Ο «Μαγκάιβερ» του DNA

Ολοι, ή σχεδόν όλοι, θυμόμαστε με θυμηδία την προ επτά ετών προσπάθεια των περί τον Τζορτζ Μπους νεοσυντηρητικών να υποβαθμίσουν τη Θεωρία της Εξέλιξης του Δαρβίνου σε… μία ακόμη εκδοχή για την απαρχή της ζωής στη Γη, πέραν της «καθιερωμένης» βιβλικής. Ευτυχώς το εγχείρημά τους δεν βρήκε ανταπόκριση παρά μόνο σε κάποια σχολεία οπισθοδρομικών περιοχών των ΗΠΑ.

Αλλά η καλύτερη απάντηση στην άρνηση της πραγματικότητας από τον θρησκευτικό φανατισμό δεν δίνεται μέσα από τα ποσοστά πολιτικής αποδοχής της ή όχι. Δίνεται από τα ίδια τα επιτεύγματα της επιστήμης. Και αυτή την απάντηση δίνει με τον καλύτερο τρόπο ένας νέος έλληνας επιστήμονας, ο οποίος εδώ και μία δεκαετία μαζεύει βήμα-βήμα το κουβάρι του μίτου της εξέλιξης. Είναι ο Manolis Kellis (Μανώλης Καμβυσέλης), αναπληρωτής καθηγητής στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης των Υπολογιστών του MIT, που ερευνά και διδάσκει την «Υπολογιστική Βιολογία».

Ο λαβύρινθος της εξέλιξης

Ενάμισης αιώνας έχει περάσει αφότου ο Δαρβίνος συγκλόνισε τις πεποιθήσεις της εποχής του. Βάσισε την καινοφανή θεωρία του για την καταγωγή των ειδών και την εξέλιξη του ανθρώπου στα επιστημονικά εργαλεία της εποχής του: τη συστηματική παρατήρηση της φύσης γύρω του και τη σύγκριση των ειδών.

Στα χρόνια που ακολούθησαν οι επιστήμες προσέφεραν πολλά νέα μέσα για να ξετυλίξουμε το κουβάρι της προέλευσης όλων μας. Παρέμεναν όμως όλα δέσμια τού «στη φύση απτών αποδείξεων», μέχρι την έλευση της γενετικής, την ανακάλυψη του DNA, την αποκωδικοποίηση της «αλφαβήτας» και του «συντακτικού του», όπως και την κατοπινή εξιχνίαση της «γραμματικής του», δηλαδή της αλληλουχίας των γονιδίων. Το σημείο-«κλειδί» της ιστορίας ήταν βέβαια η χαρτογράφηση του DNA, το 2000, που οδήγησε στη δημοσίευση του πρώτου πλήρους γονιδιώματος ανθρώπου. Ετσι σήμερα φθάσαμε να μαθαίνουν τα παιδιά μας στα σχολεία ότι «το DNA είναι ο φορέας των γενετικών πληροφοριών του κυττάρου» και ότι «η αποκωδικοποίησή του, η αποσαφήνιση δηλαδή του τρόπου με τον οποίο η δομή του DNA καθορίζει συγκεκριμένες γενετικές επιλογές, επέτρεψε στους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη γενετική της ζωής και την κληρονόμηση ορισμένων χαρακτηριστικών και νόσων».

Παρά όμως τον γενικό ενθουσιασμό γι’ αυτό το επίτευγμα, οι επιστήμονες ένιωθαν περίπου σαν τον Κολόμβο όταν έφθασε στις Μπαχάμες και αντίκρισε νησάκι εκεί όπου περίμενε ήπειρο: ο κώδικας των πρωτεϊνών του DNA που χαρτογραφήσαμε ήταν μόλις το 2% του όλου! Το υπόλοιπο 98% του DNA είναι μια τεράστια «αχαρτογράφητη έκταση» που κανένας δεν γνωρίζει τι κρύβει. Για την εξερεύνησή του χρειάζεται «διαφορετικός εξοπλισμός».

Αυτόν ακριβώς τον εξοπλισμό εξερεύνησης προσέφερε το 2003 μια εργασία που δημοσιεύθηκε στο τεύχος της 15ης Μαΐου του περιοδικού Nature. Την υπέγραφε ομάδα πέντε ερευνητών του ΜΙΤ, με επικεφαλής τον Manolis Kellis (βλ. www.ncbi.nlm.nih.gov). Παρείχε μία μέθοδο ανάλυσης που εντόπιζε μοτίβα αλλαγών που έπαιζαν ρυθμιστικό ρόλο. Η αναλυτική αυτή μέθοδος αξιοποιήθηκε πολύ γρήγορα και στις 17 Μαρτίου του 2005, πάλι στο Nature, η παρέα του Kellis «χτύπησε ξανά»: έκαναν «συστηματική ανακάλυψη ρυθμιστικών μοτίβων» στο ανθρώπινο γονιδίωμα, «συγκρίνοντας τέσσερα θηλαστικά» (βλ. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15735639).

