Cơ chế vận hành của đồng hồ sinh học

Trong vài thập kỷ qua, những đột phát về công nghệ đã tác động đến xã hội loài người một cách đáng kinh ngạc. Thế nhưng, cuộc sống càng hiện đại, con người lại càng phải đối mặt với nhiều yếu tố làm ảnh hưởng đến đồng hồ sinh học của mình, như sự di chuyển giữa các múi giờ khác nhau, hay sự ra đời của internet. Vậy đồng hồ sinh học là gì, và cơ chế vận hành của nó ra sao?



Đồng hồ sinh học có nhiệm vụ theo dõi thời gian và kiểm soát hoạt động của cơ thể trong chu kỳ khoảng 24 giờ, tương ứng với sự xoay quanh trục của trái đất. Nó có mặt ở hầu hết mọi cá thể sống, như vi khuẩn, nấm, thực vật, ruồi giấm, động vật hữu nhũ và con người. Trong thế giới hoang dã, đồng hồ sinh học giúp loài vật dự đoán và thích nghi với sự thay đổi của môi trường sống, như chu kỳ ngày – đêm của ánh sáng, nhiệt độ, ý thức các thời điểm ăn, ngủ, và thậm chí thời điểm thú săn mồi hoạt động.

Mỗi chiếc đồng hồ sinh học có nhịp điệu riêng và thường xuyên “đồng bộ” với những thay đổi của môi trường bên ngoài. Điều này rất quan trọng vì ánh sáng và nhiệt độ dao động theo ngày và theo mùa, và sự thay đổi đột ngột các yếu tố đó sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến cơ thể, đòi hỏi đồnghồ sinh học phải thích nghi và tự lập trình theo sự thay đổi đó.
Cấu tạo của đồng hồ sinh học gồm 3 phần chính:

1. Đầu vào: cung cấp nguồn ánh sáng, nhiệt độ... tương ứng với từng thời điểm của chu kỳ ngày và đêm;
2. Trung tâm điều khiển: theo dõi thời gian và kiểm soát đầu ra của đồng hồ sinh học;
3. Đầu ra: điều hoà các chức năng như hành vi, hormone, giấc ngủ, thân nhiệt, sự trao đổi chất...của cơ thể.

Sự tồn tại của đồng hồ sinh học đã được các nhà khoa học biết đến từ lâu. Khi xuất hiện sự "lệch pha" giữa đồng hồ sinh học nội tại và môi trường bên ngoài, sức khỏe của loài vật có thể bị ảnh hưởng. Một ví dụ dễ hiểu nhất là hiện tượng lệch múi giờ (jet lag). Khi chúng ta di chuyển đến vùng có múi giờ khác, cơ thể vẫn “ghi nhớ” múi giờ cũ, bao gồm thời gian thức – ngủ, ăn uống.... Do đó, cơ thể cần một vài ngày để thích ứng với sự thay đổi này, và chúng ta thường cảm thấy mệt mỏi trong thời gian đó.

Trong xã hội hiện đại, sự rối loạn đồng hồ sinh học thường xuyên xảy ra, là hệ quả của tình trạng làm việc nhiều giờ liên tục, làm việc với đối tác nước ngoài vào các khung giờ khác nhau, những chuyến công tác thất thường hoặc ngay cả “social jet lag” – hiện tượng do chúng ta ăn ngủ thất thường vào cuối tuần. Rối loạn đồng hồ sinh học trong thời gian ngắn gây ảnh hưởng đến khả năng tiếp thu và ghi nhớ, rối loạn chức năng miễn dịch... làm giảm phẩm chất cuộc sống. Rối loạn đồng hồ sinh học lâu dài (mãn tính) gây ra các vấn đề về sức khoẻ, làm tăng nguy cơ mắc các bệnh lý như béo phì, tiểu đường, ung thư, tim mạch, trầm cảm…






Cơ chế sinh học đằng sau “chiếc đồng hồ” này có liên quan tới rất nhiều protein tương tác với nhau một cách phức tạp, và 3 nhà khoa học Jeffrey Hall, Michael Rosbash và Michael Young đã được vinh danh giải Nobel Y học 2017 nhờ sử dụng các công cụ gen để vén màn bí ẩn của cơ chế này.

