A 2021-es Fiziológiai és Orvostudományi Nobel-díjat David Julius és Ardem Patapoutian kapták a fájdalomérzékelés és a tapintás molekuláris alapjainak feltárásáért. Ez a negyedik Nobel-díj, amit valamilyen érzékelési folyamat felfedezéséért osztott ki a Nobel-bizottság. Julius és Patapoutian eredményeinek köszönhetően manapság már szinte mindent tudunk arról, hogyan alakítja az idegrendszer elektromos jellé a külvilág minden fontos rezdülését.

A természettudományi Nobel-díjakat a terület legrangosabb elismerésének tartják. Évről évre olyan kutatók kapják, akiknek kiemelkedő szerepe volt egy bizonyos természeti jelenség alaposabb megértésében. A Fiziológiai és Orvostudományi Nobel-díj a biológia területének elismerése, melyet például a vércsoportok, vagy a penicillin antibakteriális hatásának felfedezéséért osztottak ki.

Az “orvosi Nobelt” már több mint száz alkalommal adták át (az I. és a II. Világháború alatt kimaradt néhány év), és ebből nagyjából huszat az idegrendszerrel kapcsolatos eredményekért ítéltek oda. Nem véletlen, hiszen az idegrendszer számtalan funkciója a biológiai szerveződés szintjeit átívelve valósul meg, és olyan elképesztő jelenségeket hoz létre, mint a logika, vagy a társadalmi szerveződés.

Hogyan észleljük a környezetünk ingereit?

A tudomány nagy kérdéseit nem nehéz szem elől téveszteni, hiszen az évezredek alatt felhalmozott ismereteknek köszönhetően manapság már másképp hangzanak ezek a kérdések, mint ahogy az megfogalmazódik a hétköznapi ember fejében. Hogyan érzékeljük a körülöttünk lévő világot? Ez a kérdés minden bizonnyal a kezdetektől fogva elgondolkodtatta az embereket és manapság is hasonlóképp izgalmasnak hangzik.

E kérdésre a legpontosabb választ a modern idegtudomány adhatja, ám a magát a kérdést egy kicsit másképp fogalmazzák meg a területen tevékenykedő tudósok. Hogyan hoznak létre az idegrendszer receptorai elektromos jeleket a környezet ingereinek hatására? Ennek a kérdésnek egy specifikusabb változatát válaszolták meg az idei Fiziológiai és Orvostudományi Nobel-díjjal díjazott kutatók: Hogyan hoznak létre a bőrben lévő receptorok elektromos jeleket a hőmérséklet megváltozása és a bőrre nehezedő nyomás hatására?

Elektromos jelek az észlelésben

Az észlelés mai ismereteink szerint az idegrendszer tevékenységének eredményeképp jön létre. Mindezt épp azok a felfedezések tisztázták, melyekért Nobel-díjakat ítéltek oda az utóbbi évszázadban. Már a XIX. században világossá vált, hogy az idegrendszer működését alapvetően képes befolyásolni az elektromosság. Idővel kiderült, hogy ez azért van így, mert normálisan az idegsejtek egyenlőtlen ioneloszlást tartanak fenn a membránjuk két oldalán. Ez pillanatszerűen kiegyenlítődhet, ez a folyamat pedig tovaterjedhet a sejt nyúlványain az idegrendszer más sejtjeire.

Az is kiderült, hogy amint az agy bizonyos pontjaira jutnak ezek az elektromos jelek, kialakul a tudatos észlelet. Hogy ez miképp történik, az talán az egyik legnagyobb misztérium. Hogyan lesz az idegsejtek elektromos tevékenységéből tudatos élmény? Elképzelni sem lehet jelenleg erre kielégítő magyarázatot, ezt a filozófusok a tudatosság nehéz kérdésének nevezik. Mindenesetre abban minden szakértő egyetért, hogy az érzékelés első lépése, hogy a környezet ingereinek hatására kialakul ez az elektromos jel az idegrendszer egy pontján.

