Nobel Y học 2017: Giải mã “đồng hồ sinh học”

• Về giải Nobel y học 2017: Đồng hồ sinh học và “thần giao cách cảm”
• Giải Nobel Y học 2017 được trao cho công trình nghiên cứu về đồng hồ sinh học

Nhịp sinh học, hay còn gọi là “đồng hồ sinh học” của cơ thể, là lý do con người, thực vật và các loài động vật muốn đi ngủ vào ban đêm và tạo ra nhiều thay đổi lớn ở hành vi và chức năng cơ thể trong chu kỳ 24 giờ. 

Cơ chế sinh học đằng sau “chiếc đồng hồ” này có liên quan tới rất nhiều protein tương tác với nhau một cách phức tạp, và ba nhà khoa học Jeffrey Hall, Michael Rosbash và Michael Young đã được vinh danh giải Nobel nhờ dùng các công cụ gen để vén màn sự phức tạp này.

Cơ chế quan trọng

Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nhận thức được rằng mỗi cá thể sống, bao gồm cả con người, có một “chiếc đồng hồ” ngay bên trong cơ thể, giúp các cá thể có thể dự đoán và thích nghi với nhịp điệu của một ngày. Đây là “đồng hồ sinh học”, hay vòng tuần hoàn sinh học 24 giờ, giúp cơ thể của con người thích nghi với chu trình sáng, tối của ngày và đêm.

“Đồng hồ sinh học” ảnh hưởng đến những chức năng quan trọng của cơ thể như mức độ hormone, giấc ngủ, nhiệt độ cơ thể và sự trao đổi chất.

Khi xuất hiện một sự “lệch pha” giữa “đồng hồ sinh học” nội tại và môi trường bên ngoài, sức khỏe của cá thể đó có thể bị ảnh hưởng. Ví dụ dễ thấy nhất là cảm giác mệt mỏi do thay đổi múi giờ sau những chuyến bay liên lục địa.

Mô tả đầu tiên về “đồng hồ sinh học” của sinh vật xuất hiện từ năm 1729 khi người ta đã biết được rằng thực vật đóng và mở lá không chỉ ngoài trời mà cả khi ở trong phòng tối thời gian dài. Mãi cho tới thập niên 1960, giới khoa học thí nghiệm trên ruồi giấm và phát hiện được gen gây ra ảnh hưởng lên đồng hồ sinh học, nhưng vẫn chưa thực sự nắm rõ cơ chế hoạt động của loại gen này.

Nhằm làm sáng tỏ cơ chế này, ba nhà khoa học Jeffrey Hall, Michael Rosbash và Michael Young ở vào thời điểm hiện tại đã sử dụng ruồi giấm để làm mô hình cá thể mẫu để nghiên cứu và phân tách được một loại gen kiểm soát nhịp sinh học hàng ngày.

Họ phát hiện ra rằng, gen này mã hóa một loại protein được sản sinh và tích tụ trong tế bào vào ban đêm, nhưng sau đó giảm dần và phân huỷ hết vào ban ngày. Sau đó, họ nhận dạng các thành tố protein bổ sung của cơ chế này, từ đó cho thấy cơ chế kiểm soát sự vận hành của “đồng hồ sinh học” ngay bên trong tế bào.

Giờ đây, có thể nói con người phát triển được công nghệ cho phép nhân bản gen kiểm soát nhịp sinh học - có biệt danh “period” (chu kỳ). Ba nhà khoa học Jeffrey Hall, Michael Rosbash và Michael Young đã nhân bản thành công gen “chu kỳ”, và sự tương tác của nó với một gen khác có biệt danh “timeless” (vô tận) để trở nên ổn định và vận hành tốt hơn.

Vào ban ngày, protein của “chu kỳ” nằm trong tế bào chất, nhưng đến đêm thì di chuyển vào nhân, tham gia vào quá trình nhân đôi của tế bào. Từ đây, nhiều phòng thí nghiệm sinh học khác đã tham gia “tìm mảnh ghép” và xác định nên cơ chế nhịp sinh học phức tạp đến khó tin.

Bên cạnh đó, một gen với biệt danh “clock” (đồng hồ) đã được tìm thấy ở chuột. Protein của nó có khả năng ảnh hưởng tới ADN và điều tiết sự vận hành của các gen, bao gồm cả gen “vô tận” và “chu kỳ” ở chuột, kích hoạt các gen này vào ban ngày, làm chúng tăng số lượng vào buổi chiều tối.

Tuy nhiên, một khi protein của “vô tận” và “chu kỳ” lọt vào nhân tế bào, chúng lại tương tác với protein của “đồng hồ” và đảo ngược, kìm hãm các gen. Hệ thống này cũng điều hành nhiều loại gen khác, làm cho các tế bào trong cơ thể vận hành đồng bộ với nhau.

Ba nhà khoa học đã khám phá ra rằng, quá trình kể trên – từ kích hoạt gen cho tới kìm hãm, và lặp lại – là cực kỳ chuẩn xác. Họ còn tìm thấy một số gen khác đóng vai trò “phanh” để kìm hãm, làm cho số lượng protein “chu kỳ” giảm mạnh vào ban ngày và giảm tốc độ tích lũy vào ban đêm, từ đó, cơ thể biểu hiện ra những trạng thái khác biệt rõ nét. Cả hệ thống với những tương tác này cần phải phức tạp như vậy để đảm bảo tính đều đặn trong khi vẫn cho phép các điều chỉnh nhỏ có thể xảy ra.

