Hành trình nhận giải Nobel Y học của 3 nhà khoa học Mỹ

Vào thế kỷ 18, nhà thiên văn học Jean Jacques d’Ortous de Mairan đã phát hiện ra loài hoa mimosa có lá mở ra ban ngày theo hướng Mặt trời và đóng vào khi đêm xuống. Cơ chế này của cây thậm chí vẫn duy trì khi nó được để trong phòng tối cả ngày. Điều này tạo ra ấn tượng rằng loài cây này có đồng hồ sinh học của riêng mình.

Nhiều nhà khoa học khác cũng đã tìm thấy điều tương tự ở một số loài động vật và con người - một cơ chế bí ẩn bên trong đã giúp chúng ta có sự chuẩn bị về mặt thể chất cho sự biến chuyển ngày - đêm - và người ta gọi đó là nhịp sinh học.

Công trình nghiên cứu của 3 nhà khoa học Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash và Michael W. Young bắt đầu từ những năm 1980, nhưng trước đó, vào những năm 1970, nhà khoa học Seymour Benzer và sinh viên của mình là Ronald Konopka đã bắt đầu đặt nền móng cho công trình đoạt giải Nobel này bằng cách tìm ra được một gene bí ẩn mà họ gọi là “thời kỳ”, có khả năng làm gián đoạn đồng hồ sinh học của ruồi giấm. Tuy nhiên, Benzer và học trò chưa tìm được cơ chế hoạt động thực sự của gene này.

Nhà khoa học Hall và Rosbash đã bắt đầu nghiên cứu về ruồi giấm cùng nhau tại Đại học Brandeis, Boston từ năm 1984. Họ đã tách được gene “thời kỳ” và phát hiện ra PER - một protein được tạo ra bởi gene “thời kỳ” - được tích lũy trong thời gian ban đêm và bị suy thoái vào ban ngày. Điều này cho thấy nồng độ protein PER dao động theo chu kỳ 24 giờ, tương ứng với nhịp sinh học.

Tuy tìm được gene điều khiển nhịp sinh học, nhưng 2 nhà khoa học vẫn chưa hiểu đồng hồ sinh học thực ra làm việc thế nào. Họ đặt ra giả thuyết protein PER ngăn cản hoạt động của gene thời kỳ, điều có thể giúp giải thích vì sao sự dao động tuần hoàn có thể được tạo ra và duy trì. Nhưng nó chưa đủ sức thuyết phục.

Để khóa gene thời kỳ, PER - được tạo ra trong bào tương - có thể phải tiếp cận với nhân tế bào, nơi có các vật liệu di truyền . Hall và Rosbash đã chỉ ra được PER được tạo ra trong nhân tế bào qua đêm, nhưng không biết vì sao nó xuất hiện ở đó.

Năm 1994, nhà khoa học Young đã phát hiện ra được 1 trong 2 gene có thể giúp chứng minh giả thuyết của 2 nhà khoa học trên, và cung cấp kiến thức về đồng hồ sinh học. Gene đó được đặt tên là Timeless (vô hạn). Đây là gene tạo ra protein TIM - protein có tác dụng giữ cho nhịp sinh học hoạt động bình thường.

Khi protein TIM nối với protein PER, chúng sẽ vào được nhân tế bào, ngăn hoạt động của gene thời kỳ để đóng vòng phản hồi ức chế, từ đó cho protein PER ngăn chặn sự tổng họp của chính nó và điều chỉnh nồng độ của nó theo nhịp tuần tự liên tiếp.

Sau đó, nhà khoa học Young phát hiện ra gene doubletime, tạo ra protein DBT làm trì hoãn sự tích tụ protein PER. Gene này cho thấy tần số dao động được kiểm soát chặt chẽ hơn theo chu kỳ 24 giờ. Từ đó, cơ chế hoạt động phía sau đồng hồ sinh học đã được hiểu một cách trọn vẹn.

Các nhà khoa học đã tiếp tục công việc của mình và tìm ra được một vài protein bổ trợ, cần thiết cho sự kích hoạt của gene thời kỳ cũng như cơ chế cho phép ánh sáng đồng bộ hóa với đồng hồ sinh học người.