Senin, 4 Oktober 2021 Majelis Nobel di Institut Karolinska telah memutuskan untuk menganugerahkan Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran 2021 kepada David Julius dan Ardem Patapoutian “atas penemuan reseptor suhu dan sentuhan”. 

Penemuan mereka telah membuka salah satu rahasia alam dengan menjelaskan dasar molekuler untuk merasakan panas, dingin, dan gaya mekanis, yang merupakan dasar bagi kemampuan kita untuk merasakan, menafsirkan, dan berinteraksi dengan lingkungan internal dan eksternal kita.

Kemampuan kita untuk merasakan panas, dingin, dan sentuhan sangat penting untuk kelangsungan hidup dan menopang interaksi kita dengan dunia di sekitar kita.

Dalam kehidupan sehari-hari kita menerima sensasi ini begitu saja. 

Tetapi bagaimana impuls saraf dimulai sehingga suhu dan tekanan dapat dirasakan?

Pertanyaan ini telah dipecahkan oleh pemenang Hadiah Nobel tahun ini.

David Julius menggunakan capsaicin, senyawa pedas dari cabai yang menyebabkan sensasi terbakar, untuk mengidentifikasi sensor di ujung saraf kulit yang merespons panas.[1]

Ardem Patapoutian menggunakan sel yang peka terhadap tekanan untuk menemukan kelas sensor baru yang merespons rangsangan mekanis di kulit dan organ dalam.

Penemuan terobosan ini meluncurkan kegiatan penelitian intensif yang mengarah pada peningkatan pesat dalam pemahaman kita tentang bagaimana sistem saraf kita merasakan rangsangan panas, dingin, dan mekanis.

Para pemenang mengidentifikasi mata rantai penting yang hilang dalam pemahaman kita tentang interaksi kompleks antara indera kita dan lingkungan.

Bagaimana kita memandang dunia?

Salah satu misteri besar yang dihadapi umat manusia adalah pertanyaan tentang bagaimana kita merasakan lingkungan kita.

Mekanisme yang mendasari indera kita telah memicu rasa ingin tahu kita selama ribuan tahun. 

Misalnya, bagaimana cahaya dideteksi oleh mata, bagaimana gelombang suara memengaruhi telinga bagian dalam kita, dan bagaimana senyawa kimia yang berbeda berinteraksi dengan reseptor di hidung dan mulut kita yang menghasilkan bau dan rasa. 

Kita juga memiliki cara lain untuk memahami dunia di sekitar kita. Bayangkan berjalan tanpa alas kaki melintasi halaman rumput di hari musim panas yang terik. Anda bisa merasakan panasnya matahari, belaian angin, dan helaian rumput di bawah kaki Anda. Kesan suhu, sentuhan, dan gerakan ini penting untuk adaptasi kita terhadap lingkungan yang terus berubah.

Pada abad ke-17, filsuf René Descartes membayangkan benang yang menghubungkan berbagai bagian kulit dengan otak. Dengan cara ini, kaki yang menyentuh api terbuka akan mengirimkan sinyal mekanis ke otak (Gambar 1).

Penemuan kemudian mengungkapkan keberadaan neuron sensorik khusus yang mencatat perubahan di lingkungan kita. Joseph Erlanger dan Herbert Gasser menerima Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran pada tahun 1944 untuk penemuan mereka tentang berbagai jenis serabut saraf sensorik yang bereaksi terhadap rangsangan yang berbeda, misalnya, dalam menanggapi sentuhan yang menyakitkan dan tidak menyakitkan.

Sejak saat itu, telah ditunjukkan bahwa sel-sel saraf sangat terspesialisasi untuk mendeteksi dan mentransduksi berbagai jenis rangsangan, memungkinkan persepsi bernuansa lingkungan kita.

Misalnya, kapasitas kita untuk merasakan perbedaan tekstur permukaan melalui ujung jari kita, atau kemampuan kita untuk membedakan kehangatan yang menyenangkan, dan panas yang menyakitkan.

Sebelum penemuan David Julius dan Ardem Patapoutian, pemahaman kita tentang bagaimana sistem saraf merasakan dan menafsirkan lingkungan kita masih mengandung pertanyaan mendasar yang belum terpecahkan: bagaimana suhu dan rangsangan mekanis diubah menjadi impuls listrik di sistem saraf?


Gambar 1 Ilustrasi yang menggambarkan bagaimana filsuf René Descartes membayangkan bagaimana panas mengirimkan sinyal mekanis ke otak.

Sains memanas!