Công trình nghiên cứu của ba nhà khoa học đạt giải Nobel đã chỉ ra rằng “đồng hồ sinh học” vận hành theo cùng một nguyên tắc trong tế bào của các sinh vật đa bào, bao gồm cả con người. Họ đã làm sáng tỏ cơ chế vận hành thực sự của “đồng hồ sinh học”, đồng thời giải thích cách thức các loài động, thực vật và con người có thể thích nghi nhịp sinh học của mình, từ đó phù hợp với sự tiến hóa của trái đất.

Theo đó, cây cối cũng có hệ thống “đồng hồ sinh học” này, chỉ là với các protein khác biệt. Vi khuẩn quang hợp cũng có hệ thống của riêng chúng. Tuy nhiên, đối với động vật bậc cao, còn có một loại “đồng hồ” điều phối tổng quát (trong não) ảnh hưởng tới toàn bộ các “đồng hồ” tế bào.

Lợi ích to lớn

Trong nhiều năm, người ta biết được các sinh vật sống có “đồng hồ sinh học” giúp cơ thể biết trước và thích ứng với nhịp điệu bình thường trong ngày. Và kết quả của nghiên cứu vừa qua đã khẳng định điều này khi chỉ ra rằng mọi sự sống trên trái đất – từ cây cỏ cho tới sinh vật bậc cao, con người – đều điều chỉnh “đồng hồ sinh học” dựa theo mặt trời, với một thứ công nghệ đặc biệt bên trong cơ thể từng cá thể. 

Loại “đồng hồ” này, hay nhịp sinh học của bản thân mỗi cá nhân, là cách mà cơ thể con người điều hòa hoạt động mỗi một ngày trôi qua.

Với sự chính xác tinh tế, “đồng hồ sinh học” bên trong cơ thể điều chỉnh nhịp sinh học theo những giai đoạn khác nhau trong ngày. “Chiếc đồng hồ” này kiểm soát những chức năng quan trọng như hành vi, nồng độ hormone, giấc ngủ, thân nhiệt và sự trao đổi chất, là yếu tố cốt lõi để hiểu về sự sống và mọi hoạt động do chu kỳ ngày - đêm quyết định.

Giờ đây, các nhà khoa học đã có thể nhìn vào bên trong “đồng hồ sinh học” và làm sáng tỏ cách hoạt động của nó. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng những thứ ảnh hưởng tới giấc ngủ (như chứng mất ngủ) có thể để lại những hậu quả xấu. 

Hầu hết con người đều có cảm giác lạ khi “đồng hồ sinh học” lạc nhịp với môi trường bên ngoài. Ngoài ra, có những dấu hiệu cho thấy sự lệch nhau thường xuyên giữa lối sống và nhịp điệu của “đồng hồ sinh học” có liên quan tới sự gia tăng về nguy cơ nhiễm các bệnh khác nhau.

Khi nhịp sinh học trong cuộc sống không còn hài hòa, cơ thể sẽ sinh ra nhiều loại bệnh liên quan tới chuyển hóa và trao đổi chất, hormone hay trí nhớ kém. Các vấn đề với giấc ngủ là biểu hiện thường thấy của chứng trầm cảm và rối loạn lưỡng cực.

Tuy ba nhà khoa học được trao giải Nobel không nghĩ tới việc chữa bệnh khi họ bắt đầu làm các thí nghiệm trên ruồi giấm, công trình của họ rốt cuộc vẫn sẽ có tác động tới sức khỏe của con người. Một số chuyên gia đánh giá công trình được trao giải Nobel Y học năm nay nêu bật tầm quan trọng của một giấc ngủ đúng giờ, có ý nghĩa to lớn tới sức khỏe và hạnh phúc của loài người.

Theo họ, trong kỷ nguyên công nghệ hiện đại, con người dễ dàng đi qua nhiều múi giờ và làm xáo trộn nhịp sinh học, dẫn đến những hậu quả mà con người chưa hiểu hết được. Tuy vậy, họ không trực tiếp chỉ cho cách thức cụ thể để điều chỉnh “đồng hồ sinh học” ấy cho chuẩn xác, mà chỉ đưa ra những lời khuyên như ngủ đủ giấc, duy trì một lịch trình ngủ đúng giờ và đều đặn khi chọn mặt trời làm mốc để tùy chỉnh “đồng hồ” của cơ thể.

Hội đồng Nobel cho biết đóng góp này của ba nhà khoa học Mỹ là phát hiện về cơ chế cơ bản bên dưới khía cạnh rất quan trọng của sinh lý học: cách nhận biết thời gian của tế bào. Nghiên cứu đã hé lộ một cơ chế “tuyệt đẹp” về cách các gen điều khiển “đồng hồ sinh học”.

Với cách tiếp cận từ góc độ gen, ba nhà khoa học đã xác định được về mặt sinh hóa những thành phần làm nên các gen đó, gồm protein và ARN, cũng như mô tả quy tắc của chúng để hiểu về những cơ chế duy trì “đồng hồ” tế bào làm nên nhịp sinh học. 

Việc hiểu rõ cơ chế của nhịp sinh học có thể mang đến cho các nhà nghiên cứu cơ hội chữa trị những rối loạn nhịp sinh học gây ra các vấn đề về giấc ngủ, từ đó cải thiện sức khỏe bệnh nhân...