Susumu Tonegawa giải mã câu đố về sự đa dạng của kháng thể

Cơ thể chúng ta thường xuyên tiếp xúc với một số lượng lớn vi khuẩn, virus và các mầm bệnh khác tồn tại trong môi trường. Khi những tác nhân truyền nhiễm này xâm nhập vào cơ thể, hệ thống miễn dịch của chúng ta sẽ giải phóng các kháng thể tiêu diệt chúng.

Mỗi kháng thể là một loại protein khác nhau do tế bào bạch cầu lympho B sản xuất. Con người có khoảng 20.000 gene, và mỗi gene chỉ có thể tạo ra một loại protein. Vậy làm thế nào cơ thể người có thể sản xuất hàng trăm triệu kháng thể để chống lại một số lượng lớn các kháng nguyên mà chúng ta gặp hằng ngày [kháng nguyên là những phân tử hoặc vật lạ khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật thì được hệ thống miễn dịch nhận biết và sinh ra kháng thể tương ứng]. Người đã giải đáp thành công câu đố về sự đa dạng của kháng thể là nhà khoa học Susumu Tonegawa.

Tonegawa sinh ra tại thành phố Nagoya, Nhật Bản vào ngày 5/9/1939. Cha của Tonegawa là kỹ sư của một công ty dệt may. Vài năm một lần, ông phải chuyển đến làm việc tại nhà máy dệt ở những địa điểm khác nhau nên gia đình không sống định cư ở một nơi cố định.

Cha mẹ của Tonegawa muốn con cái tiếp nhận nền giáo dục tốt nhất có thể, do đó họ gửi Tonegawa và anh trai đến sống với một người chú ở thủ đô Tokyo, nơi những đứa trẻ học tại trường Trung học Hibiya nổi tiếng. Môn học yêu thích của Tonegawa ở trường là hóa học. Đây cũng là chuyên ngành ông đăng ký vào Đại học Kyoto năm 1959. Trong năm học cuối cấp, ông bắt đầu hứng thú với các phân tử là nền tảng cho sự sống, chẳng hạn như protein và axit nucleic.

Sau khi tốt nghiệp cử nhân hóa học năm 1963, Tonegawa quyết định theo đuổi niềm đam mê của mình trong lĩnh vực sinh học phân tử. Ông tham gia chương trình nghiên cứu sau đại học tại Viện Nghiên cứu Virus của Đại học Kyoto, nhưng cố vấn học tập của ông đã đưa ra lời khuyên: “Nếu bạn thực sự muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực sinh học phân tử, hãy đến Mỹ”.

Tonegawa đã làm theo lời khuyên này và vào mùa thu năm 1963, ông trở thành nghiên cứu sinh tại Đại học California, San Diego (Mỹ). Ông bảo vệ thành công luận án tiến sĩ vào năm 1968, khi chỉ mới 28 tuổi.

Tonegawa dự định ở lại San Diego, thực hiện nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Salk. Tuy nhiên, visa Mỹ của ông hết hạn vào tháng 1/1971, do đó ông chuyển đến Thụy Sĩ để làm việc tại Viện Miễn dịch học Basel. Những nghiên cứu ban đầu của ông gặp rất nhiều khó khăn bởi vì ông có ít kinh nghiệm về miễn dịch học. Nhưng chỉ vài năm sau, ông đã khám phá ra nguyên tắc di truyền để tạo ra sự đa dạng của kháng thể.

Năm 1976, Tonegawa đã phân tích DNA trong các tế bào của bào thai chuột và những cá thể chuột trưởng thành. Ông nhận thấy ở những tế bào liên quan đến việc sản xuất kháng thể, đặc biệt là tế bào bạch cầu lympho B, các gene tự sắp xếp lại theo cơ chế tái tổ hợp. Nói cách khác, các thành phần cấu tạo của phân tử DNA di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác, dẫn đến một số lượng lớn các gene mới được tạo ra. Toàn bộ quá trình này diễn ra hoàn toàn ngẫu nhiên.