Di penghujung tahun 1990-an, David Julius di University of California, San Francisco, AS, melihat kemungkinan kemajuan besar dengan menganalisis bagaimana senyawa kimia capsaicin menyebabkan sensasi terbakar yang kita rasakan saat bersentuhan dengan cabai.[2]

Capsaicin sudah diketahui mengaktifkan sel-sel saraf yang menyebabkan sensasi nyeri, tetapi bagaimana bahan kimia ini benar-benar menjalankan fungsi ini masih merupakan teka-teki yang belum terpecahkan.

Julius dan rekan kerjanya menciptakan perpustakaan jutaan fragmen DNA yang sesuai dengan gen yang diekspresikan dalam neuron sensorik yang dapat bereaksi terhadap rasa sakit, panas, dan sentuhan.[3]

Julius dan rekan berhipotesis bahwa perpustakaan akan menyertakan fragmen DNA yang mengkode protein yang mampu bereaksi terhadap capsaicin.

Mereka mengekspresikan gen individu dari koleksi ini dalam sel kultur yang biasanya tidak bereaksi terhadap capsaicin. Setelah pencarian melelahkan, gen tunggal diidentifikasi yang mampu membuat sel-sel capsaicin sensitif (Gambar 2).

Gen untuk penginderaan capsaicin telah ditemukan!

Eksperimen lebih lanjut mengungkapkan bahwa gen yang diidentifikasi mengkodekan protein saluran ion baru dan reseptor capsaicin yang baru ditemukan ini kemudian dinamai TRPV1.[4]

Ketika Julius menyelidiki kemampuan protein untuk merespons panas, ia menyadari bahwa ia telah menemukan reseptor penginderaan panas yang diaktifkan pada suhu yang dianggap menyakitkan (Gambar 2).


Gambar 2 David Julius menggunakan capsaicin dari cabai untuk mengidentifikasi TRPV1, saluran ion yang diaktifkan oleh panas yang menyakitkan. Saluran ion terkait tambahan diidentifikasi dan kita sekarang memahami bagaimana suhu yang berbeda dapat menginduksi sinyal listrik dalam sistem saraf. Penemuan TRPV1 merupakan terobosan besar yang memimpin jalan untuk mengungkap reseptor penginderaan suhu tambahan.

Secara independen satu sama lain, baik David Julius dan Ardem Patapoutian menggunakan bahan kimia mentol untuk mengidentifikasi TRPM8, reseptor yang terbukti diaktifkan oleh dingin.[5]

Saluran ion tambahan yang terkait dengan TRPV1 dan TRPM8 diidentifikasi dan ditemukan diaktifkan oleh kisaran suhu yang berbeda.

Banyak laboratorium mengejar program penelitian untuk menyelidiki peran saluran ini dalam sensasi termal dengan menggunakan tikus yang dimanipulasi secara genetik yang tidak memiliki gen yang baru ditemukan ini.

Penemuan TRPV1 oleh David Julius adalah terobosan yang memungkinkan kita memahami bagaimana perbedaan suhu dapat menginduksi sinyal listrik dalam sistem saraf.

Penelitian di bawah tekanan!

Sementara mekanisme sensasi suhu sedang berlangsung, masih belum jelas bagaimana rangsangan mekanis dapat diubah menjadi indera sentuhan dan tekanan kita.

Para peneliti sebelumnya telah menemukan sensor mekanis pada bakteri, tetapi mekanisme yang mendasari sentuhan pada vertebrata tetap tidak diketahui.

Ardem Patapoutian, yang bekerja di Scripps Research di La Jolla, California, AS, ingin mengidentifikasi reseptor yang sulit dipahami yang diaktifkan oleh rangsangan mekanis.

Patapoutian dan kolaboratornya pertama kali mengidentifikasi garis sel yang mengeluarkan sinyal listrik terukur ketika sel individu ditusuk dengan mikropipet. Diasumsikan bahwa reseptor yang diaktifkan oleh kekuatan mekanik adalah saluran ion dan pada langkah berikutnya 72 gen kandidat yang mengkode reseptor yang mungkin diidentifikasi. Gen-gen ini dinonaktifkan satu per satu untuk menemukan gen yang bertanggung jawab atas mekanosensitivitas dalam sel yang diteliti.

Setelah pencarian yang sulit, Patapoutian dan rekan kerjanya berhasil mengidentifikasi satu gen yang pembungkamannya membuat sel tidak peka terhadap tusukan mikropipet. Saluran ion mekanosensitif yang baru dan sama sekali tidak diketahui telah ditemukan dan diberi nama Piezo1, setelah kata Yunani untuk tekanan (í; píesi). Melalui kemiripannya dengan Piezo1, gen kedua ditemukan dan diberi nama Piezo2.[6]


Gambar 3 Patapoutian menggunakan sel mekanosensitif yang dikultur untuk mengidentifikasi
saluran ion yang diaktifkan oleh kekuatan mekanik. Setelah kerja keras, Piezo1
diidentifikasi. Berdasarkan kemiripannya dengan Piezo1, saluran ion kedua ditemukan
(Piezo2).