Τι ‘ναι αυτό που μας κάνει ανθρώπους…

Εχουμε λοιπόν «γραμμένη» μέσα στον γενετικό μας κώδικα τη συνταγή του καθενός μας. Και αυτό διασφαλίζει τουλάχιστον το ότι η εξέλιξη δεν θα γυρίσει πίσω… στο ψάρι. Αλλά πώς ακριβώς ρυθμίστηκε αυτός ο μηχανισμός ώστε να επιτάσσει διαφορετικά μέλη στο κάθε είδος;

Η απάντηση σε αυτό το πολυδαίδαλο ερώτημα άρχισε να μορφοποιείται στις 12 Οκτωβρίου 2011, όταν δημοσιεύθηκε στο Nature η συνέχεια της εργασίας χαρτογράφησης με τη «μέθοδο Kellis (βλ. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21993624). Ο χάρτης που προέκυψε αποκαλύπτει περίπου τρία εκατομμύρια σημεία που πρωτύτερα δεν είχαν ανιχνευθεί και των οποίων οι μεταλλάξεις φαίνεται ότι συνδέονται με τις ασθένειες που εκδηλώνονται στον άνθρωπο! Επίσης βοήθησε να εντοπιστούν περίπου 1.000 νέες οικογένειες δευτερευόντων δομών RNA, που έχουν ποικίλους ρόλους στη ρύθμιση των γονιδίων. Και, για να επανέλθουμε στα της εξέλιξης, οι ερευνητές μπόρεσαν μέσω της σύγκρισης των γονιδίων να «ταξιδέψουν στον χρόνο» και να αποκαλύψουν τις θεμελιώδεις αλλαγές που επέφεραν τη διαφοροποίηση των θηλαστικών. Βρήκαν συγκεκριμένες πρωτεΐνες που είχαν ταχεία εξέλιξη – και ιδιαίτερα κάποιες που σχετίζονται με το ανοσοποιητικό σύστημα, την αίσθηση της γεύσης και την κυτταρική διαίρεση. Μέσα στα γονίδια επίσης βρήκαν εκατοντάδες περιοχές πρωτεϊνών που εξελίσσονται γρήγορα και σε κάποιες περιπτώσεις σχετίζονται με τον ανασχηματισμό των οστών και τις λειτουργίες του αμφιβληστροειδούς.

Τελικά «η όλη σύγκριση των γονιδίων των θηλαστικών αποκάλυψε τα ρυθμιστικά σημεία ελέγχου που είναι κοινά σε όλα τα θηλαστικά. Αυτές οι εξελικτικές καινοτομίες προέκυψαν εδώ και περισσότερο από 100 εκατομμύρια χρόνια και είναι εν δράσει ακόμη μέσα μας», καταπώς δήλωσε ο εκ των επικεφαλής Eric Lander, καθηγητής Βιολογίας στο ΜΙΤ. Απάντηση αποστομωτική για τους θιασώτες του αντιδαρβινισμού.

ΥΓ.: Ο προσωπικός ιστότοπος-σελίδα του Μανώλη είναι ο https://mit.edu/manoli/www/ και τα πλήρη βιογραφικά του στοιχεία θα τα βρείτε στην ιστοσελίδα https://web.mit.edu/manoli/www/resume.pdf/.

Ο ΔΡΟΜΟΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ

Αναζητήστε τη δική σας μοναδικότητα!

Στο περιθώριο της ομιλίας του Μ. Καμβυσέλη στην Αθήνα, προλάβαμε να του θέσουμε κάποιες ερωτήσεις:

Μανώλη, είσαι ένας από τους «πολύ λίγους»: Εχεις μπει στο Βιβλίο Γκίνες μαζί με τ’ αδέλφια σου, έχεις κάνει λαμπρές σπουδές – για τις οποίες βραβεύθηκες από τον πρόεδρο Ομπάμα – και είσαι πια καθηγητής στη «Μέκκα της τεχνολογίας», στο ΜΙΤ. Εφθασες στην ανίχνευση του μυστηρίου της ζωής δρασκελίζοντας τα σκαλοπάτια της τεχνολογίας – από την Ηλεκτρομηχανική στην Πληροφορική και μετά στη Βιοπληροφορική. Τελικά, αυτός ο «γρήγορος δρόμος» είναι και ο σωστός; Μήπως θα έπρεπε όποιος έχει τον ίδιο στόχο να σπουδάζει πρώτα βιολόγος ή γιατρός και μετά να μαθαίνει τις τεχνολογίες που θα τον βοηθήσουν στην ανίχνευση;

