Υπολογιστής σε ρόλο… θεού!

Ελληνες ερευνητές του Ελβετικού Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Ζυρίχης (Swiss Federal Institute of Technology, ETH, Zurich) πέτυχαν κάτι που θα ζήλευαν πολλοί συνάδελφοί τους: έδωσαν εντολές (με τη βοήθεια υπολογιστών) σε έναν ζωντανό οργανισμό και αυτός υπάκουσε πιστά! Το σημαντικό του επιτεύγματος δεν έγκειται μόνο στην αποκατάσταση της επικοινωνίας μεταξύ έμβιων και άβιων συστημάτων, αλλά και στο γεγονός ότι ο υπάκουος οργανισμός εκτελώντας τις εντολές των επιστημόνων πήγε κόντρα στη δική του «θέληση». Αυτού του είδους η τιθάσευση των μικροοργανισμών είναι η απαραίτητη προϋπόθεση για να μπορέσουν να υλοποιηθούν όσα ευαγγελίζεται η συνθετική βιολογία, όπως παραδείγματος χάριν η παραγωγή αντιβιοτικών ή βιοκαυσίμων από μικροοργανισμούς που θα λειτουργούν ως εργοστάσια παραγωγής επιθυμητών προϊόντων. Το «ΒΗΜΑScience» μίλησε με τον καθηγητή κ. Γιάννη Λυγερό, επικεφαλής της μελέτης, και σας παρουσιάζει τα εντυπωσιακά ευρήματα και τη σημασία τους.{AR}

Η επιθυμία των επιστημόνων να καθοδηγήσουν τους μικροοργανισμούς στην παραγωγή χρήσιμων για εμάς ουσιών δεν είναι καινούργια. Αυτή η επιθυμία άλλωστε «γέννησε» τη γενετική μηχανική και τη βιοτεχνολογία πριν από περίπου τέσσερις δεκαετίες. Ωστόσο το ζητούμενο δεν είναι πάντοτε εύκολο να ικανοποιηθεί από τις παραδοσιακές προσεγγίσεις της γενετικής μηχανικής. Δεν αρκεί δηλαδή πάντοτε η προσθαφαίρεση γονιδίων για να μετατραπούν οι μικροοργανισμοί σε μίνι εργοστάσια παραγωγής ουσιών βιομηχανικού ή φαρμακευτικού ενδιαφέροντος.

O καθηγητής του Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Ζυρίχης κ. Γιάννης Λυγερός

Γιατί οι οργανισμοί αντιστέκονται

Το βασικό πρόβλημα ανακύπτει από την «άρνηση» των μικροοργανισμών να υπακούσουν στις προσταγές μας. Η άρνηση αυτή δεν είναι ένα καπρίτσιο των μικροοργανισμών με στόχο να δυσκολέψει τη ζωή των επιστημόνων! Είναι ζήτημα ισορροπίας ή, στη γλώσσα των βιολόγων, ομοιόστασης. Τι θα πει αυτό; Θα πει ότι η εύρρυθμη λειτουργία όλων των οργανισμών (από τους μικροοργανισμούς ως τα ανώτερα θηλαστικά) προϋποθέτει την ύπαρξη ορισμένων πλαισίων. Οταν αυτά ξεπεραστούν, δημιουργούνται ανισορροπίες, οι οποίες μπορεί και να μην είναι διαχειρίσιμες. Παραδείγματος χάριν, στους ανθρώπους η διατάραξη φυσιολογικών ισορροπιών οδηγεί στην εμφάνιση ασθενειών. Οι μικροοργανισμοί πάλι, μπορεί να επιλέξουν ακόμη και την αυτοκτονία όταν δεν μπορούν να αντεπεξέλθουν στα δεδομένα που προκύπτουν από τη διατάραξη της ομοιόστασής τους.