Mô tả đầu tiên về đồng hồ nội tại của sinh vật xuất hiện từ năm 1729, người ta biết rằng thực vật đóng và mở lá không chỉ ở ngoài trời, mà cả khi ở trong phòng tối. Mãi tới thập niên 1960, người ta thí nghiệm trên ruồi giấm và phát hiện được gen gây ra ảnh hưởng lên đồng hồ sinh học. Và phải thêm 20 năm nữa để chúng ta phát triển được công nghệ cho phép nhân bản gen đó – có biệt danh là “period” (chu kỳ).

Ba nhà khoa học trên đã nhân bản thành công gen “chu kỳ”, và sự tương tác của nó với một gen khác có biệt danh “timeless” (“vô tận”) để trở nên ổn định và vận hành tốt hơn. Vào ban ngày, protein của “chu kỳ” nằm trong tế bào chất, nhưng đến đêm thì di chuyển vào nhân, tham gia vào quá trình nhân đôi của tế bào.

Từ đây, nhiều phòng thí nghiệm sinh học khác đã tham gia “tìm mảnh ghép” và xác định nên cơ chế nhịp sinh học phức tạp đến khó tin. Một gen với biệt danh Clock (đồng hồ) đã được tìm thấy ở chuột. Protein của nó có khả năng ảnh hưởng tới DNA và điều tiết sự vận hành của các gen, bao gồm cả gen “vô tận” và “chu kỳ” ở chuột, kích hoạt các gen này vào ban ngày, làm chúng tăng số lượng vào buổi chiều tối.

Tuy nhiên, một khi protein của “vô tận” và “chu kỳ” lọt vào nhân tế bào, chúng lại tương tác với protein của “đồng hồ” và đảo ngược, kìm hãm các gen. Hệ thống này cũng điều hành nhiều loại gen khác, làm cho các tế bào trong cơ thể vận hành đồng bộ với nhau. Quá trình này – từ kích hoạt gen cho tới kìm hãm, và lặp lại – là cực kỳ chuẩn xác.

Một số gen khác còn đóng vai trò kìm hãm, làm cho số lượng protein “chu kỳ” giảm mạnh vào ban ngày và giảm tốc độ tích lũy vào ban đêm, từ đó, cơ thể biểu hiện ra những trạng thái khác biệt rõ nét.
Công trình nghiên cứu cũng cho thấy rõ, đa số loài vật đều có hệ thống tương tự để kiểm soát đồng hồ sinh học. Nhưng đối với động vật bậc cao, còn có một loại đồng hồ điều phối tổng quát (trong não), ảnh hưởng tới toàn bộ các đồng hồ tế bào.

Ủy ban Nobel cho biết khám phá này có “ý nghĩa to lớn tới sức khỏe và hạnh phúc của chúng ta.”
“Nếu chúng ta làm hỏng hệ thống này, nó sẽ gây ảnh hưởng lớn tới quá trình trao đổi chất,” GS. Russell Foster của ĐH Oxford cho biết.

Khi nhịp sinh học trong cuộc sống không còn hài hòa, cơ thể sẽ sinh ra nhiều loại bệnh liên quan tới chuyển hóa và trao đổi chất, hormone, trí nhớ kém… Các vấn đề với giấc ngủ là biểu hiện thường thấy của chứng trầm cảm và rối loạn lưỡng cực.

Các thành tựu trên trở thành tiền đề cho các nhà khoa học nghiên cứu chuyên sâu hơn về đồng hồ, giúp giải thích, ngăn ngừa và chữa trị các vấn đề sức khoẻ liên quan đến rối loạn nhịp sinh học: các rối loạn hoạt động cơ thể do sự lệch múi giờ, rối loạn giấc ngủ, các bệnh cấp tính và mãn tính...Việc nghiên cứu và sử dụng các loại thuốc cũng được điều chỉnh theo đúng với chu kỳ sinh lý của cơ thể để đem lại hiệu quả tốt nhất.