Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2021 году получили Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян – за открытие рецепторов, позволяющих нам воспринимать температуру и прикосновения. По сути, это работа по базовой нейрофизиологии, которая раскрывает механизмы восприятия нашим телом внешних раздражителей и перевода их в понятные мозгу сигналы.
Рассказываем, как лауреаты узнали, что их отметили премией, и что именно открыл каждый из них.
Ожидаемая неожиданность
Узнать о вручении тебе Нобелевской премии можно по-разному – и большая часть курьезных историй на эту тему приходит с Западного побережья США, где в момент традиционного объявления лауреатов (около 11:30 по среднеевропейскому времени) стоит глубокая ночь. Одним из таких курьезов стала и история Ардема Патапутяна – 54-летнего ливанца, переехавшего в США в 19 лет для учебы в Университете Калифорнии в Лос-Анджелесе, да так и осевшего в этом богатом на научные возможности штате, – сейчас он работает в институте Скриппс в Ла-Хойе.
Когда представитель Нобелевского комитета Адам Смит в телефонном интервью в прямом эфире спросил Патапутяна, каково ему было получить звонок от организаторов премии, он ответил: "На моем телефоне стоял режим "не беспокоить", так что я не получил вашего звонка. Зато его получил мой отец, которому 92 года, он живет в Лос-Анджелесе. То есть я узнал [о присуждении Нобелевской премии] от него – и это было действительно очень особенное ощущение!"
Профессор Ардем Патапутян. Фото предоставлено Reuters профессором Патапутяном
Хотя саму премию вряд ли можно назвать большим сюрпризом. Работы Патапутяна и второго лауреата – Дэвида Джулиуса – уже собрали массу престижных призов, а в 2020 году ученые разделили премию Кавли по нейронаукам – одну из признанных "преднобелевских премий". Важность работ по доскональному изучению наших чувств – не на уровне органов, а на уровне молекулярных механизмов, – не нуждается в пояснении, и Нобелевский комитет не впервые делает выбор в пользу работ такого рода.
"Сегодняшняя Нобелевская премия по физиологии и медицине продолжает серию премий, которые присуждены за изучение наших чувств. Уже было присуждено несколько премий по зрению, премия по слуху, недавно была премия за работу по обонятельным рецепторам. И вот, наконец, еще два чувства – две составляющих осязания: это чувство болевой терморецепции и проприоцепции. Важно, что сейчас Нобелевская премия "опустилась" на уровень молекулярных рецепторов – так что, как ни странно, фактически это Нобелевская премия по химии", – говорит Алексей Паевский, главный редактор портала "Нейроновости".
В чем перец?
Органы чувств и рецепторы играют важнейшую роль в функционировании человека. Мы тем и сильны, что можем очень полно воспринимать информацию о внешнем мире – а затем ее качественно анализировать. Еще в XVII веке философ и математик Рене Декарт – чисто умозрительно – предположил, что существуют некие нити, соединяющие разные части кожи с мозгом: так что нога, ступающая в огонь, передает механический сигнал в мозг. Однако о молекулярном механизме реализации этой гениальной догадки наука до последнего времени знала непростительно мало. Именно чувствительные к прикосновениям клетки сообщают об опасности, исходящей от горячего, холодного или иногда – ядовитого. Они же отличают безвредное ласковое прикосновение от удара молотком по пальцу. Обязанности этих клеток не ограничиваются тактильными ощущениями – от них зависит также слух, а сенсорные органы контролируют функции сердца, кровеносных сосудов, легких и печени, поясняется в сообщении Howard Hughes Medical Institute, который поддерживает работу обоих лауреатов.
Ардем Патапутян смог разобраться с функционированием ионных каналов в чувствительных к прикосновениям клетках, которые отвечают за восприятие изменения температуры. Он назвал их "молекулярными термометрами" тела – один из них реагирует на прохладные температуры и вызывающий это ощущение ментол, другие – на потенциально опасные вещества, например, раздражители из чеснока и васаби.
