Linda Buck: Người giải mã cơ chế hoạt động của khứu giác

Linda Buck sinh ra tại Seattle, Washington (Mỹ) vào năm 1947. Cha của cô là một kỹ sư điện đồng thời là một nhà phát minh ham học hỏi, trong khi mẹ của cô chủ yếu làm công việc nội trợ cho gia đình và thích giải các loại câu đố trong thời gian rảnh rỗi. Buck tin rằng khả năng sáng tạo của cha và sở thích giải câu đố của mẹ đã góp phần tạo nên niềm đam mê khoa học của cô. Cả cha và mẹ đều dạy cho cô khả năng suy nghĩ độc lập ngay từ lúc nhỏ để đảm bảo rằng cô có khả năng thực hiện bất kỳ mục tiêu nào đặt ra trong cuộc sống sau này.

Ban đầu, Buck đăng ký vào chuyên ngành tâm lý học tại Đại học Washington với dự định trở thành một nhà trị liệu tâm lý. Tuy nhiên, hướng đi của cô đã thay đổi sau khi tham gia một lớp về miễn dịch học, và cuối cùng cô quyết định trở thành một nhà sinh học. Sau khi tốt nghiệp, cô tiếp tục học chương trình cao học về vi sinh tại Trung tâm Y tế của Đại học Texas vào năm 1975. Cũng tại đây, cô đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về miễn dịch học năm 1980.

Luận án của cô liên quan đến việc nghiên cứu tế bào lympho B, một thành phần trong hệ thống miễn dịch của cơ thể người. Cô cũng tìm hiểu chức năng của các phân tử trong phản ứng miễn dịch ở cấp độ tế bào. Nhờ đó, cô đã có những hiểu biết đầu tiên về cơ chế hoạt động của các phân tử bên trong hệ thống sinh học.

Để tìm hiểu những kỹ thuật mới nhất của lĩnh vực sinh học phân tử, Buck tham gia chương trình nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Columbia và gia nhập phòng thí nghiệm của tiến sĩ Richard Axel tại Viện Y tế Howard Hughes. Axel là người đầu tiên phát triển các kỹ thuật cho phép nghiên cứu gene trong ống nghiệm.

Dựa trên nghiên cứu của Axel về tế bào thần kinh của ốc sên biển Aplysia, Buck đã phát triển một kỹ thuật mới giúp xác định và nhân bản gene có thể biểu hiện ở các tế bào thần kinh cụ thể của ốc sên Aplysia. Biểu hiện gene là quá trình chuyển đổi thông tin di truyền chứa trong gene thành sản phẩm trong tế bào sống, từ đó tạo thành tính trạng tương ứng ở kiểu hình có thể quan sát được.

Khi sự thành thạo của Buck về các kỹ thuật sinh học phân tử ngày càng tăng, cô càng mong muốn áp dụng những hiểu biết của mình để tìm hiểu sâu hơn về não bộ, với sự đa dạng của các tế bào và kết nối thần kinh.

Một bước ngoặt đã xảy ra khi Buck đọc bài báo của nhà khoa học thần kinh nổi tiếng Solomon Snyder tại Đại học Johns Hopkins vào năm 1985, trong đó Snyder đã thảo luận về các cơ chế tiềm năng có thể làm nền tảng cho việc phát hiện mùi. Buck cảm thấy bị cuốn hút với những câu hỏi chưa có lời giải đáp: Làm thế nào con người và các loài động vật có vú khác có thể phân biệt hơn 10.000 mùi khác nhau, và làm thế nào các hóa chất gần giống nhau ở cấp độ phân tử lại có thể tạo ra các nhận thức về mùi khác nhau?

Năm 1988, Buck bắt đầu nghiên cứu vấn đề này trong phòng thí nghiệm của Axel. Sau ba năm miệt mài thí nghiệm trên chuột, cô đã xác định thành công 1.000 loại thụ thể khứu giác nằm ở phía sau mũi, tại một vị trí gọi là biểu mô khứu giác. Các thụ thể là những phân tử protein liên kết với phân tử tạo mùi, cho phép con vật nhận biết từng mùi hương riêng lẻ. Mặc dù con người có số lượng thụ thể này ít hơn nhiều (350 so với 1.000 của chuột), nhưng chúng đều hoạt động theo cùng một cơ chế.

