Nobel Y học 2026 vinh danh protein tảo giúp bật tế bào thần kinh bằng ánh sáng

Một protein giúp loài tảo ao hồ đơn bào bơi về phía ánh sáng là lý do các nhà khoa học ngày nay có thể bật hoặc tắt một loại tế bào não chỉ bằng chớp sáng xanh. Hội đồng Nobel tại Karolinska Institutet đã trao giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học cho ba nhà nghiên cứu đã tìm ra protein này và biến nó thành một công cụ: Karl Deisseroth thuộc Stanford University và Howard Hughes Medical Institute, Peter Hegemann thuộc Humboldt University of Berlin, cùng Georg Nagel thuộc University of Würzburg.

Phương pháp này được gọi là quang di truyền học, và nó đã thay đổi những điều mà nghiên cứu não bộ có thể chứng minh. Các nhà khoa học thần kinh vốn đã có thể quan sát vùng nào trở nên hoạt động khi sợ hãi hoặc đói bụng, nhưng hiếm khi họ có thể chỉ ra rằng một loại nơron cụ thể gây ra cảm giác ấy. Với quang di truyền học, họ có thể kích hoạt những tế bào đó trong một động vật sống và theo dõi hành vi xuất hiện, hoặc tắt chúng đi rồi quan sát hành vi chấm dứt. Kể từ đó, các phòng thí nghiệm đã dùng kỹ thuật này để xác định những mạch liên quan đến trí nhớ, đau đớn, khát, giấc ngủ và hành vi xã hội; hiện nó cũng đang được thử nghiệm để điều trị một dạng mù lòa.

Ủy ban dẫn lý do trao giải cho cả ba là “những khám phá của họ về các kênh ion được điều khiển bởi ánh sáng và quang di truyền học”. Họ sẽ chia đều 12 triệu krona Thụy Điển. “Quang di truyền học mở ra những cơ hội lập bản đồ não bộ theo cách mà trước đây chúng ta chỉ có thể mơ tới,” Per Svenningsson, chủ tịch Ủy ban Nobel về Sinh lý học hoặc Y học, nói.

Một loài tảo phản ứng nhanh gấp 20 lần mắt người

Câu chuyện bắt đầu với Chlamydomonas, một loài tảo xanh chỉ gồm một tế bào. Khuấy nó vào một đĩa nuôi cấy, chiếu sáng một bên, và sắc xanh nhạt sẽ trôi dần về phía ngọn đèn. Loài tảo này cảm nhận ánh sáng qua điểm mắt, một chấm cam nhỏ chứa retinal, cùng phân tử bắt ánh sáng hiện diện trong mắt của chúng ta.

Hegemann, khi đó làm việc tại Max Planck Institute for Biochemistry ở Martinsried, đã đo điểm mắt bằng các điện cực tinh vi và phát hiện một xung điện xuất hiện nửa mili giây sau khi ánh sáng chiếu tới. Trong mắt người, ánh sáng khởi động một chuỗi phản ứng hóa học trước khi một kênh ion mở ra, và toàn bộ quá trình mất ít nhất 10 mili giây. Loài tảo này nhanh hơn hơn hai mươi lần.

Lời giải thích của Hegemann rất đơn giản: một protein phải đảm nhiệm cả hai việc, bắt ánh sáng và mở một lỗ cho các hạt mang điện đi qua. Đồng nghiệp hoài nghi điều đó, bởi không kênh ion nào từng được biết đến có thể tự phản ứng với ánh sáng. Khi nhóm của ông cố tách protein ra khỏi điểm mắt, nó bị phân rã, và ý tưởng này bị đình trệ trong nhiều năm.

Họ đã thực hiện điều đó như thế nào

Bước đột phá đến khi các nhà nghiên cứu Nhật Bản công bố những trình tự gene của Chlamydomonas. Nhóm của Hegemann tìm thấy hai gene giống với các protein bắt ánh sáng đã biết và gửi chúng cho Nagel tại Max Planck Institute for Biophysics ở Frankfurt.