«Ακόμη κι αν, στον τομέα της Γονιδιωματικής, μια ιατρική και βιολογική γνώση είναι εξαιρετικά σημαντική, θα εξακολουθούσα να προτείνω την έναρξη με ένα ισχυρό υπόβαθρο στα Μαθηματικά, στη Φυσική, στην Επιστήμη των Υπολογιστών και τη Στατιστική, καθώς αυτά είναι πολύ πιο δύσκολο να τα μάθεις αργότερα. Η εκπαίδευση στον τομέα της Βιολογίας, της Ιατρικής και της Ποσοτικής Γενετικής μπορούν πιο εύκολα να χτιστούν με αυτά τα θεμέλια απ’ ό,τι το αντίστροφο. Καθώς όμως κάτι τέτοιο αντιστοιχεί σε μία ολόκληρη δεκαετία σπουδών, στις ΗΠΑ και αλλού έχουν ανακύψει πολλά προγράμματα σπουδών “Ποσοτικής”, “Ενοποιητικής” ή “Υπολογιστικής” Βιολογίας που συνδυάζουν τους δύο πυλώνες της επιστήμης μας σε έναν συνεκτικό βαθμό. Επιπροσθέτως, η προηγηθείσα έρευνά μου στην τεχνητή νοημοσύνη και η μέσω αυτής αναζήτηση των κανόνων της ανθρώπινης νοημοσύνης με εξόπλισαν με ευθυκρισία στην αναζήτηση των κανόνων των βιολογικών συστημάτων».

Για να γίνεις αυτό που έγινες, οι γονείς έκαναν το μεγάλο βήμα να «αποδράσουν» από την Ελλάδα. Όπως διαπιστώνουν όλο και πιο πολλοί, «η Ελλάδα δεν μετέχει πια στο γίγνεσθαι του πολιτισμού» – είναι εκτός. Πιστεύεις ότι θα μπορούσε κάτι να γίνει που να «ξαναβάλει την Ελλάδα στον χάρτη» – και πώς;

«Νομίζω ότι η Ελλάδα έχει πραγματικά δυνατότητες να γίνει ένας ισχυρός παίκτης στον τομέα της Γονιδιωματικής και της Υπολογιστικής Βιολογίας. Κατ’ αρχάς, τα σύνολα δεδομένων που αναλύουμε γίνονται ολοένα πιο διαθέσιμα διεθνώς. Επιπλέον, ακόμη και αν συζητήσουμε για πειράματα επικύρωσης, υπάρχει μια πληθώρα πειραματικών ομάδων δεδομένων, σε καλά οργανωμένες δημόσιες βάσεις δεδομένων, που καθιστά εφικτή την επικύρωση των προβλέψεών μας χρησιμοποιώντας προγενέστερα σύνολα δεδομένων. Τέλος, είναι εύκολη πια η διεθνής συνεργασία με κάθε μέρος της Γης, όπως εύκολη είναι και η αποστολή μεγάλων συνόλων δεδομένων. Οπότε τα μέσα υπάρχουν. Αν υπάρξει και ισχυρή θέληση από τους πολιτικούς φορείς και τα εκπαιδευτικά μας ιδρύματα για προώθηση της εκπαίδευσης στην Υπολογιστική Βιολογία, σε όλα τα επίπεδα, και αν δοθεί έμφαση σε ανεξάρτητα και πρωτότυπα έργα, νομίζω ότι θα έχουμε το απαραίτητο δυναμικό για μια ελληνική επανάσταση σε αυτόν τον επιστημονικό τομέα».

Με βάση όσα έμαθες από το ως τώρα «ταξίδι» σου, αν βρισκόσουν ξανά στην αρχή, αν ήσουν μαθητής Γυμνασίου στην Ελλάδα του 2012 και ήθελες να φθάσεις στον ίδιο στόχο, τι θα έκανες; Ποιους «οδοδείκτες» θα πρότεινες σε έναν μαθητή να προσέξει για να φθάσει στην κορυφή;

