Piše Brin Najžer
Ste se kdaj vprašali, kako naše telo ve, da je zunaj vroče ali mraz? In kako ve, da smo se nečesa ali nekoga dotaknili? Na ta vprašanja sta odgovorila fiziolog David Julius in biolog Ardem Patapoutian, ki sta za odkritja receptorjev za temperaturo in dotik prejela Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za leto 2021. Znanstvenika sta razkrila molekularno ozadje zaznavanja temperature in dotika, ki sta dva izmed najbolj pomembnih čutov, ki jih uporabljamo za zaznavanje sveta okoli nas.
Delovanje čutil običajno jemljemo kot samoumevno, njihov natančen način delovanja pa dolgo ni bil znan niti medicinski znanosti. Rene Descartes si je na primer pred več kot 300 leti predstavljal, da različne dele kože z možgani povezujejo niti, po katerih se prevajajo mehanični signali. Kasneje so znanstveniki odkrili specializirane senzorične nevrone, ki zaznavajo spremembe v našem okolju. Za odkritje živčnih vlaken, ki reagirajo na različne impulze, kot so boleč ali neboleč dotik, sta leta 1944 Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino prejela Joseph Erlanger in Herbert Gasser. Zaradi njunega dela, in dela mnogih drugih raziskovalcev danes vemo, da so posamezne živčne celice specializirane za prenos različnih vrst dražljajev. Do odkritij Davida Jiliusa in Ardema Patapoutiana pa nismo vedeli, kako se ti zunanji dražljaji dejansko spremenijo v električne impulze, ki jih prenašajo naši živci.
V poznih 90. letih prejšnjega stoletja se je David Julius z Univerze v Kaliforniji – San Francisco s svojo ekipo podal na pot raziskovanja, kako zaznavamo temperaturo. Pri tem so si pomagali z zanimivo spojino, kapsaicin, ki je mnogim izmed nas znana kot pekoča sestavina v feferonih in drugih pekočih paprikah.
Kapsaicin ob stiku s kožo povzroča občutek bolečine in vročine, ni pa bilo znano, na kakšen način se ta kemijska reakcija dejansko spremeni v živčni impulz, ki našim možganom pove, da nas stik s kapsaicinom boli in peče.
David Julius je s kolegi ustvaril milijonsko zbirko fragmentov DNA, ki vsebujejo gene povezane s senzoričnimi nevroni, ki se odzivajo na bolečino, vročino in dotik. Izhajali so iz hipoteze, da bodo v tej zbirki našli točno določen fragment DNA, ki bo vseboval specifičen protein, ki reagira na kapsaicin. Iz zbirke so izluščili posamezne gene v vzgojenih celicah, ki same ne reagirajo na kapsaicin. Po dolgem iskanju so našli en sam gen, ki je povzročil, da so celice postale odzivne na to spojino in s tem odkrili gen za zaznavanje kapsaicina. Po nadaljnjih raziskavah so odkrili, da gen, ki so ga poimenovali TRPV1, zapisuje protein za ionski kanal. Ko je Julius raziskoval, kako se ta protein odziva na toploto je ugotovil, da je pravzaprav odkril receptor, ki ga aktivirajo temperature, ki jih telo smatra za boleče (nad 43 stopinj). Odkritje proteina TRPV1 je omogočilo razumevanje tudi drugih receptorjev za temperaturo. Neodvisno drug od drugega sta nato tako Julius kot Ardem Patapoutian, z uporabo spojine mentol, ki ob stiku s kožo povzroča občutek hlajenja, odkrila receptor, poimenovan TRPM8, ki ga aktivira mraz. Izkazalo se je, da TRPV1 in TRPM8 kodirata za več ionskih kanalov, ki se odzivajo na različne temperature in kako le-te aktivirajo električni impulz v našem živčnem sistemu.
Skoraj sočasno je Ardem Patapoutian na drugem koncu Kalifornije raziskoval, kako se celice odzivajo na dotik in pritisk. Raziskovalci so že odkrili mehanične senzorje v bakterijah, a nihče še ni razvozlal mehanizma zaznavanja dotika pri vretenčarjih. Patapoutian, ki je deloval pri Scripps Research v La Jolli, je želel zapolniti to verzel in najti receptorje, ki bi jih aktivirala mehanična stimulacija.
Podobno kot Julius, ki je najprej vzpostavil ogromno zbirko vzorcev, je Patapoutian s svojo ekipo najprej izoliral celično linijo, ki je ob dotiku z mikropipeto oddala merljiv električni signal. Sklepali so, da receptor aktivira ionski kanal in identificirali 72 potencialnih genov. Gene so posamično aktivirali enega za drugim, da bi našli tistega, ki je odgovoren za občutljivost na mehanske impulze v celicah. Po dolgem in napornem iskanju so odkrili gen, pri katerem se celica ni več odzivala na dotik z mikropipeto, če so ga izklopili. S tem so odkrili popolnoma nov ionski kanal, občutljiv na mehanske impulze, ki so ga poimenovali Piezo1, po grški besedi piesi za pritisk, dotik. Kasneje so odkrili še gen Piezo2, ki je podoben prvemu, in se je izkazal za še bolj pomembnega. Ionski kanal Piezo2 je namreč ključni element za čut dotika, pošilja pa tudi impulze, povezane z zaznavanjem položaja in gibanjem telesa, kar imenujemo propriocepcija. Dodatne študije so pokazale, da tako Piezo1 kot Piezo2 uravnavata tudi druge pomembne fiziološke procese, kot so krvni tlak, dihanje in nadzor sečnega mehurja.