Szignáltranszdukció, avagy környezeti jelből neurális jel

A látást, a hallást, a szaglást, az ízlelést, a tapintást az érzékelés modalitásainak szokták nevezni. A különböző modalitások különböző környezeti ingerekre érzékenyek és az érzékenység hátterében az áll, hogy specializált receptoroknak köszönhetően az adott környezeti inger beindítja az ionok eloszlásának kiegyenlítődését, vagyis az akciós potenciált, a sejtaktivációt.

A látás esetében például a retina fényérzékeny receptorainak membránja olyan fehérjét tartalmaz, ami egy fényérzékeny vegyületet képes kötni. A vegyület (retinal) fény hatására átalakul, ez az átalakulás pedig molekuláris interakciók sorozatát indítja el a sejtben, melyek eredményeképp a sejtben lévő ionkoncentráció megváltozik, a jelátvivő molekulák kibocsájtása ennek megfelelően szintén megváltozik, és így a soron következő sejt állapota is megváltozik. Tudjuk, hogy a szaglóhámban lévő receptorokon különféle kémiai anyagok hatására nyílnak ioncsatornák. A belső fülben a hangrezgések egy membránt mozgatnak meg, amin nyúlványos receptorok helyezkednek el, melyek nyúlványai elhajolnak a rezgésektől és ez a mozdulat kinyitja a sejtek ioncsatornáit (úgy működnek, mint egy csapóajtó).

Hőmérséklet és tapintás

Világos, hogy a látás, hallás és szaglás mellett egy sor más fontos környezeti információt is képesek vagyunk érzékelni. Érzékeljük például a külső hőmérsékletet. David Julius díjazott kutatása tulajdonképpen arra a megfigyelésre épült, hogy a külső hőmérséklet megemelkedésénék érzését egy vegyület is képes kiváltani. Ez a vegyület a csípős paprikákban található kapszaicin.

Julius kutatócsoportjának viszonylag könnyen sikerült azonosítania olyan érzékelő idegsejteket, amelyek aktiválódnak a kapszaicin hatására. A munka nehezebb része ezután következett. Karakterizálni kellett a sejtek génexpresszióját, vagyis, hogy milyen fehérjéket állítanak elő, hiszen ezek között sejtették a receptort, a fehérjét, amely a kapszaicin hatására ionáramokat generál. A sejtekben kifejeződő gének azonosítása után a géneket egyesével fejeztették ki sejttenyészetekben géntechnológiai módszerekkel. Ezután megvizsgálták, hogy melyik gént kifejező sejttenyészet vált érzékennyé a kapszaicinre és így meg is találták a receptort (TRPV1). Hamarosan kiderült, hogy ezek a receptorok nem csak a kapszaicin hatására nyílnak ki, hanem egy bizonyos hőmérsékleti érték elérése után is egyre nagyobb valószínűséggel változtatják meg a térszerkezetüket spontán. További vizsgálatok azt is feltárták, hogy hasonló receptorok felelnek a hűvös hőmérsékletek érzékeléséért is (ezeket is kinyithatja kémiai vegyület: a mentol).

Ardem Patapoutian és csapata az imént felvázolt módszerhez kísérletetiesen hasonló eljárással fedezték fel a tapintás hátterében álló receptort. A kutatócsoport azonosított egy sejtvonalat, melynek tagjai ionáramokat produkáltak érintés hatására, majd megfigyelték, hogy melyik gén kiütése szünteti meg ezt az érzékenységet. Így fedezték fel a Piezo1 névre keresztelt receptort, amelyről az utóbbi években az is kiderült, hogy pontosan milyen térszerkezet-változás eredményeképp enged át ionokat a membránon (a név egyébként a görög nyomás szóból származik). 

Az idei orvosi Nobel-díj tehát azokért a kutatásokért járt, melyek az érzékelés rejtelmeiről oszlattak el némi ködöt. Az eredmények az orvoslásra is nagy hatással lehetnek és nyilvánvalóan lehetővé tették, hogy egyre jobb válaszokat adhassunk az ámulatba ejtő kérdésre: Hogyan észleljük a külvilágot?

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/44. számában, az Agyi aktualitások rovatban jelent meg.

Forrás

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/