Vì sao protein ở tảo giúp 3 nhà khoa học giành Nobel Y Sinh 2026?

Một phát hiện trên loài tảo đơn bào đã góp phần tạo ra một trong những công cụ quan trọng nhất của khoa học thần kinh hiện đại.

Nhờ quang di truyền học, các nhà nghiên cứu có thể chủ động kích hoạt hoặc làm ngừng hoạt động của một nhóm tế bào thần kinh, sau đó quan sát những thay đổi xảy ra trong não và hành vi.

Protein nhạy sáng ở tảo đã trở thành công cụ nghiên cứu não như thế nào?

Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2026 được trao cho Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel vì những khám phá dẫn tới sự ra đời của optogenetics, hay quang di truyền học.

Có thể hiểu đơn giản đây là kỹ thuật kết hợp gene và ánh sáng để kiểm soát hoạt động của những tế bào đã được lựa chọn.

Nền tảng của công nghệ bắt đầu từ nghiên cứu của Peter Hegemann và Georg Nagel về Chlamydomonas, một loài tảo đơn bào có khả năng bơi về phía ánh sáng.

Hai nhà khoa học phát hiện channelrhodopsin, một loại protein trên màng tế bào tảo có khả năng phản ứng với ánh sáng. Khi được chiếu sáng, protein này mở ra và cho các hạt mang điện đi qua màng tế bào.

Chi tiết này đặc biệt quan trọng bởi tế bào thần kinh cũng hoạt động dựa trên tín hiệu điện.

Karl Deisseroth cùng các cộng sự sau đó đưa gene tạo ra protein nhạy sáng vào neuron, tức tế bào thần kinh. Khi chiếu ánh sáng có bước sóng phù hợp, những neuron này có thể được kích hoạt gần như ngay lập tức.

Năm 2005, nhóm của Deisseroth công bố nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng ánh sáng để kiểm soát hoạt động điện của neuron với độ chính xác ở mức mili giây. Công trình này trở thành một trong những nền tảng quan trọng của quang di truyền học.

Quang di truyền học đưa các protein nhạy sáng vào những tế bào thần kinh được lựa chọn, sau đó sử dụng ánh sáng để kích hoạt hoặc ức chế hoạt động của chúng. Ảnh: Stanford Medicine.

Trước khi có kỹ thuật này, các nhà khoa học có thể quan sát một vùng não hoạt động khi con người hoặc động vật thực hiện một hành vi. Tuy nhiên, việc hai hiện tượng xuất hiện cùng lúc chưa đủ để khẳng định vùng não đó trực tiếp tạo ra hành vi.

Quang di truyền học cho phép kiểm tra rõ hơn. Nhà nghiên cứu có thể kích hoạt một nhóm neuron rồi xem hành vi thay đổi thế nào. Họ cũng có thể làm nhóm tế bào đó ngừng hoạt động để kiểm tra chức năng nào bị ảnh hưởng.

Ánh sáng giúp xác định nhiệm vụ của từng mạch thần kinh

Não có hàng chục tỷ tế bào thần kinh kết nối thành những mạng lưới rất phức tạp. Một hành vi như ăn uống, ghi nhớ hay phản ứng với nguy hiểm thường liên quan đến nhiều nhóm tế bào. Xác định chính xác nhóm neuron nào tham gia vào từng chức năng vì vậy là bài toán khó của khoa học thần kinh.

Quang di truyền học giúp thu hẹp phạm vi này. Nhà nghiên cứu có thể làm một nhóm neuron nhất định trở nên nhạy với ánh sáng, sau đó kích hoạt hoặc làm chúng ngừng hoạt động và theo dõi những thay đổi xảy ra.

Chuột thí nghiệm sử dụng thiết bị quang di truyền học không dây của Stanford, cho phép ánh sáng kích thích các tế bào thần kinh trong khi con vật vẫn di chuyển tự do. Ảnh: Austin Yee/Stanford Bio-X.

So với kích thích điện, phương pháp này có thể tác động chính xác hơn tới loại tế bào cần nghiên cứu. Theo Ủy ban Nobel, kỹ thuật đã được sử dụng để tìm hiểu các mạch thần kinh liên quan đến đau, khát, ăn uống, cảm giác được tưởng thưởng, sự chú ý và hành vi xã hội. Nó cũng giúp nghiên cứu ký ức và cảm xúc.

Khả năng này đặc biệt hữu ích trong việc tìm hiểu các bệnh như Alzheimer, Parkinson, trầm cảm và tâm thần phân liệt. Thay vì chỉ xác định khu vực não có bất thường, giới khoa học có thể nghiên cứu sâu hơn xem những nhóm tế bào và mạch thần kinh nào liên quan đến từng triệu chứng.

Tuy nhiên, quang di truyền học hiện vẫn chủ yếu là công cụ nghiên cứu. Một trong những khó khăn lớn nhất là làm sao đưa gene tới đúng tế bào và đưa ánh sáng vào những vùng nằm sâu trong não mà vẫn bảo đảm an toàn.

Ứng dụng trên người đã có những kết quả ban đầu ở mắt. Một bệnh nhân mất thị lực do viêm võng mạc sắc tố đã được đưa gene tạo protein nhạy sáng vào các tế bào võng mạc. Khi sử dụng kính chuyên dụng phát ánh sáng phù hợp, người này có thể nhận biết, xác định vị trí và cầm một số đồ vật.

Bệnh nhân viêm võng mạc sắc tố đeo kính chuyên dụng trong thử nghiệm quang di truyền học, kết hợp theo dõi hoạt động não. Ảnh: Nature Medicine.

Những kết quả này chưa có nghĩa quang di truyền học đã trở thành phương pháp điều trị phổ biến. Ngay cả Georg Nagel cũng cho rằng ứng dụng trên bệnh nhân hiện còn rất hạn chế.

Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel sẽ chia đều khoản tiền thưởng 12 triệu krona Thụy Điển, tương đương khoảng 1,2 triệu USD.

Sau hơn hai thập niên phát triển, giá trị rõ nhất của quang di truyền học hiện nay vẫn nằm ở khả năng giúp giới khoa học kiểm tra trực tiếp một nhóm tế bào thần kinh làm nhiệm vụ gì và hoạt động của chúng ảnh hưởng đến hành vi ra sao.