Οταν λοιπόν οι επιστήμονες «ζητούν» από έναν μικροοργανισμό να παραγάγει μια ουσία που ως χθες δεν παρήγε ή να πολλαπλασιάσει την ποσότητα μιας ουσίας που φυσιολογικά παράγει, του θέτουν μια τεράστια πρόκληση. Τον αναγκάζουν να βγει από το πλαίσιο που εξασφαλίζει την ομοιόστασή του και το αναμενόμενο είναι αυτός να προσπαθήσει να αμυνθεί. Πράγματι, όπως γνωρίζουν πολύ καλά όσοι ασχολούνται με το πεδίο αυτό, δεν είναι λίγες οι φορές που ένα καλά σχεδιασμένο πείραμα αποτυγχάνει επειδή ο μικροοργανισμός εκφράζει εμπράκτως τις αντιρρήσεις του! «Πολλές προσπάθειες ενίσχυσης της παραγωγής συγκεκριμένων ουσιών σε μικροοργανισμούς που έγιναν με εισαγωγή γονιδίων ή επέμβαση στην ενεργότητά τους είχαν περιορισμένη επιτυχία» μας είπε ο κ. Λυγερός και προσέθεσε: «Συχνά την αρχική αύξηση του επιθυμητού προϊόντος ακολουθεί μείωσή της, η οποία είναι αποτέλεσμα μηχανισμών που θέτει σε λειτουργία ο μικροοργανισμός ως αντίδραση στο στρες που του έχουμε επιβάλει».

Ο «ζωντανός» διακόπτης

Στόχος του πειραματισμού του έλληνα ερευνητή και των συνεργατών του ήταν να μπορέσουν να κάμψουν τις αντιρρήσεις του μικροοργανισμού όχι τροποποιώντας τα γονίδιά του αλλά ρυθμίζοντας την έκφρασή τους εξωγενώς. Εύκολο να το λέει κανείς, αλλά δύσκολο να το κάνει! Σε συνεργασία με βιολόγους του Πανεπιστημίου του Σαν Φρανσίσκο, η ερευνητική ομάδα του κ. Λυγερού χρησιμοποίησε ως πειραματόζωο τον μήκυτα Saccharomyces cerevisiae. Πρόκειται ίσως για τον παλαιότερο μικροβιακό συνεργάτη των ανθρώπων, αφού χρησιμοποιείται από αρχαιοτάτων χρόνων για την παραγωγή ψωμιού και κρασιού. Είναι επίσης ο πλέον μελετημένος μονοκυτταρικός ευκαρυωτικός οργανισμός (ευκαρυωτικοί είναι οι οργανισμοί που φέρουν κάρυο, πυρήνα στον οποίο εντοπίζεται το γενετικό υλικό τους).

Βασιζόμενοι σε προηγούμενες καλά τεκμηριωμένες γνώσεις, οι ερευνητές αποφάσισαν να αξιοποιήσουν το φυτόχρωμα (μια πρωτεΐνη που υπάρχει στον μύκητα) ως μεταφορέα των εντολών τους. Το φυτόχρωμα μεταβάλλει τη δομή του ανταποκρινόμενο στο φως. Ετσι το ερυθρό φως το καθιστά ενεργό, ενώ το υπέρυθρο το ανενεργοποιεί. Η ενεργοποίηση του φυτοχρώματος πυροδοτεί την παραγωγή μιας άλλης πρωτεΐνης, η οποία για τους σκοπούς του πειράματος κατέστη φθορίζουσα. Με άλλα λόγια, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα πειραματικό σύστημα το οποίο περιείχε έναν διακόπτη (το φυτόχρωμα) ο οποίος άρχιζε (με κόκκινο φως) ή σταματούσε (με υπέρυθρο φως) την παραγωγή ενός προϊόντος. Το σύστημα επιπροσθέτως επέτρεπε την παρακολούθηση της παραγωγής του επιθυμητού προϊόντος, καθώς αυτό ήταν φθορίζον.