Кроме того, его группе удалось идентифицировать два ионных канала – Piezo1 и Piezo2, – которые ответственны за восприятие клетками механических сил (например, давления и растяжения). Они находятся в самых разных тканях, так что ученый надеется еще продвинуться в изучении того, как эти каналы регулируют разнообразные биологические процессы, а также, возможно, влияют на развитие разных заболеваний.
Дэвид Джулиус родился в Нью-Йорке на Брайтон Бич, учился в Массачусетском технологическом институте, а теперь тоже работает на Западе – в Университете Калифорнии в Сан-Франциско. Независимо от Патапутяна он изучал молекулярные механизмы чувства горячего и холодного, а также боли. В его лаборатории изучали действие тех же ментола, васаби и капсаицина – жгучего вещества острого перца, – чтобы понять, как сенсорные нейроны распознают холод, тепло, зуд и другие ощущения. За изучение восприятия боли Джулиус в 2010 году получил еще одну престижную премию – премию Шо.
Дэвид Джулиус и его супруга, профессор Университета Калифорнии Холли Ингрэм, после получения новостей о том, что Джулиус получил Нобелевскую премию. Фото: UCSF via Reuters
Его группа сосредоточилась на изучении капсаицина. Ученые исходили из гипотезы, что это вещество воспринимает один рецептор, за работу которого отвечает также всего один ген. Чтобы проверить эту гипотезу, они скрупулезно добавляли отдельные фрагмент ДНК в геном клеток, которые сами по себе чувствительны к острому не были. К каждому такому "мунтанту" они применяли капсаицин и затем регистрировали их активность. Таким образом они проверили миллионы фрагментов ДНК, но в конце концов все-таки нашли именно тот ген, который обеспечивает клетки умением распознавать перец чили.
"Это был проект с очень высоким уровнем риска, однако, перебрав огромное количество фрагментов ДНК, ученым все-таки удалось поймать рецептор капсаицина. Это теплочувствительный ионный канал, который обеспечивает болевые ощущения от высокой температуры", – отметил член Нобелевского комитета Патрик Энфорс, рассказывая об исследовании в ходе традиционной пресс-конференции.
Найденный ген, как оказалось, кодирует белок TrpV1 – еще один ионный канал, находящийся во внешней мембране клетки. Когда модельную клетку подогрели, канал открылся – так был раскрыт механизм ощущения горячего.
Ощущение премии
Можно сказать, что оба лауреата вместе сложили пазл: теперь понятно, как тепло, холод и механическое воздействие инициируют нервные импульсы, которые позволяют нам воспринимать мир вокруг нас и избегать его опасностей. Ионные каналы TRP отвечают за восприятие температуры. Канал Piezo2 дает нам тактильное чувство, но не только – он также отвечает за проприоцепцию, чувства собственного тела в пространстве. Вместе они участвуют в осуществлении целой группы физиологических функций, которые зависят от нашей реакции на температурный или механический стимул.
"При этом часть премии, которая посвящена рецепторам TRP, – это еще и премия за органы вкуса. Потому что именно этими рецепторами мы ощущаем острый вкус, хотя это псевдовкус, он не имеет отношения к классическому вкусу. Так что мы наконец-то охватили Нобелевскими премиями всю сенсорную систему человека", – подытоживает Алексей Паевский.
Сумма Нобелевской премии, которую Джулиус и Патапутян разделят пополам, составляет 10 млн шведских крон (примерно $1,1 млн). Церемония награждения пройдет на традиционном мероприятии в Стокгольме. В 2020-м награждение состоялось по большей части онлайн, но в этом году все надеются на возобновление обычных мероприятий.
СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: Понятно о Нобелевской премии: как открыли гепатит C, в каком фильме снялась настоящая черная дыра и зачем резать ДНК