng trước. Do đó, chuyện này hoàn toàn khác với những người bị sợ ánh sáng hay không chịu được ánh sáng. 

Cần nói rõ rằng Quang di truyền học / optogenetics hiện nay chưa phải là một phương pháp điều trị thường qui trong lâm sàng. Phần lớn ứng dụng vẫn là nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và trên động vật. Một vài nghiên cứu ở người, đặc biệt trong bệnh thoái hoá võng mạc gây mù, đang thử nghiệm khả năng làm các tế bào còn sống trở nên nhạy với ánh sáng. Nhưng đó vẫn là nghiên cứu thử nghiệm.

Ánh sáng tự nó không phải là thuốc. Trước hết, tế bào phải được làm cho mang protein nhạy sáng. Vì vậy, optogenetics hoàn toàn khác với chuyện một bệnh nhân sợ ánh sáng, không chịu được ánh sáng, hay với những phương pháp “chiếu đèn” thông thường.

Điều tôi thích ở câu chuyện Nobel năm nay là nó bắt đầu từ một câu hỏi rất nhỏ: tại sao một con tảo biết nơi nào có ánh sáng? Và từ câu hỏi này, con người đã tìm được một cách mới để lần theo những “đường dây điện” phức tạp của bộ não.

____

[1] GS Hegemann và GS Nagel tìm ra “công tắc ánh sáng” của tế bào, còn GS Deisseroth đưa công tắc ấy vào neuron để tạo nên phương pháp quang di truyền học (optogenetics). Tiểu sử của ba khôi nguyên Nobel Y Sinh học 2026 là như sau: 

Peter Hegemann, sanh năm 1954 tại Đức, xuất thân từ hoá học và sinh hoá. Ông tốt nghiệp tiến sĩ năm 1984 khi nghiên cứu tại Max Planck Institute for Biochemistry ở Martinsried. Sau đó ông dành nhiều năm nghiên cứu photobiology và cách các vi sinh vật phản ứng với ánh sáng. Ông hiện là Hertie Senior Professor of Neuroscience tại Đại học Humboldt (Berlin). Chính sự tò mò về phototaxis của Chlamydomonas đã dẫn ông đến các rhodopsin mà sau này trở thành nền tảng của optogenetics. 

Georg Nagel, sanh năm 1953 tại Weingarten, Đức, đi theo một con đường khác. Ông học sinh học và sinh lí tại Đại học Konstanz, rồi tốt nghiệp tiến sĩ tại Goethe University Frankfurt vào năm 1988. Sau đó ông làm nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Đại học Yale và Rockefeller trước khi trở về Max Planck Institute for Biophysics ở Frankfurt. Từ năm 2004 đến 2021, ông là giáo sư Molecular Plant Physiology tại University of Würzburg và sau đó tiếp tục làm senior professor.

Karl Deisseroth, sanh năm 1971 tại Boston, xuất phát từ y khoa. Ông tốt nghiệp ngành sinh hoá tại Đại học Harvard năm 1992, sau đó vào chương trình MD-PhD tại Đại học Stanford. Ông tốt nghiệp tiến sĩ về khoa học thần kinh năm 1998 và bác sĩ năm 2000. Ông hiện là D.H. Chen Professor of Bioengineering and of Psychiatry and Behavioral Sciences tại Stanford và là Investigator của Howard Hughes Medical Institute.

TS Nguyễn Tuấn. Từ con tảo xanh đến giải Nobel Y Sinh Học