Skip to main content
Ba nhà khoa học nhận giải thưởng Nobel Y Khoa 2017 (Xinhua/Shi Tiansheng)

Giải Nobel Y Khoa 2017 - Tóm Lược Công Trình Khoa Học Về Đồng Hồ Sinh Học Nơi Tạo Vật

Tóm Tắt

Sự sống trên Trái Đất được làm cho thích nghi  với sự xoay vần của hành tinh chúng ta. Từ nhiều năm chúng ta đã biết rằng các hữu thể sống, gồm cả con người, đều có đồng hồ sinh học nội tại vốn giúp cho các sinh vật này biết trước và thích nghi với nhịp sống bình thường của ngày sống. Nhưng chiếc đồng hồ này thực sự hoạt động thế nào? Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, và Michael W. Young đã có thể đi vào bên trong chiếc đồng hồ này và bạch hóa những hoạt động nội tại của nó. Những khám phá của họ giải thích vì sao các loại thực vật, động vật và con người thích nghi nhịp sinh học của mình để nó dược đồng bộ với những tiến hóa của Trái Đất.

Sử dụng các loại ruồi giấm như là một sinh vật sống, những người nhận giải Nobel năm nay cô lập một gien kiểm soát nhịp sinh học bình thường hằng ngày, và rồi bị suy thoái trong suốt ngày. Kết quả là, họ đã xác định những thành phần protein thêm của chiếc máy này, làm rõ ra cơ chế vận hành của một chiếc đồng hồ tự nuôi sống trong tế bào. Giờ đây chúng ta nhận thấy rằng những đồng hồ sinh học đóng vai trò bởi cùng những chức năng như thế trong các tế bào của các sinh vật đa phân tử, kể cả con người.

Với độ chính xác tinh tế, đồng hồ sinh học của chúng ta thích nghi thân thể chúng ta một cách đáng kinh ngạc với những giai đoạn khác nhau của một ngày. Chiếc đồng hồ sẽ điều khiển những chức năng chính của chúng ta như hành vi, các cấp độ hóc-môn, giấc ngủ, nhiệt độ thân thể và hệ tiêu hóa. Sức khỏe của chúng ta chịu ảnh hưởng khi có một sự không tương thích tạm thời giữa môi trường bên ngoài và chiếc đồng hồ sinh học nội tại này, chẳng hạn khi chúng ta du lịch qua những múi giờ khác nhau và kinh nghiệm “chứng trái múi giờ”. Cũng có những dấu hiệu cho thấy sự không hòa hợp mãn tính giữa lối sống của chúng ta với nhịp do chế độ giữ giờ nội tại của chúng ta có liên hệ đến mối nguy ngày càng gia tăng của các loại bệnh khác nhau.

Đồng Hồ Sinh Học Của Chúng Ta

Hầu hết các sinh vật sống đều biết trước và thích nghi với những thay đổi hằng ngày trong môi trường. Trong thế kỷ 18, nhà thiên văn Jean Jacques d'Ortous de Mairan đã nghiên cứu những cây mimosa, và đã phát hiện rằng các chiếc lá đã mở ra hướng về phía mặt trời vào ban ngày và khép lại trước hoàng hôn. Ông tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu cây này liên tục được đặt trong bóng tối. Ông đã phát hiện việc phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời hằng ngày thì những chiếc lá vẫn tuân thủ theo nhịp hằng ngày của nó. Cây dường như cũng có đồng hồ sinh học.

Các nhà nghiên cứu khác đã phát hiện rằng không chỉ thực vật, mà cả động vật và con người đều có đồng hồ sinh học giúp chuẩn bị cho cơ thể thích nghi với nhịp sống của ngày. Sự thích nghi thường xuyên này là muốn nói đến nhịp sinh học circadian, xuất phát từ tiếng Latinh circa nghĩa là “xoay quanh” và dies nghĩa là “ngày”. Nhưng cách đồng hồ sinh học nội tại của chúng ta vận hành thì vẫn là một bí ẩn.

Xác Định Một Gien Đồng Hồ

Trong những năm 1970, Symour Benzer và sinh viên của ông Ronald Konopka đã tự hỏi liệu có thể xác định những gien vốn kiểm soát nhịp sinh học ở ruồi giấm không. Họ đã cho thấy rằng những đột biến bên trong một gien chưa xác định đã làm ngăn trở đồng hồ sinh học của ruồi. Họ gọi gien này là giai đoạn. Nhưng gien này ảnh hưởng đến nhịp sinh học thế nào?

