Od papryczki chili i mięty do Nagrody Nobla

Kiedy dotykamy zbyt ciepłej szklanki z herbatą, automatycznie cofamy rękę. Odczuwamy ból, na który nasz organizm potrafi szybko zareagować. Wszystko dzieje się za sprawą receptorów, które posiadamy w skórze. To one odpowiednio pobudzone informują nas o cieple, zimnie czy dotyku.  Intensywność tych doznań reguluje naszą reakcję: zbyt mocne pobudzenie ostrzega nas przed niebezpieczeństwem i wywołuje natychmiastowe działanie. W ten sposób organizm odpowiada na informacje pochodzące ze środowiska. Jednak do niedawna to, w jaki sposób inicjowane są impulsy nerwowe, aby mogły przekazywać informacje, nie było w pełni poznane. Zagadnieniami tymi zajęło się niezależnie dwóch naukowców – David Julius i Ardem Patapoutian – którzy w 2021 r. otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii.

Kontakt ze środowiskiem zewnętrznym

Spróbuj wyobrazić sobie, co by było, gdybyśmy byli pozbawieni możliwości odczuwania bodźców bólowych. Na pierwszy rzut oka wydaje się to całkiem przyjemne, ale czy wiesz, że można cierpieć z tego powodu na bardzo poważną chorobę – analgezję wrodzoną? Pacjenci posiadający to zaburzenie żyją w nieustannym niebezpieczeństwie. Mimo tego że mogą odczuwać bodźce, takie jak temperatura czy dotyk, nie odczuwają przy tym bólu. Dla nich nie ma zbyt gorącej kąpieli czy mocnego uderzenia. Nieustannie muszą być ostrożni, ponieważ ich ciała nie są w stanie ostrzec ich przed zagrożeniami. To, że zdrowy organizm może przekształcać bodźce mechaniczne czy temperaturowe w ból, jest niezwykle ważne.

Odkrycia naukowców ujawniły występowanie w organizmie wyspecjalizowanych neuronów czuciowych, które rejestrują zmiany w naszym środowisku. Niemniej dotychczas nie było wiadomo, w jaki sposób bodziec, wywołany na przykład przez temperaturę, był przekształcany w impuls elektryczny w układzie nerwowym. David Julius odkrył, jak zbadać ten proces, a posłużył się w tym celu… papryczkami chili. 

Ryc. 1. Struktura kapsaicyny

Chili dla ciepła, mentol by chłodzić

David Julius, jeden z laureatów tegorocznej Nagrody Nobla, w swoich badaniach wykorzystał papryczki chili. A dokładnie wyizolowany z nich związek – kapsaicynę – która odpowiada za ostry smak papryczek, wywołując w nas odczucia ciepła, a czasami nawet bólu po ich spożyciu. Związkiem tym stymulował komórki neuronalne. Naukowiec wraz z zespołem stworzył bibliotekę milionów fragmentów DNA, które ulegają ekspresji, czyli aktywacji w komórkach czuciowych. Założeniem tego badania było znalezienie fragmentu DNA, który koduje białko reagujące na kapsaicynę i to się udało! Odnaleziono gen kodujący nieznane białko kanału jonowego nazwane TRPV1, które jest aktywowane w komórkach także pod wpływem temperatury powyżej 43oC. Odkryto również receptor TRPM8 odpowiadający za reakcję na zimno. W tym celu zarówno David Julius, jak i Ardem Patapoutian niezależnie od siebie użyli mentolu – związku występującego w mięcie. Przy okazji odkryli także inne białka kanałów jonowych, które odpowiadają za szereg reakcji organizmu na zmianę temperatury.

Rozwój medycyny

To, jak nasz organizm przekształca bodźce mechaniczne, do niedawna było niezbadane. Tym zagadnieniem zajął się Ardam Patapoutian. W swoich eksperymentach wykorzystał komórki, które po nakłuciu mikropipetą emitowały sygnał elektryczny. W wyniku eksperymentów zidentyfikował 72 możliwe geny odpowiedzialne za reakcje na bodźce mechaniczne. Następnie przeprowadził serię eksperymentów, w których blokował pojedynczo w komórkach aktywność każdego z wybranych genów. W końcu znalazł te, których wyłączenie powodowało, że komórki już nie były w stanie emitować sygnałów elektrycznych pod wpływem nakłuć. Brak reakcji oznaczał, że był to istotny gen biorący udział w emisji sygnału, czyli także w reakcji na bodziec.

Odkryto nowe i całkowicie nieznane kanały jonowe, którym nadano nazwę Piezo 1 i Piezo 2. W dalszych pracach wykazano, że te kanały są bezpośrednio aktywowane przez wywieranie nacisku na błony komórkowe. Co więcej, kanały te prawdopodobnie posiadają także inną, ważną rolę w oddychaniu i regulacji ciśnienia krwi. Dalsze badania dostarczą na pewno nowych informacji na ten temat.

Ryc. 2. Nagroda Nobla 2021

Nagroda Nobla 2021

W świecie nauki zdobycie Nagroda Nobla to najważniejsze wyróżnienie, dlatego co roku cały świat śledzi osiągnięcia laureatów. David Julius i Ardem Patapoutian dokonali przełomowych odkryć, dzięki czemu w przyszłości możliwe będzie opracowanie nowych, bardziej precyzyjnych metod leczenia bólu.

Materiały źródłowe