Terobosan oleh Patapoutian menghasilkan serangkaian makalah darinya dan kelompok lain, menunjukkan bahwa saluran ion Piezo2 sangat penting untuk indera peraba. Selain itu, Piezo2 terbukti memainkan peran kunci dalam penginderaan posisi dan gerakan tubuh yang sangat penting, yang dikenal sebagai proprioception.[7]

Dalam pekerjaan lebih lanjut, saluran Piezo1 dan Piezo2 telah terbukti mengatur proses fisiologis penting tambahan termasuk tekanan darah, pernapasan, dan kontrol kandung kemih.[8]

Semuanya masuk akal!

Penemuan terobosan saluran TRPV1, TRPM8, dan Piezo oleh peraih Hadiah Nobel tahun ini telah memungkinkan kita untuk memahami bagaimana panas, dingin, dan gaya mekanis dapat memicu impuls saraf yang memungkinkan kita untuk memahami dan beradaptasi dengan dunia di sekitar kita.

Saluran TRP sangat penting bagi kemampuan kita untuk merasakan suhu.

Saluran Piezo2 memberi kita indera peraba dan kemampuan untuk merasakan posisi dan gerakan bagian tubuh kita.

Saluran TRP dan Piezo juga berkontribusi pada banyak fungsi fisiologis tambahan yang bergantung pada suhu penginderaan atau rangsangan mekanis.

Penelitian intensif yang sedang berlangsung yang berasal dari penemuan yang diberikan Hadiah Nobel tahun ini berfokus pada penjelasan fungsi mereka dalam berbagai proses fisiologis.

Pengetahuan ini digunakan untuk mengembangkan perawatan untuk berbagai kondisi penyakit,


Gambar 4 Penemuan penting oleh peraih Hadiah Nobel tahun ini telah menjelaskan bagaimana panas, dingin, dan sentuhan dapat memulai sinyal dalam sistem saraf kita. Saluran ion yang teridentifikasi penting untuk banyak proses fisiologis dan kondisi penyakit.

CATATAN

David Julius lahir pada tahun 1955 di New York, AS. Ia menerima gelar Ph.D. pada tahun 1984 dari University of California, Berkeley dan merupakan rekan postdoctoral di Universitas Columbia, di New York. David Julius direkrut ke University of California, San Francisco pada tahun 1989 di mana dia sekarang menjadi Profesor.

 

Ardem Patapoutian lahir pada tahun 1967 di Beirut, Lebanon. Di masa mudanya, ia pindah dari Beirut yang dilanda perang ke Los Angeles, AS dan menerima gelar Ph.D. pada tahun 1996 dari California Institute of Technology, Pasadena, AS. Patapoutian adalah postdoctoral di University of California, San Francisco. Sejak tahun 2000, ia menjadi ilmuwan di Scripps Research, La Jolla, California di mana ia sekarang menjadi Profesor. Dia adalah Penyelidik Institut Medis Howard Hughes sejak 2014.

Daftar Pustaka

  1. ^ Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature 1997:389:816-824.
  2. ^ Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D. The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 1998:21:531-543.
  3. ^ Caterina MJ, Leffler A, Malmberg AB, Martin WJ, Trafton J, Petersen-Zeitz KR, Koltzenburg M, Basbaum AI, Julius D. Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science 2000:288:306-313
  4. ^ McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature 2002:416:52-58
  5. ^ Peier AM, Moqrich A, Hergarden AC, Reeve AJ, Andersson DA, Story GM, Earley TJ, Dragoni I, McIntyre P, Bevan S, Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol. Cell 2002:108:705-715
  6. ^ Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutian A. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 2010:330: 55-60
  7. ^ Woo S-H, Lukacs V, de Nooij JC, Zaytseva D, Criddle CR, Francisco A, Jessell TM, Wilkinson KA, Patapoutian A. Piezo2 is the principal mechonotransduction channel for proprioception. Nature Neuroscience 2015:18:1756-1762
  8. ^ Ranade SS, Woo SH, Dubin AE, Moshourab RA, Wetzel C, Petrus M, Mathur J, Bégay V, Coste B, Mainquist J, Wilson AJ, Francisco AG, Reddy K, Qiu Z, Wood JN, Lewin GR, Patapoutian A. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature 2014:516:121-125