Georg Nagel, nhà lý sinh học chứng minh protein của tảo mở ra dưới ánh sáng

Khi cuộc gọi từ Stockholm đến, Georg Nagel đang ngồi trên sân hiên giữa những ngọn đồi nằm giữa Naples và Rome, phía dưới là những cây ô liu, bên cạnh có một cây chanh. Ông không tin đó là sự thật. Mỗi mùa thu, vài người bạn thường theo dõi các thông báo Nobel, còn ông vẫn luôn bảo họ đừng quá kỳ vọng. Theo những gì ông biết, mới chỉ có một bệnh nhân được hưởng lợi từ quang di truyền học, kỹ thuật mà các thí nghiệm của ông góp phần tạo ra. Thuốc trị sốt rét và liệu pháp miễn dịch ung thư đã giúp ích cho vô số người. Ông nghĩ rằng công tắc ánh sáng dành cho tế bào não vẫn còn quá mới để được trao giải y học.

Hội đồng Nobel không đồng tình. Nagel, nhà lý sinh học tại University of Würzburg, cùng Peter Hegemann và Karl Deisseroth nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học nhờ những khám phá về các kênh ion đóng mở theo ánh sáng và quang di truyền học. Đóng góp của ông trong câu chuyện này chính là bằng chứng thực nghiệm. Hegemann từ lâu đã lập luận rằng một protein trong điểm mắt của loài tảo lục Chlamydomonas vừa bắt ánh sáng, vừa mở một lỗ cho các hạt mang điện đi qua — một khẳng định khiến nhiều đồng nghiệp hoài nghi. Tại Max Planck Institute of Biophysics ở Frankfurt, Nagel đưa các gene ứng viên vào trứng ếch rồi đo phản ứng khi bật đèn. Ban đầu, công việc tiến triển chật vật. Sau đó, như ông kể lại, một mẻ dung dịch được pha sai với độ pH thấp đã tạo ra tín hiệu rõ ràng, giúp ông hiểu được điều mình đang quan sát. Đó là một sự cố tình cờ rất đúng với câu chuyện: protein đầu tiên hóa ra là một kênh dẫn proton.

Sự bền bỉ ấy bắt nguồn từ những năm tháng trước đó. Nagel sinh ngày 24 tháng 8 năm 1953 tại Weingarten, vùng Thượng Swabia, là con cả trong gia đình có năm người con; từ năm lên năm, ông đã mắc bệnh nặng. Trong khi các anh chị em đi trượt tuyết ở Áo gần đó, ông lắp ráp động cơ hơi nước và radio từ những bộ dụng cụ khoa học mà cha mẹ tặng vào mỗi dịp Giáng sinh, đồng thời trải qua nhiều kỳ nghỉ hè phẫu thuật tại bệnh viện đại học ở Würzburg — thành phố nơi sau này ông giảng dạy suốt hai thập kỷ. Ông học sinh học và lý sinh học tại University of Konstanz. Ernst Bamberg, giảng viên lý sinh học đầu tiên của ông, trở thành người hướng dẫn; khi còn là sinh viên, Nagel cũng góp phần thành lập một quán cà phê tại đây. Sau khi tốt nghiệp, ông dạy học tại một trường trung học tư thục ở Thụy Sĩ. Một ca phẫu thuật khác ở Würzburg cuối cùng đã chặn đứng tình trạng viêm xương; ông bắt đầu chơi dù lượn và tiếp tục dạy học cho đến khi Bamberg mời ông đến Frankfurt. Ông nhận lời, rồi hoàn thành luận án tiến sĩ tại Goethe University năm 1988 với nghiên cứu được thực hiện ở Max Planck Institute.

Sau đó là năm năm làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại Mỹ, ở Yale và Rockefeller University. Tại New York, ông gặp Anna Maria Musti, một nhà sinh học phân tử đến từ Naples đang là giáo sư thỉnh giảng tại Columbia; bà giúp ông mở rộng cách tiếp cận khoa học từ góc độ lý sinh học. Họ kết hôn tại Đan Mạch năm 1996 và có một con gái. Trở lại Frankfurt với vai trò trưởng nhóm nghiên cứu tại Max Planck Institute, năm 1995 Nagel và Bamberg chứng minh rằng bacteriorhodopsin — một loại bơm được kích hoạt bằng ánh sáng ở vi sinh vật — vẫn hoạt động khi được biểu hiện trong trứng ếch, khiến tế bào động vật trở nên nhạy sáng. Trứng ếch trở thành bệ thử nghiệm cho mọi nghiên cứu tiếp theo.