Nagel tiêm từng gene vào trứng ếch, một thủ thuật tiêu chuẩn biến quả trứng thành nhà máy sản xuất protein ngoại lai. Các protein định vị trên bề mặt trứng, và khi Nagel chiếu sáng lên chúng, chúng mở ra. Các ion mang điện dương chảy qua, tạo ra dòng điện. Giả thuyết của Hegemann đã đúng. Nhóm đặt tên hai protein là channelrhodopsin-1 và channelrhodopsin-2, trong đó protein thứ hai mở ra trong vòng 0,2 mili giây sau một xung ánh sáng.

Trong các tế bào thận phôi người và tế bào hamster, channelrhodopsin-2 cũng tạo ra tín hiệu điện dưới ánh sáng. Protein này hoạt động như một công tắc có thể mang đi: bất kỳ tế bào nào mang gene đó đều sẽ phản hồi với ánh sáng.

Deisseroth đang tìm kiếm đúng thứ như vậy. Được đào tạo chuyên ngành tâm thần học, ông từng bị ám ảnh trong quá trình làm việc lâm sàng bởi việc các phương pháp điều trị hiện có giúp bệnh nhân trầm cảm hoặc tâm thần phân liệt quá ít, và ông muốn nghiên cứu các mạch trong một bộ não sống thay vì trên những lát mô mỏng. Ông viết thư cho Nagel để xin gene channelrhodopsin-2, đưa nó vào các nơron chuột đang nuôi trong đĩa và chiếu ánh sáng xanh lên chúng. Các nơron phát xung theo lệnh, rồi tín hiệu truyền sang các tế bào lân cận.

Sau đó, nhóm của ông đưa gene này vào một loại tế bào trong vỏ não vận động của chuột sống và luồn một sợi quang mảnh qua một lỗ nhỏ trên hộp sọ. Các xung ánh sáng khiến động vật cử động ria. Trong một thí nghiệm khác, ánh sáng hướng vào một mạch được cho là liên quan đến trạng thái thức đã đánh thức những con chuột đang ngủ.

Vì sao ánh sáng vượt trội điện cực và thuốc

Một điện cực kích thích mọi nơron gần đầu mút của nó, bất kể đó là loại nào. Một loại thuốc lan qua mô và tác động trong nhiều phút. Quang di truyền học chính xác theo hai cách cùng lúc. Gene chỉ đi vào loại tế bào được chọn, còn ánh sáng bật các tế bào ấy trong vài mili giây, tương ứng với tốc độ của các tín hiệu thần kinh thực. Francis Crick, người cùng nhận giải Nobel nhờ cấu trúc xoắn kép của DNA, từng gợi ý rằng ánh sáng sẽ là cách lý tưởng để điều khiển từng nơron đơn lẻ, dù thừa nhận ý tưởng này nghe có vẻ xa vời.

Độ chính xác có ý nghĩa vì quy mô của vấn đề. Não người trưởng thành chứa khoảng 90 tỷ tế bào thần kinh, mỗi tế bào kết nối với hàng nghìn tế bào khác, còn các nơron đảm nhiệm những công việc không liên quan lại nằm đan xen nhau. Làm việc cùng nhà khoa học đoạt Nobel Susumu Tonegawa, nhóm của Deisseroth đã kích hoạt trở lại những tế bào cụ thể lưu giữ ký ức sợ hãi ở chuột, và các con vật biểu lộ nỗi sợ tại một nơi không có gì đe dọa chúng. Những nhóm khác đã lập bản đồ các mạch liên quan đến cơn khát, sự chú ý và sốt; phát hiện rằng việc gom con non vào ổ và chải chuốt cho chúng vận hành trên những mạch riêng biệt ở chuột; đồng thời cho thấy việc ép tim đập mạnh hơn có thể làm tăng cảm giác lo âu.

Những điều giải thưởng chưa thể kết luận

Quang di truyền học hiện vẫn chủ yếu là công cụ nghiên cứu, chưa phải liệu pháp. Việc áp dụng nó ở người đồng nghĩa đưa một gene ngoại lai vào tế bào người, thường bằng virus đã biến đổi, và đưa ánh sáng vào sâu trong mô; ở não, điều này đòi hỏi một thiết bị cấy ghép. Cả hai bước đều chưa phải thủ thuật thông thường với bệnh nhân, và độ an toàn dài hạn của việc mang một protein tảo trong các nơron người vẫn chưa được xác lập.

