В октябре 2021 года Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Дэвиду Джулиусу и Ардему Патапутяну за открытие рецепторов температуры и прикосновения. В этой беседе с физиком Брайаном Грином на World Science Festival учёные рассказывают, как превратить физическое ощущение в химический сигнал и почему поиск ответов на фундаментальные вопросы требует готовности «прыгнуть со скалы».
🌶️ Путь Дэвида Джулиуса: от ЛСД в Беркли до жгучего перца 2:46
Дэвид Джулиус начал свой путь в науке с интереса к тому, как природные токсины и продукты влияют на нервную систему . Его всегда привлекала «химическая антропология»: как люди на протяжении веков находили активные ингредиенты в растениях для ритуалов, медицины или кулинарии и как учёные могут использовать эти знания для поиска сигнальных процессов в мозге .
Интерес к психоактивным веществам подогревался атмосферой Беркли. Джулиус вспоминает случай из времён своей учёбы: однажды ночью к нему подошли двое молодых людей и спросили, не осталось ли в здании биохимии того «невероятного ЛСД», который там синтезировали десятилетие назад . Этот эпизод заставил учёного задуматься о глубоком влиянии химических соединений на человеческое поведение. Впоследствии он работал в лаборатории Ричарда Акселя (лауреата Нобелевской премии), изучая серотониновые рецепторы, прежде чем сосредоточиться на соматосенсорной системе .
До работ Джулиуса осязание оставалось «отстающим» чувством:
- Зрение и слух были изучены лучше, так как их рецепторы локализованы в конкретных органах (глаза, уши) .
- Для изучения зрения учёные могли просто взять ведро коровьих глаз на бойне и проводить биохимический анализ .
- Осязание распределено по всему телу, и молекулярный механизм детекции боли и температуры долгое время оставался «Священным Граалем» нейробиологии .
Дэвид Джулиус решил превратить физическую проблему (воздействие тепла) в химическую, использовав капсаицин — активный компонент перца чили .
🧬 Эксперимент на грани провала: открытие TRPV1 15:16
Чтобы найти рецептор тепла, команда Джулиуса использовала метод гетерологичной экспрессии генов . Они взяли обычные клетки почек (линия HEK293), которые сами по себе не реагируют на перец, и начали вводить в них тысячи фрагментов ДНК из нейронов, отвечающих за боль .
Это была крайне рискованная стратегия по нескольким причинам:
- Ставка на один ген: Учёные предполагали, что за реакцию отвечает всего один белок. Если бы для детекции капсаицина требовался комплекс из нескольких белков, вероятность успеха была бы ничтожно мала .
- Сложность детекции: Они использовали кальций-чувствительные красители (разработанные Роджером Тсьеном), которые заставляли клетки светиться под микроскопом при попадании в них ионов кальция .
После месяца скрининга библиотек генов, содержащих по 10 000 фрагментов каждая, учёным удалось найти единственный клон ДНК, который делал клетку чувствительной к капсаицину. Так был открыт ионный канал TRPV1 . Позже выяснилось, что этот же канал активируется физическим теплом (выше 43°C).
Дэвид Джулиус объясняет «жгучесть» перца эволюционной случайностью: растение вырабатывает капсаицин, чтобы отпугивать млекопитающих (белок, поедающих семена), воздействуя на их болевые рецепторы . При этом птицы могут есть чили безболезненно, так как их версия канала не имеет кармана для связывания капсаицина .
📞 Пропущенные звонки из Стокгольма: история Ардема Патапутяна 39:25
Ардем Патапутян, родившийся в Ливане и имеющий армянские корни, узнал о своей Нобелевской премии при весьма необычных обстоятельствах. В ночь объявления он поставил телефон в режим «Не беспокоить» и пропустил четыре звонка из Швеции .
Представители Нобелевского комитета смогли дозвониться до его 94-летнего отца, живущего в Лос-Анджелесе. Отец, у которого сохранилась стационарная линия связи (landline), сначала рассердился на ночной звонок, но в итоге передал информацию сыну . Для Патапутяна это стало особенно важным моментом — услышать такую новость именно от отца .
🖐️ Механика жизни: как мы чувствуем давление 43:49
Работа Ардема Патапутяна была сосредоточена на механосенсации — способности клеток чувствовать физическую силу. Учёные десятилетиями знали о существовании ионных каналов, которые открываются при растяжении мембраны, но никто не мог идентифицировать сами молекулы .
Команда Патапутяна применила предельно редукционистский подход:
- Они нашли клеточную линию, которая выдавала электрический сигнал при нажатии на неё кончиком микропипетки .
- Затем они начали поочерёдно «выключать» гены-кандидаты.
- Бертран Кост, постдок в лаборатории Патапутяна, проверил 72 кандидата в течение года, получая только отрицательные результаты .
- Лишь на 72-м гене активность исчезла. Так были открыты каналы PIEZO1 и PIEZO2 (от греческого piesi — давление) .
Каналы PIEZO оказались огромными белками, состоящими из 38 трансмембранных доменов. По словам Патапутяна, это «профессиональные механосенсоры» . Молекула имеет форму винта с тремя лопастями, которые буквально искривляют клеточную мембрану . Когда на мембрану оказывается давление, «лопасти» натягиваются, открывая пору в центре для прохода ионов .
🩺 Широкий спектр функций PIEZO: от давления до мочевого пузыря 44:46
Хотя изначально каналы PIEZO искали как рецепторы осязания, оказалось, что они критически важны для функционирования всего организма:
- Проприоцепция: Благодаря PIEZO2 мы знаем, где находятся наши конечности, даже с закрытыми глазами . Люди с мутацией в этом гене не могут ходить без визуального контроля.
- Артериальное давление: Рецепторы в сосудах чувствуют растяжение стенок, помогая регулировать давление .
- Мочевой пузырь: Сигнал о том, что пора идти в туалет, — это результат работы PIEZO-каналов, чувствующих растяжение стенок пузыря .
- Иммунная система: Патапутян упоминает недавнее исследование, согласно которому иммунные клетки используют PIEZO для детекции давления, что влияет на их способность поглощать (фагоцитировать) другие клетки и регулировать уровень железа в крови .
- Растения: Удивительно, но гомологи PIEZO обнаружены в корнях растений. Они помогают корням «ощущать» твердость почвы и огибать препятствия .
🧠 Квалиа и советы молодым учёным 34:37
Брайан Грин поднял вопрос о «квалиа» — внутренней природе ощущений. Почему мы чувствуем именно «жар» или «боль», а не просто совершаем механический рефлекс?
Дэвид Джулиус считает, что когнитивный и эмоциональный компоненты боли необходимы для обучения . Рефлекс отдергивания руки от огня спасает ткани, но только эмоциональная память о боли заставляет нас больше не прикасаться к горячей плите и учить этому детей . Ардем Патапутян добавляет, что мозг часто «обманывает» нас: ощущение наполненности мочевого пузыря мы чувствуем не в самом пузыре, а в другом месте — это симуляция мозга, направленная на достижение нужного поведения .
В завершение беседы учёные дали советы будущим исследователям:
- Дэвид Джулиус: Не стоит заниматься тем, что не заставляет вас вскакивать с постели по утрам. Важно найти баланс между продуктивностью и готовностью «прыгнуть со скалы» ради по-настоящему крупного открытия .
- Ардем Патапутян: Ищите «золотую середину» (sweet spot) — важный фундаментальный вопрос, для решения которого как раз сейчас появились подходящие инструменты. Не пытайтесь решать вопрос сознания, пока для этого нет адекватных методов .
