В октябре 2021 года мир узнал имена новых лауреатов Нобелевской премии по физиологии или медицине — ими стали Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян. В рамках специального выпуска World Science Festival физик-теоретик Брайан Грин обсудил с учеными их путь к открытию, которое позволило человечеству понять, как наше тело переводит физические ощущения (тепло, холод, давление) в универсальный язык нервных импульсов.
🌶️ От «химической антропологии» к молекулам боли 4:48
Дэвид Джулиус начал свой путь в науке с интереса к тому, как природные токсины и растения влияют на нервную систему человека. Его привлекала область, которую он сам называет «химической антропологией» . Исследования начались с изучения галлюциногенов, таких как мескалин из кактуса пейот, и того, как человечество на протяжении веков использовало эти вещества в ритуальных и медицинских целях .
Главной целью Джулиуса стало понимание соматосенсорной системы, в частности, чувства боли. До его работ механорецепция и терморецепция считались наименее изученными областями по сравнению со зрением или обонянием .
Прорыв с помощью перца чили
Чтобы изучить тепловую чувствительность, Дэвид Джулиус пошел нестандартным путем: он перевел физическую проблему (тепло) в химическую плоскость, используя капсаицин — активный компонент острого перца .
- Методология: В лаборатории Джулиуса была создана библиотека кДНК (комплементарной ДНК) из нейронов, чувствительных к боли .
- Эксперимент: Ученые внедряли эти гены в клетки почек (HEK293), которые в обычном состоянии не реагируют на перец .
- Результат: После скрининга тысяч генов был обнаружен один единственный ген, ответственный за формирование ионного канала. Этот рецептор получил название TRPV1 .
Джулиус отмечает, что успех эксперимента был связан с определенной долей удачи: если бы за чувствительность к капсаицину отвечал комплекс из нескольких генов, вероятность успеха при использовании их метода снизилась бы экспоненциально .
🧊 Парадокс эволюции: почему мята «холодит» 26:35
Одним из самых удивительных открытий стало то, что рецептор TRPV1, найденный с помощью перца чили, оказался чувствительным и к реальному физическому теплу. По мнению Джулиуса, это «акцедент эволюции» : растения выработали капсаицин, чтобы отпугивать млекопитающих (белок, оленей), воздействуя на их болевые рецепторы, изначально предназначенные для защиты от ожогов.
Интересные факты о терморецепции:
- Птицы практически нечувствительны к капсаицину, что позволяет им поедать перец и разносить семена .
- Аналогичным образом был открыт рецептор холода TRPM8. Для его поиска использовали ментол — вещество из мяты, которое вызывает ощущение прохлады .
- Разные виды животных используют схожие механизмы по-разному: например, у плодовых мушек рецепторы, родственные нашим «васаби-рецепторам» (TRPA1), отвечают за восприятие тепла .
Дэвид Джулиус утверждает, что понимание структуры этих каналов (в частности, через криоэлектронную микроскопию) критически важно для создания новых обезболивающих, которые могли бы блокировать боль без побочных эффектов, характерных для опиоидов .
🖐️ Ардем Патапутян и поиски «профессионального» датчика давления 43:49
Ардем Патапутян, родившийся в Ливане и переехавший в США в возрасте 18 лет, сосредоточил свои усилия на механических силах. Если Дэвид Джулиус изучал «химическое тепло», то Патапутян искал механизм, благодаря которому мы чувствуем прикосновение одежд к коже или давление в мочевом пузыре .
Проблема поиска механорецепторов заключалась в их сложности: ученые долго не могли найти конкретные белки, которые открываются под действием физического растяжения мембраны.
Эксперимент «Кандидат №72»
Ардем Патапутян применил редукционистский подход, изучая клетки в пробирке, которые выдавали электрический сигнал при нажатии на них пипеткой .
- Команда выделила около 300 генов-кандидатов, которые потенциально могли кодировать ионные каналы.
- Постдок Бертран Косте (Bertrand Coste) поочередно отключал эти гены один за другим (метод loss-of-function).
- Целый год работа приносила только отрицательные результаты. Лишь на 72-м кандидате клетка перестала реагировать на давление .
Найденные белки получили название PIEZO1 и PIEZO2 (от греческого píesi — давление) .
🏗️ Архитектура чувств: как работают PIEZO-каналы 50:39
В ходе интервью Ардем Патапутян продемонстрировал 3D-модель рецептора PIEZO. Это один из самых крупных известных ионных каналов в организме человека.
- Структура: Белок состоит из трех идентичных субъединиц и имеет форму лопасти пропеллера .
- Механизм: Рецептор буквально «вмять» в клеточную мембрану. Когда мембрана растягивается под давлением, «лопасти» пропеллера меняют конфигурацию, открывая пору в центре для прохождения ионов .
- Универсальность: Патапутян обнаружил, что точно такие же белки есть у растений. В корнях растений они помогают чувствовать твердость почвы и огибать препятствия (например, камни) .
По словам Патапутяна, PIEZO2 отвечает не только за осязание, но и за проприоцепцию — способность чувствовать положение своего тела в пространстве с закрытыми глазами . Люди с мутациями в этом гене лишены чувства касания, но, что удивительно, продолжают чувствовать острую боль (например, от пореза или удара молотком), что указывает на существование еще не открытых «датчиков боли» .
🧠 Боль как эмоция и «симуляция» мозга 56:08
Оба ученых сошлись во мнении, что наше восприятие мира — это не прямая «фотография» реальности, а сложная интерпретация или симуляция, созданная мозгом для выживания .
Ардем Патапутян приводит в пример процесс мочеиспускания: реальное давление создается в мочевом пузыре, но человек ощущает необходимость пойти в туалет совсем в другом месте. Это способ мозга заставить нас действовать . Он определяет боль не просто как электрический сигнал, а как «эмоцию» .
Дэвид Джулиус добавил, что когнитивный и эмоциональный компоненты боли критически важны для формирования памяти . Без ощущения страдания и «внутреннего переживания» боли мы бы совершали одни и те же опасные действия снова и снова, даже если бы срабатывал защитный спинальный рефлекс.
🎓 Советы молодым ученым: как найти «Sweet Spot» 35:56
В завершение беседы Брайан Грин попросил нобелевских лауреатов дать советы тем, кто только начинает свой путь в науке.
- Дэвид Джулиус: «Не занимайтесь тем, что вам не интересно только ради грантов» . Он призывает молодых ученых не бояться рисковать и выделять часть ресурсов на «сумасшедшие» идеи, которые могут изменить ландшафт науки .
- Ардем Патапутян: Важно найти «золотую середину» (sweet spot) между важностью вопроса и наличием инструментов для его решения . Он считает, что браться за вопрос сознания сейчас преждевременно, так как у нас нет инструментов для его изучения, в то время как механизмы осязания были готовы к открытию именно в последнее десятилетие .