Những Nhà Khoa Học Giải Nobel năm nay, là những người nghiên cứu về ruồi giấm, đã có mục đích khám phá cách mà đồng hồ thật sự hoạt động. Vào năm 1984, Jeffrey Hall và Michael Rosbash, làm việc trong sự hợp tác chặt chẽ tại Đại Học Brandeis tại Boston, và Michael Young ở Đại Học Rockefeller tại New York, đã thành công trong việc cô lập gien giai đoạn. Jeffrey Hall và Michael Rosbash sau đó tiếp tục khám phá rằng PER, lượng protein bị mã hóa bởi gien giai đoạn, tích lũy suốt đêm và đã suy thoái đi vào ban ngày. Do đó, các cấp độ protein PER hòa hợp với vòng 24 tiếng, trong sự đồng hóa với nhịp sinh học.

Một Cơ Chế Hoạt Động Đồng Hồ Tự Vận Hành

Mục tiêu chính kế tiếp là hiểu về cách mà những dao động nhịp sinh học này có thể được tạo ra và nuôi dưỡng. Jeffrey Hall và Michael Rosbash đã giả định rằng loại protein PER đã ngăn chặn hoạt động của gien giai đoạn. Họ lý luận rằng bởi một vòng lặp phản hồi ức chế, protein PER có thể ngăn chặn sự tổng hợp của nó và do đó vận hành cấp độ của nó trong một nhịp xoay vần và liên tục.

Khuôn mẫu đang kích thích, nhưng một vài vấn đề vẫn còn khuyết. Để ngăn chặn hoạt động của gien giai đoạn, thì protein PER, vốn được sản xuất trong tế bào chất, có lẽ phải chạm đến phân tử tế bào, nơi mà vật chất của gien tọa lạc. Jeffrey Hall và Michael Rosbash đã cho thấy rằng protein PER tạo nên trong nhân tế báo trong đêm, nhưng làm sao nó đi đến đó? Vào năm 1994, Michael Young đã khám phá ra một gien đồng hồ thứ hai, vô định, mã hóa protein TIM vốn được yêu cầu đối với một nhịp sinh học bình thường. Trong một công trình nghiên cứu, ông đã cho thấy rằng khi TIM trói buộc vào PER, thì hai protein này có thể đi vào nhân tế bào là nơi mà chúng đã ngăn chặn hoạt động gien giai đoạn để khép lại vòng lặp phản hồi ức chế.

Cơ chế vận hành thông tin phản hồi theo quy chế như thế giải thích cách thế mà sự dao động các cấp độ protein tế bào này xuất hiện, nhưng vấn đề vấn còn đó. Điều gì kiểm soát tần suất của những dao động này? Tuy nhiên Michael Young đã xác định một loại gien khác, doubletime (thời gian gấp đôi), mã hóa protein DBT làm trì hoãn sự tích lũy của protein PER. Điều này mang lại một sự hiểu biết về cách mà một dao động được điều chỉnh cho sự phù hợt sát sao với vòng 24 tiếng.

Những khám phá làm thay đổi mô thức này bởi những người nhận giải đã thiết lập nên những nguyên tắc mang tính cơ chế chính cho đồng hồ sinh học. Trong những năm sau thì những thành tố phân tử khác của cơ chế đồng hồ đã được bạch hóa, giải thích về sự ổn định và chức năn của nó. Chẳng hạn, các nhà nhận giải năm nay đã xác định những protein thêm đòi hỏi để kích hoạt gien giai đoạn, cũng như cho cơ chế mà qua đó ánh sáng có thể đồng bộ với đồng hồ.

Giữ Thời Gian Trên Thể Lý Con Người

Đồng hồ sinh học có liên hệ đế nhiều khía cạnh của thể lý phức tạp của chúng ta. Chúng ta biết rằng mọi sinh vật đa tế bào, gồm cả con người, đều tận dụng cùng một cơ chế tương tự để kiểm soát các nhịp sinh học. Một phần lớn của các gien của chúng ta được vận hành bởi đồng hồ sinh học và, kết quả là, một nhịp sinh học được tính toán cẩn trọng đã làm thích nghi thể lý của chúng ta với nhiều giai đoạn khác nhau trong ngày. Kể từ những khám phá quan trọng của các nhà khoa học nhận giải, nên sinh học theo nhịp đã phát triển thành một lãnh vực nghiên cứu năng động bao la và cao, với những áp dụng cho sức khỏe của chúng ta và sự niềm hạnh phúc của chúng ta.

Joseph C. Pham (Chuyển ngữ theo Nobel Prize)