Nobelova nagrada za medicino 2021

Vsako leto se začne z medicino in tudi letos je tako. Letošnjo Nobelovo nagrado za medicino prejmeta libanonsko-ameriški biolog Ardem Patapoutian in ameriški fiziolog David Julius za odkritja receptorjev za temperaturo in dotik, je sporočil Nobelov odbor pri Karolinska institutet. Znanstvenika sta razvozlalo molekularno ozadje dotika in zaznavanja temperature, ki predstavljata pomembna čuta.

Zaznavanje okolja je za živa bitja izjemnega pomena, še zlasti za premikajoča se bitja. Delovanje čutil jemljemo kot samoumevno, pri čemer pa zelo dolgo ni bilo jasno, kakšna je povezava med zunanjimi dražljaji - na primer temperaturo in dotikov - ter električnimi signali, ki potujejo po našem živčevju. Ta vprašanja so burila človeško domišljijo že dolgo časa. Rene Descartes si je na primer pred več kot 300 leti predstavljal, da različne dele kože z možgani povezujejo niti, po katerih se prevajajo mehanični signali. Kasneje so odkrili senzorične nevrone in druge visoko specializirane nevrone, za kar sta leta 1944 Joseph Erlanger in Herbert Gasser dobile Nobelovo nagrado. Danes vemo, da so posamezne živčne celice specializirane za prenos različnih vrst dražljajev. Ni pa bilo jasno, kako živčevje interpretira različne dražljaje iz okolja ter kako jih pretvarja v električne signale.

Zanimiva spojina je kapsaicin, ki jo poznamo zlasti iz pekočih jedi. Kapsaicin močno aktivira celice, ki zaznavajo bolečino, a v 90. letih prejšnjega stoletja še niso vedeli, zakaj in kako. Julius se je s sodelavci lotil iskanja gena, ki je odgovoren za reakcijo na kapsaicin. Po dolgotrajnem delu, ko je v celičnih kulturah mukoma aktiviral posamezne gene (iz knjižnice genov, ki se izražajo v celicah, ki reagirajo na bolečino, dotik in toploto), je našel gen, ki reagira na kapsaicin. Potem je odkril, da ta gen zapisuje protein za ionski kanal, tako da so receptor za kapsaicin poimenovali TRPV1. Izkazalo se je, da isti receptor aktivira tudi vročina. Kasneje sta Julius in Patapoutain odkrila še gen TRPM8 za receptor, ki ga aktivira mraz. TRPV1 in TRPM8 kodirata za več ionskih kanalov, ki se odzivajo na različne temperature.

Ardem Patapoutian je medtem na drugem koncu Kalifornije raziskoval, kako se celice odzivajo na dotik. V celični liniji, ki je ob dotiku z mikropipeto dala merljiv električni signal, so začeli lov na izmuzljivi gen. Prav tako so predvidevali, da gre za ionski kanal, zato so začeli iskati gen med 72 kandidati. Ko so enega za drugem utišali, so naposled odkrili ključni gen, ki so ga poimenovali Piezo1. Kasneje so odkrili še gen Piezo2, ki je podoben prvemu. Drugi se je v resnici izkazal še za pomembnejšega od prvega, oba pa sta pomembna ne le pri zaznavanju dotika, temveč tudi pri izpeljanih funkcijah, denimo dihanju ali uravnavanju krvnega tlaka.

Letošnja Nobelova nagrada je tesno povezana s kriomikroskopijo, za katero je bila leta 2017 podeljena Nobelova nagrada za kemijo. Brez kriomikroskopije bi težko ugotovili, kakšno strukturo imajo proteini, ki jih kodirajo odkriti geni, zato bi njihovo funkcijo raziskovali 20 do 30 let, je povedal Bailong Xiao, ki je pri Patapoutianu opravljal podoktorsko usposabljanje. Kanala Piezo1 in Piezo2 sta na primer strukturno bistveno drugačna od ostalih ionskih kanalov v celičnih membranah, zato je bilo dobro poznavanje njune strukture ključno. Julius je odigral tudi ključno vlogo pri razvoju kriomikroskopije.

Odkritje ionskih kanalov, ki so ključni za zaznavanje dražljajev temperatura in dotika, ima pomembne posledice tudi za zdravljenje. Zlasti kronične bolečine so velik problem, kjer je ena izmed poti za zdravljenje tudi blokada ionskih kanalov, ki so povezani s temi receptorji.