Tous les êtres vivants, y compris les humains, sont constitués de cellules. La cellule est comme une petite ville entourée d’un mur, où les substances utiles entrent en permanence et les déchets sortent en permanence. Il y a plus de 100 ans, les gens spéculaient qu’il y avait de nombreuses « portes » dans les murs de la petite ville de cellules, qui permettaient uniquement à des molécules ou à des ions spécifiques d’entrer et de sortir. Le prix Nobel de chimie 2003 a été décerné pour les résultats de recherche liés à ces « portes de ville ».
L’Académie royale des sciences de Suède a annoncé le 8 janvier que le prix Nobel de chimie 2003 avait été attribué aux scientifiques américains Peter Agre et Roderick MacKinnon, en reconnaissance de leur découverte des canaux hydriques des membranes cellulaires et de leurs contributions pionnières à l’étude de la structure et du mécanisme des canaux ioniques. Le canal de la membrane cellulaire qu’ils ont étudié est la « porte de la ville » que les gens avaient précédemment supposée.
Le composant principal des organismes vivants est la solution aqueuse, qui représente 70 % du poids du corps humain. La solution aqueuse des organismes vivants est principalement composée de molécules d’eau et de divers ions. Leur mouvement dans et hors des canaux de la membrane cellulaire permet de nombreuses fonctions cellulaires.
Au milieu des années 1950, les scientifiques ont découvert qu’il y avait certains canaux dans la membrane cellulaire qui permettaient uniquement aux molécules d’eau d’entrer et de sortir, et les gens les ont appelés canaux d’eau. Parce que l’eau est essentielle à la vie, on peut dire que les canaux d’eau sont les canaux les plus importants de la membrane cellulaire. Bien que les scientifiques aient découvert l’existence de canaux d’eau, ce qu’ils sont exactement reste un mystère.
Au milieu des années 1980, le scientifique américain Peter Agre a étudié différentes protéines de la membrane cellulaire. Après de nombreuses recherches, il a découvert qu’une protéine de la membrane cellulaire appelée aquaporine était le canal d’eau que les gens recherchaient depuis longtemps. Pour vérifier sa découverte, Agre a mené une expérience comparative entre des cellules contenant des protéines de canal d’eau et des cellules dépourvues de cette protéine. Les résultats ont montré que les premières pouvaient absorber l’eau, mais pas les secondes. Pour vérifier cela davantage, il a créé deux membranes cellulaires artificielles, l’une contenant de l’aquaporine et l’autre sans. Il a transformé deux types de membranes cellulaires artificielles en bulles et les a ensuite placées dans l’eau. Le premier type de bulle a absorbé beaucoup d’eau et s’est dilaté, tandis que le deuxième type n’a pas changé. Ils démontrent pleinement que l’aquaporine a pour fonction d’absorber les molécules d’eau, c’est-à-dire les canaux d’eau.
En 2000, Agre et d’autres chercheurs ont publié la première photographie stéréoscopique haute résolution de l’aquaporine au monde. Les photos révèlent que la structure spéciale de la protéine ne laisse passer que les molécules d’eau.
La découverte du canal d’eau a ouvert un nouveau champ de recherche. Les scientifiques ont découvert que les aquaporines sont largement présentes chez les animaux, les plantes et les micro-organismes. Il existe de nombreux types d’aquaporines, dont 11 types dans le corps humain seulement. Il a des fonctions très importantes, par exemple, il joue un rôle de filtrage clé dans les reins humains. En général, un adulte produit 170 litres d’urine primaire par jour. Cette urine primaire est filtrée par les protéines des canaux hydriques des glomérules rénaux, et la majeure partie de l’eau est recyclée par le corps humain. Au final, seulement 1 litre d’urine environ est excrété par le corps.
Dès 1890, Wilhelm Ostwald (prix Nobel de chimie en 1909) émet l’hypothèse que les ions entrant et sortant des cellules transmettent des informations. Dans les années 1920, les scientifiques ont confirmé l’existence de canaux membranaires cellulaires qui permettent aux ions d’entrer et de sortir. Au début des années 1950, Alan Hodgkin et Andrew Huxley ont découvert que les ions pouvaient transmettre des informations en passant d’une cellule nerveuse à une autre. Pour cela, ils ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1963. Cependant, à cette époque, les scientifiques ne connaissaient pas la structure et les principes de fonctionnement des canaux ioniques.
En 1988, Roderick MacKinnon a utilisé la cristallographie aux rayons X pour obtenir la première photo haute résolution au monde d’un canal ionique et a révélé pour la première fois les principes de fonctionnement des canaux ioniques au niveau atomique. Le canal ionique sur cette photo provient de la cyanobactérie Streptomyces et est également une protéine. La méthode de McKinnon est révolutionnaire car elle permet aux scientifiques d’observer l’état des ions avant qu’ils ne pénètrent dans un canal ionique, leur état à l’intérieur du canal et leur état après leur passage à travers le canal. Les recherches sur les canaux d’eau et les canaux ioniques sont d’une grande importance. De nombreuses maladies, comme certaines maladies neurologiques et cardiovasculaires, sont causées par un dysfonctionnement des canaux membranaires cellulaires. La recherche sur les canaux membranaires cellulaires peut aider les scientifiques à trouver des causes spécifiques et à développer des médicaments adaptés. De plus, en utilisant différents canaux de membrane cellulaire, la fonction des cellules peut être régulée pour atteindre l’objectif de traitement des maladies. Une fonction importante de la médecine traditionnelle chinoise est de réguler la composition des fluides corporels humains et la concentration de différents composants, qui peuvent réguler les fonctions cellulaires à travers différents canaux de la membrane cellulaire. Certains experts estiment que la recherche sur les canaux de la membrane cellulaire peut constituer un moyen important de révéler les principes scientifiques de la médecine traditionnelle chinoise.