Οπως εξήγησε ο κ. Λυγερός, «η πειραματική διάταξη μάς επέτρεψε να ενεργοποιούμε κατά βούληση την παραγωγή μιας πρωτεΐνης την οποία μπορούσαμε να παρακολουθήσουμε σε πραγματικό χρόνο και να επέμβουμε αναλόγως». Πρακτικά αυτό απαίτησε πολλή δουλειά: «Απαίτησε κατ’ αρχάς τον σχεδιασμό ενός βιοαντιδραστήρα από αδιαφανές μαύρο πλαστικό, ώστε να είμαστε βέβαιοι ότι το μόνο φως που θα δεχόταν η καλλιέργεια κυττάρων θα ήταν αυτό που εμείς θα θέλαμε. Ο βιοαντιδραστήρας σχεδιάστηκε σε υπολογιστή, εκτυπώθηκε σε τρισδιάστατο εκτυπωτή και συναρμολογήθηκε από την ομάδα. Για την αποστολή των εντολών μας στην καλλιέργεια χρησιμοποιήθηκαν δίοδοι εκπομπής φωτός (light emmiting diodes), ενώ η πορεία ανάπτυξης της καλλιέργειας αλλά και η παραγωγή του επιθυμητού προϊόντος παρακολουθούνταν με τη λήψη δειγμάτων σε τακτά χρονικά διαστήματα, συνήθως της τάξεως των 15-30 λεπτών».

«Ψηφιακή» ομοιόσταση

Η πειραματική διάταξη του έλληνα επιστήμονα και των συνεργατών του όμως δεν είναι αυτό που καθιστά το επίτευγμά τους πρωτοποριακό. Το κλειδί της επιτυχίας τους έγκειται στα λογισμικά που έχουν αναπτύξει και τα οποία επιτρέπουν μέσω της παρακολούθησης του φθορισμού (που όπως είπαμε προκύπτει από την παραγωγή του επιθυμητού προϊόντος) να αντιλαμβάνονται τι συμβαίνει και με άλλες παραμέτρους. «Υπάρχουν περί τις έξι χημικές αντιδράσεις οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά τη διαδικασία παραγωγής του επιθυμητού προϊόντος και αυτές παρακολουθούνται από το σύστημα. Η κάθε νέα μέτρηση φθορισμού “παντρεύεται” με τις προϋπάρχουσες και μας επιτρέπει να εκτιμήσουμε την κατάσταση της καλλιέργειας» λέει ο κ. Λυγερός.

Αυτή η στενή παρακολούθηση είναι καθοριστική για την επίτευξη και διατήρηση μιας ισορροπίας που επιτρέπει στους μικροοργανισμούς να αποδίδουν το μέγιστο του επιθυμητού προϊόντος χωρίς να διαταράσσεται η ομοιόστασή τους πέρα από το αποδεκτό όριο. Ετσι, όταν το σύστημα αντιληφθεί ύπαρξη προβλήματος, δίνει εντολή (εκπέμποντας υπέρυθρο φως) να σταματήσει η παραγωγή, η οποία ξαναρχίζει όταν τα επίπεδα του επιθυμητού προϊόντος πέσουν κάτω από ένα όριο. Με άλλα λόγια, αυτό που δημιούργησαν ο κ. Λυγερός και οι συνεργάτες του δεν είναι παρά ένας βρόχος ανάδρασης (feedback loop), ένας ρυθμιστικός μηχανισμός όμοιος με εκείνους που φέρουν τα κύτταρά μας προκειμένου να εξασφαλίζουν την εύρρυθμη λειτουργία τους. Μόνο που αυτή τη φορά ο μηχανισμός είναι εξωτερικός και ελεγχόμενος από τους επιστήμονες.

Παρά το γεγονός ότι το μόνο που ήθελαν να κάνουν οι ερευνητές ήταν να αποδείξουν πως είναι δυνατή η δημιουργία ενός in silico (σε πυρίτιο, ηλεκτρονικού) βρόχου ανάδρασης, ο πειραματισμός τους αναμένεται να έχει πολλές εφαρμογές. «Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή βιοκαυσίμων και αντιβιοτικών από μικροοργανισμούς. Εξίσου όμως θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από τους ερευνητές που μελετούν τον μύκητα, καθώς μπορεί να αποκαλύψει τους μηχανισμούς που θέτει εκείνος σε λειτουργία προκειμένου να ανταποκριθεί στις εντολές μας. Αν σκεφθείτε ότι του ζητήσαμε να τριπλασιάσει και μετά να πενταπλασιάσει την ποσότητα του προϊόντος, είναι πολύ ενδιαφέρον να αναζητήσει κανείς τις προσαρμογές στις οποίες κατέφυγε για να υπακούσει στις εντολές μας» σημείωσε ο έλληνας καθηγητής.