Kết quả rõ ràng nhất trên người có phạm vi hẹp. Một người đàn ông bị mù 40 năm do viêm võng mạc sắc tố đã được đưa gene channelrhodopsin vào một mắt và sử dụng kính chiếu các xung ánh sáng lên võng mạc. Theo một báo cáo ca bệnh trên Nature Medicine năm 2021, ông lấy lại đủ thị lực để xác định vị trí và đếm các vật thể trên bàn. Một bệnh nhân chỉ là bằng chứng về nguyên lý, không phải bằng chứng rằng phương pháp điều trị có hiệu quả rộng rãi, và các thử nghiệm vẫn đang tiếp diễn.

Giải thưởng cũng vạch ra một ranh giới trong lĩnh vực đông đúc này. Quy định Nobel chỉ cho phép tối đa ba người nhận giải cho mỗi giải thưởng. Bài báo năm 2005 lần đầu điều khiển nơron bằng channelrhodopsin-2 được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Deisseroth, với Edward Boyden là tác giả thứ nhất, còn Feng Zhang và nhà vật lý sinh học Ernst Bamberg là đồng tác giả. Trước đó, Gero Miesenböck tại Oxford đã khiến nơron phát xung đáp lại ánh sáng bằng một hệ thống nhạy sáng khác. Bamberg, Boyden và Miesenböck đã cùng ba người đoạt Nobel năm nay nhận Brain Prize năm 2013 cho quang di truyền học, nhưng họ không nằm trong giải Nobel.

Từ trứng ếch đến Stockholm

Con đường dẫn tới giải thưởng đi qua một số ít bài báo. Nagel, Hegemann và các đồng nghiệp mô tả channelrhodopsin-1 trên Science năm 2002, rồi channelrhodopsin-2 trên PNAS năm 2003. Nhóm của Deisseroth công bố các nơron được điều khiển bằng ánh sáng trên Nature Neuroscience năm 2005, phương pháp này có tên gọi vào năm 2006, và việc điều khiển nơron đầu tiên bên trong não chuột sống diễn ra sau đó vào năm 2007. Thí nghiệm về ký ức sợ hãi với Tonegawa được thực hiện năm 2012.

Những câu hỏi thường gặp về Giải Nobel Y sinh 2026

Ai giành Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học 2026?

Karl Deisseroth thuộc Stanford University và Howard Hughes Medical Institute, Peter Hegemann thuộc Humboldt University of Berlin, cùng Georg Nagel thuộc University of Würzburg. Họ được vinh danh vì những khám phá về các kênh ion được điều khiển bởi ánh sáng và quang di truyền học, đồng thời chia đều 12 triệu krona Thụy Điển.

Quang di truyền học, nói đơn giản, là gì?

Đó là một cách điều khiển các tế bào thần kinh được lựa chọn bằng ánh sáng. Các nhà nghiên cứu đưa gene mã hóa một protein nhạy sáng, chẳng hạn channelrhodopsin, vào một loại nơron. Sau đó, chiếu ánh sáng đúng màu sẽ bật hoặc tắt các tế bào ấy trong vài mili giây, cho phép các nhà khoa học kiểm tra chức năng của từng loại tế bào.

Quang di truyền học có được dùng để điều trị bệnh nhân không?

Chưa phải dưới dạng liệu pháp đã được phê duyệt. Các thử nghiệm lâm sàng đang kiểm tra khả năng khôi phục một phần thị lực cho người mù vì viêm võng mạc sắc tố, và một bệnh nhân được điều trị đã lấy lại khả năng xác định vị trí cũng như đếm đồ vật với kính chuyên dụng. Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng kỹ thuật này có thể giúp cấy ốc tai chính xác hơn kích thích điện.

Ba người đoạt giải sẽ nhận huy chương và bằng chứng nhận tại lễ trao Giải Nobel ở Stockholm vào ngày 10 tháng 12. Loài tảo khởi đầu tất cả vẫn đang bơi về phía ánh sáng trong nước ao, còn protein trong điểm mắt của nó giờ đây mở ra theo lệnh tại các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới.

Tham khảo: Nagel et al., “Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,” PNAS, 2003. DOI: 10.1073/pnas.1936192100. Boyden et al., “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,” Nature Neuroscience, 2005. DOI: 10.1038/nn1525

Thẻ: Giải Nobel, channelrhodopsin, di truyền quang học, Georg Nagel, Karl Deisseroth, khoa học thần kinh