Thêm vào đó, Buck tập trung tìm kiếm một nhóm gene mà cô tin rằng chúng chỉ được biểu hiện ở biểu mô khứu giác phía sau mũi, nơi chịu trách nhiệm phát hiện mùi. Những gì cô tìm thấy đã gây chấn động giới khoa học. Những gene này không chỉ tồn tại mà còn khá phổ biến. Chuột có khoảng 1.000 gene kiểm soát một số lượng tương đương các thụ thể khứu giác.

Bộ gene của động vật có vú chứa khoảng 20.000 gene. Điều đó nghĩa là một tỷ lệ phần trăm đáng kể trong số các gene chỉ dành riêng cho việc ngửi.

Không chỉ vậy, việc Buck phát hiện ra một số lượng lớn gene mã hóa các thụ thể khứu giác ở mũi đã chỉ ra rằng phần lớn công việc xử lý mùi xảy ra ở mũi, thay vì ở não. Năm 1991, cô và cộng sự Axel đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Cell trong một bài báo có tựa đề “A Novel Multigene Family May Encode Odorant Receptors: A Molecular Basis For Odor Recognition” (Một họ đa gene mới có thể mã hóa các thụ thể tiếp nhận mùi: Cơ sở phân tử để nhận biết mùi). Công trình này đã giúp họ được trao giải Nobel Y học vào năm 2004.

“Với tư cách là một phụ nữ hoạt động trong lĩnh vực khoa học, tôi thực sự hy vọng giải Nobel mà tôi nhận được sẽ gửi đi những thông điệp tích cực đến những phụ nữ trẻ đam mê khoa học giống như tôi. Đó là cánh cửa học thuật vẫn đang mở ra cho họ và họ hãy theo đuổi ước mơ của mình”, Buck phát biểu trong buổi lễ nhận giải Nobel Y học.

Năm 1991, Buck chuyển đến làm việc tại Trường Y Harvard, nơi cô trở thành phó giáo sư vào năm 1996 và giáo sư chính thức năm 2001. Ở ngôi trường này, cô đã thiết lập một phòng thí nghiệm để giải đáp một bí ẩn khác liên quan đến hệ thống khứu giác: Chỉ với 350 thụ thể khứu giác, làm sao con người có thể phân biệt hơn 10.000 mùi khác nhau, trong đó có một số mùi gần giống nhau?

Buck nhận thấy mỗi thụ thể khứu giác có khả năng phát hiện nhiều hơn một hóa chất tạo mùi [hóa chất tạo ra mùi hương khác nhau] và ngược lại, mỗi chất tạo mùi có thể được phát hiện bởi nhiều hơn một thụ thể. Các thụ thể làm việc cùng nhau, hoạt động chồng chéo để tạo ra “mã tổ hợp” giúp xác định mùi cụ thể. Mã này giúp chúng ta có khả năng nhận ra hơn 10.000 mùi khác nhau, cũng giống như việc chúng ta có thể đánh vần hàng nghìn từ chỉ với 26 chữ cái.

Các thụ thể sẽ thay đổi cấu trúc khi một phân tử mùi gắn vào nó, tạo ra tín hiệu điện truyền đến vùng não chịu trách nhiệm xử lý thông tin khứu giác.

Năm 2002, Buck quay trở về quê hương Seattle và công tác tại Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Fred Hutchinson ở Seattle, Washington. Tại đây, cô tiếp tục nghiên cứu về hệ thống khứu giác nhưng cũng tham gia vào các hoạt động nghiên cứu mới nhằm khám phá sự lão hóa của não, khả năng nhận thức và cơ chế của quá trình ghi nhớ.

Buck luôn tự nhận mình là người may mắn, bởi vì rất ít người có cơ hội được làm những gì mình yêu thích hằng ngày. Phương châm sống của cô là: “Hãy làm điều gì đó mà bạn yêu thích và bị ám ảnh, bởi vì đó là nơi bắt nguồn của những khám phá tuyệt vời”.

Theo Nobelprize, Achievement