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보이틀러는 선천적 면역체계 활성화에 관한 발견으로 프랑스 면역학자 쥘 A. 호프만, 캐나다의 면역학자이자 세포생물학자 랠프 M. 스타인먼과 함께 노벨 생리·의학상을 공동 수상했다.

선천적 면역 시스템은 질병의 원인이 되는 존재인 잠재적 병원균들에 의한 감염에 대항하는 인체의 첫 번째 방어선이다. 잠재적 병원균들에는 바이러스와 박테리아가 포함된다.

보이틀러는 캘리포니아 주 로스앤젤레스 군에 속하는 아케이디아라는 소도시에서 자랐다. 그의 아버지는 과학자이자 의사였고, 어머니는 기술전문서적 작가였다. 보이틀러는 어릴 때부터 자연과 생물학에 관심이 있었다. 미국의 유전학자이자 생물리학자인 제임스 D. 웟슨의 〈유전자의 분자 생물학 Molecular Biology of the Gene〉(1965)을 읽은 후에 분자생물학 분야에 흥미를 갖게 되었다.

14세 때 보이틀러는 단백질을 정제하여 효소들의 특징을 설명할 수 있었다.

이 기법은 아케이디아 근교 두아트에 위치한 시티 오브 호프 메디컬 센터에 있던 아버지의 실험실에서 배웠다. 어린 보이틀러는 또한 일본 태생 미국의 유전학자이자 진화생물학자인 오노 스스무[大野乾]의 실험실에서 일했다. 오노는 성의 결정과 유전자 복제에 관한 연구로 유명했다.

보이틀러는 지적 발달이 빠른 학생이었다.

그는 고등학교 시절에 몇 학년을 월반하여, 18세 때 캘리포니아주립대학교 샌디에이고 캠퍼스에서 생물학 학위를 받았다. 보이틀러는 아버지의 조언을 받아들여 병리학과 약리학을 좀 더 깊이 공부하기로 마음먹고, 시카고대학교 의과대학에 입학하여 1981년 졸업했다.

댈러스에 위치한 텍사스대학교 사우스웨스턴 메디컬 센터 내과에서 인턴십과 신경학과에서 레지던트를 거친 후, 1983년에 뉴욕에 있는 록펠러대학교의 연구원이 되었다.

나중에는 그 대학의 교수가 되었고 이후 그 대학 병원에서 내과의사로 근무했다.

1986년에 그는 사우스웨스턴 메디컬 센터로 되돌아왔고, 하워드휴스 의학연구소의 연구원 겸 내과 교수로 일했다. 그는 2000년에 캘리포니아 주 라호야에 있는 스크립스 리서치 연구소로 자리를 옮겼다. 그곳에서 면역학과 교수를 역임했고, 2007년부터는 유전학과 과장으로 일했다.

2011년 그는 사우스웨스턴 메디컬 센터로 되돌아간다고 발표했다.

보이틀러에게 노벨상 수상이라는 영광을 가져다준 연구는 주로 1984~98년에 이루어졌다. 그 당시에 그는 세포들이 어떻게 감염을 발견하고 선천적 면역체계가 그 감염에 대응하여 어떻게 활성화되는지를 밝히는 일련의 발견을 해냈다. 이 연구는 쥐의 종양괴사인자(tumour necrosis factor/TNF)를 추출해내는 것으로 시작했다.

TNF는 염증 및 면역 반응들을 조절하는 단백질이다.

이어서 보이틀러는 TNF의 속성들을 발견하여 특성화했다. 그는 TNF가 면역체계에 의해 발생되는 염증에도 기여한다고 시사했다. 그는 재조합 DNA 기술을 사용하여, TNF를 억제할 수 있는 분자들을 만들어냈다. 그리고 TNF를 억제할 수 있도록 만들어진 분자들이 염증 발생을 완화시키는 데 효과가 있음을 증명했다. 이러한 억제제들 중 하나인 에타너셉트(etanercept, 또는 Enbrel)는 류머트관절염, 강직성척추염, 건선 등을 비롯한 만성적 염증성 질병들의 치료제로 널리 사용된다.

보이틀러의 획기적 업적의 마지막은 내독소(endotoxin)라고도 불리는 지질다당류(lipopolysaccharide/LPS)에 대한 수용체 분자의 발견이었다.

이것은 그가 대학 재학 시절 수행한 연구에서 우연히 발견한 것이었다. 이 발견은 염증을 유발하는 첫 단계에 대한 좀 더 깊은 통찰을 제공했다. 그리고 이 발견은 1990년대 후반 톨게이트 같은 수용체 4(toll-like receptor 4/Tlr4)로 알려진 쥐 유전자에서의 돌연변이 발견으로 이어졌다.

Tlr4는 감염성 쇼크의 원인으로 알려져 있다.

정상적인 Tlr4 단백질은 LPS를 인지하고 그럼으로써 독을 가진 박테리아에 면역 반응을 중개하는 반면, 돌연변이 Tlr4는 억제되지 않는 박테리아의 성장을 초래한다. 그리하여 인체가 반응할 때 엄청난 양의 박테리아를 파괴하는 면역 분자들이 혈류로 방류된다. 이 격렬한 공격은 대량의 LPS의 방출을 초래한다. 이것은 감염성 쇼크의 전형적인 증상인 조직의 손상, 저혈압, 장기기능 저하의 원인이 된다. 보이틀러 후기 연구의 대부분은 면역과정에서 유전자의 역할을 해명하는 데 집중되었다.

보이틀러는 많은 상을 받았다.

그는 호프만 및 일본의 과학자 아키라 시즈오[審良靜男]와 함께 2004년 로베르트 코흐 상을 공동 수상했다. 또한 그는 2009년 스타인먼 및 미국의 면역학자인 찰스 A. 디나렐로와 의학 및 생의학 연구소의 올버니 메디컬 센터 상을 공동 수상했으며, 2011년에는 호프만 및 러시아 과학자 루슬란 M. 메지토프와 쇼상을 공동 수상했다. 보이틀러는 또한 2008년에 미국 국립과학아카데미 회원으로 선출되었다.