Mỗi gene mới mã hóa một loại protein kháng thể mới. Nếu kháng thể mới tỏ ra hữu ích trong việc chống lại kháng nguyên hiện có trong cơ thể, thì cơ thể sẽ tiếp tục sản xuất nó trên quy mô lớn.

Ngày nay, các nhà khoa học gọi sự thay đổi cấu trúc vật chất di truyền trong quá trình các tế bào mầm (tinh trùng và tế bào trứng) phát triển thành tế bào lympho B là hiện tượng tái tổ hợp V(D)J. Các chữ cái V, D và J trong thuật ngữ tái tổ hợp V(D)J dùng để chỉ các đoạn DNA.

Khám phá của Tonegawa đã nâng cao hiểu biết của chúng ta về cơ chế hoạt động của hệ miễn dịch. Bất kỳ kháng nguyên nào xâm nhập vào cơ thể sẽ được nhắm mục tiêu bởi một kháng thể đặc hiệu. Điều này là do hệ miễn dịch có khả năng ghi nhớ các kháng nguyên đã gặp trước đó và nhanh chóng tạo ra các kháng thể tiêu diệt chúng. Thêm vào đó, nó cũng có khả năng sản xuất các kháng thể mới để chống lại kháng nguyên chưa từng gặp trước đây.

Công trình nghiên cứu của Tonegawa là nền tảng để phát triển các liệu pháp làm tăng phản ứng miễn dịch chống lại vi sinh vật gây bệnh thông qua tiêm chủng, cũng như ức chế các phản ứng miễn dịch không mong muốn trong quá trình cấy ghép.

Tonegawa được trao giải Nobel Y sinh vào năm 1987 vì đã khám phá ra cơ chế di truyền giúp hệ thống miễn dịch sản xuất hàng triệu kháng thể khác nhau để chống lại hầu hết các mầm bệnh.

“Khi tôi bắt đầu tìm hiểu về vấn đề đa dạng của kháng thể, có rất nhiều thông tin về cấu trúc và chức năng của chúng, tuy nhiên mọi người hầu như không biết gì về những gene góp phần tạo ra chúng”, Tonegawa phát biểu trong buổi lễ nhận giải Nobel Y sinh.

Năm 1981, Tonegawa chuyển nơi công tác từ Viện Miễn dịch học Basel đến Học viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ). Tại đây, ông tiếp tục nghiên cứu các vấn đề liên quan đến miễn dịch học trong khoảng 10 năm, trước khi chuyển hướng nghiên cứu sang não bộ. Ông đã cố gắng tìm hiểu hoạt động của não khi chúng ta học tập, cũng như cách thức ký ức được tạo ra và lưu trữ ở cấp độ phân tử và tế bào.

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm trên những con chuột biến đổi gene, Tonegawa nhận thấy ông có thể sử dụng ánh sáng để nghiên cứu các tế bào não trong vùng hồi hải mã (hippocampus) chịu trách nhiệm lưu giữ thông tin ghi nhớ. Ông phát hiện mỗi ký ức do một nhóm tế bào não chi phối. Nếu kích thích nhóm tế nào này bằng ánh sáng phát ra từ một sợi quang học gắn trong vùng hồi hải mã, con chuột sẽ hành xử giống nó đang nhớ lại một ký ức đã lưu giữ trước đó.

Tonegawa cũng xác định thành công vị trí vùng hồi hải mã liên quan đến sự sợ hãi. Khi kích thích vào khu vực này trong não chuột, ông đã khiến những con chuột hành động một cách sợ hãi, mặc dù chúng không tiếp xúc với các yếu tố gây nguy hiểm. Từ đó, ông kết luận rằng ký ức giả có thể được “cấy” vào trong não nếu sử dụng các phương pháp phù hợp.

Tonegawa hy vọng những nghiên cứu của ông về não bộ sẽ dẫn đến những bước đột phá mới trong việc điều trị bệnh Alzheimer, chứng hay quên và trầm cảm trong tương lai.

Theo Nobelprize, Famous Scientists