Năm 2002, Nagel, Hegemann, Bamberg và các đồng nghiệp mô tả channelrhodopsin-1 trên tạp chí Science như một kênh proton đóng mở theo ánh sáng; Musti là một trong những đồng tác giả. Năm 2003, trên Proceedings of the National Academy of Sciences, nhóm của Nagel cho thấy channelrhodopsin-2 mở trực tiếp khi có ánh sáng và cho các ion dương đi qua; protein này cũng hoạt động trong tế bào thận người, khiến tế bào khử cực dưới ánh sáng xanh. Deisseroth viết thư hỏi Nagel xin gene, rồi năm 2005, nhóm của ông tại Stanford sử dụng gene này để khiến các neuron nuôi cấy phát xung theo lệnh. Nagel và Bamberg là đồng tác giả của bài báo đó. Cũng trong năm ấy, hợp tác với Alexander Gottschalk, Nagel công bố một trong những nghiên cứu đầu tiên dùng channelrhodopsin để điều khiển hành vi ở một động vật nguyên vẹn: giun tròn Caenorhabditis elegans. Họ sử dụng một thể đột biến do ông tạo ra nhằm tăng cường dòng điện.

Năm 2004, ông chuyển đến Würzburg làm giáo sư sinh lý học thực vật phân tử tại Julius von Sachs Institute — một nơi làm việc ít ai ngờ tới, từ đó ông dành hai thập kỷ tiếp theo mở rộng một công cụ thần kinh học. Cùng Shiqiang Gao, nhóm của ông tạo ra các enzyme được điều khiển bằng ánh sáng cho những phân tử truyền tín hiệu cAMP và cGMP, trong đó có CyclOp, được mô tả năm 2015. Ông cũng đưa phương pháp này trở lại với thực vật, vốn cần ánh sáng để sống nhưng không có retinal — chất mà các rhodopsin cần đến. Một nghiên cứu đăng trên Nature Plants năm 2021, với Nagel là tác giả cấp cao, sử dụng một kênh đóng mở theo ánh sáng lấy từ tảo để kiểm soát sự phát triển của cây thuốc lá. Năm 2019, ông chuyển sang Institute of Physiology; từ năm 2021, ông tiếp tục làm việc tại đây với cương vị giáo sư cao cấp.

Giải thưởng này cũng khiến người ta nhìn lại những đóng góp trong một tập thể đông đảo. Quy định Nobel chỉ cho phép tối đa ba người nhận giải, nên danh sách vắng Bamberg, người hướng dẫn của Nagel, sau này là giám đốc viện ở Frankfurt và đồng tác giả các bài báo về channelrhodopsin; Edward Boyden, tác giả đứng đầu bài báo về neuron năm 2005; và Gero Miesenböck, người từng khiến neuron phản ứng với ánh sáng bằng một hệ thống khác. Cả sáu người đều nhận Brain Prize năm 2013. Nagel thẳng thắn nói về những rủi ro trong nghiên cứu. Deisseroth từng viết trong các bài tổng quan rằng việc đưa channelrhodopsin vào neuron là một dự án đầy rủi ro; trong cuộc phỏng vấn đầu tiên sau khi giải thưởng được công bố, Nagel nói ông hơi ngạc nhiên trước nhận định đó, bởi protein biểu hiện rất tốt trong tế bào thận. Ngay sau đó, ông khẳng định công trình của Deisseroth trong việc phổ biến và giải thích công cụ này có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Những tuyên bố về ứng dụng y học cũng cần được nhìn nhận thận trọng tương tự. Trường hợp ở người được ghi nhận rõ nhất là một bệnh nhân mù do viêm võng mạc sắc tố đã lấy lại được một phần thị lực sau liệu pháp gene sử dụng channelrhodopsin từ tảo, theo báo cáo năm 2021; các thử nghiệm vẫn đang tiếp tục, và quang di truyền học trước hết vẫn là một phương pháp nghiên cứu.

Giải thưởng ở Stockholm khép lại một chuỗi vinh danh kéo dài: giải Wiley và Karl Heinz Beckurts năm 2010, cả hai cùng được trao cho Hegemann và Bamberg; giải Louis-Jeantet Prize for Medicine năm 2013; giải Rumford Prize năm 2019; và Shaw Prize in Life Science and Medicine năm 2020, cùng với Hegemann và Miesenböck. Ông chính thức nghỉ hưu vào cuối tháng 6 năm 2026; Nagel và Musti thường trải qua những tháng lạnh gần Naples, nơi theo lời ông, nhiệt độ trung bình cao hơn Würzburg mười độ và không có sương mù. Tên ông vẫn xuất hiện trong các bài báo mới, trong đó có một nghiên cứu năm 2025 sử dụng channelrhodopsin dẫn canxi trong tiểu cầu máu. Thông báo ngày 5 tháng 10 năm 2026 đưa ông trở thành người thứ 15 của University of Würzburg nhận giải Nobel.

Ông sẽ nhận huy chương tại Stockholm vào ngày 10 tháng 12. Protein mà ông lần đầu khơi mở trong một quả trứng ếch giờ đây có thể được kích hoạt theo ý muốn trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Liệu nó có thể giúp thêm một bệnh nhân nữa, rồi một người thứ ba hay không — đó chính là câu hỏi mà ông nghĩ giải thưởng lẽ ra nên chờ thêm mới trao.

Thẻ: Georg Nagel, Karl Deisseroth, Nobel Prize, Peter Hegemann, channelrhodopsin, nhà lý sinh học, quang di truyền học

Người liên quan

Peter Hegemann

Karl Deisseroth

Francis Halzen

Neil Gehrels

Stanley Milgram

Nate Soares