«Δεν θα αντάλλασσα το δικό μου μονοπάτι, παρ’ όλα του τα σκαμπανεβάσματα. Η περιπέτεια στη Γαλλία ήταν ένα βήμα που με διαμόρφωσε και μου δίδαξε την επιμονή σε νεαρή ηλικία, διαμόρφωσε τον εγκέφαλό μου κάνοντάς με ευπροσάρμοστο σε νέα περιβάλλοντα και πείθοντάς με να αποδεχθώ τη μοναδική μου ταυτότητα. Η μετακίνηση στο περιβάλλον του αμερικανικού Πανεπιστημίου μου επέτρεψε να καλλιεργήσω την ανεξάρτητη έρευνα ως τρόπο μάθησης, από προπτυχιακός φοιτητής, και μεγάλωσε την αγάπη μου για το άγνωστο. Ωστόσο ο δρόμος του καθενός μας είναι μοναδικός, οπότε συμβουλή μου θα ήταν να αγκαλιάζει κανείς τόσο τα δυνατά του σημεία όσο και τις αδυναμίες του, γιατί αυτό που μας κάνει ανθρώπους είναι όχι μόνο το “τείνειν προς το άριστον” αλλά και η ανθρώπινη ατέλεια που συχνά μάς φέρνει σε μονοπάτια που δεν ψάχναμε, αλλά που μπορεί να αποδειχθούν πολύτιμα. Με άλλα λόγια, η συμβουλή μου προς κάθε μαθητή θα ήταν “μην προσπαθείς να γίνεις κάποιος άλλος, μόνο προσπάθησε συνεχώς να γίνεσαι μια καλύτερη εκδοχή του εαυτού σου”».

ΓΙΑ ΔΥΝΑΤΟΥΣ ΛΥΤΕΣ

Το σταυρόλεξο του DNA

Πανοραμική φωτογραφία του ερευνητικού κέντρου όπου εργάζεται ο Μ. Καμβυσέλης (καθισμένος δεξιά σε πρώτο πλάνο) και οι συνεργάτες του

Ποια ακριβώς είναι η δουλειά του Μανώλη Καμβυσέλη και με ποια εργαλεία την επιτελεί; Την απάντηση έδωσε ο ίδιος σε ομιλία του, τον περασμένο Δεκέμβριο, όταν τιμήθηκε από το ινστιτούτο ΑΙΤ (Athens Information Technology) με το βραβείο Νίκη 2011 για τη σημαντική συνεισφορά του στην κατανόηση του ανθρώπινου γονιδιώματος και στην πρόοδο της Υπολογιστικής Βιολογίας. Συνοπτικά, έχει ως ακολούθως.

Αν θεωρήσουμε το DNA ως έναν «γόρδιο δεσμό» που πρέπει οπωσδήποτε να λυθεί… όχι με το ξίφος, χρειάζεται κανείς πρώτα να αναλύσει τη δομή του και έπειτα να αναπτύξει τους «μηχανισμούς ξετυλίγματος». Για να το επιτύχει, ο Μανώλης εμβάθυνε την έρευνά του σε τέσσερις περιοχές: τη διερμηνεία του γονιδιώματος (genome interpretation), τη ρύθμιση των γονιδίων (gene regulation), την επιγονιδιωματική (epigenomics) και την εξέλιξη του γονιδιώματος (genome evolution).

Η διερμηνεία του γονιδιώματος περιλαμβάνει τον εντοπισμό ιχνών εξελικτικών αλλαγών στο γονιδίωμα (των λεγόμενων «εξελικτικών υπογραφών») και τη μέσω σύγκρισής τους αναγνώριση των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, RNA, microRNA.

Μετά το «χτίσιμο» αυτής της εγκυκλοπαίδειας βιολογικών στοιχείων, η γνώση της ρύθμισης των γονιδίων μάς είναι απαραίτητη για να αντιληφθούμε πώς δομούνται τα κυτταρικά κυκλώματα. Τα «κλειδιά» αυτής της δόμησης κρύβονται σε δεσμούς ρυθμιστών DNA και RNA που παρατάσσονται σε «λέξεις» μήκους μόλις 6-8 νουκλεοτιδίων. Ο Μανώλης ανακάλυψε μεθόδους που κάνουν την εύρεση αυτών των «λέξεων» συστηματική, με χαρακτηρισμό των λειτουργικών ρόλων τους, και δόμησε υπολογιστικά μοντέλα που προβλέπουν το πώς θα εκφραστούν τα γονίδια αν δράσουν συνδυαστικά οι διάφοροι ρυθμιστές τους.

Εκτός όμως από τα όσα καθορίζονται στη βασική αλληλουχία του γονιδιώματος, έχει διαπιστωθεί ότι κρίσιμο ρόλο στην κυτταρική διαφοροποίηση και στην εκδήλωση ασθενειών παίζουν μεταβολές που συμβαίνουν στις ουρές των ιστονών – των πρωτεϊνών γύρω από τις οποίες το DNA περιελίσσεται σαν κισσός και σχηματίζει τη χρωματίνη. Η ομάδα του Μανώλη βρήκε μεθόδους χαρτογράφησης αυτών των μεταβολών στη χρωματίνη, καθώς και χαρακτηρισμού της δράσης τους. Έτσι, αυτή η επιγονιδιωματική μελέτη επιτρέπει τώρα την ανάλυση των αιτίων των ασθενειών και την ανάπτυξη φαρμάκων.

Η διερεύνηση της εξέλιξης του γονιδιώματος είναι απαραίτητη για την κατανόηση τόσο των «όσων συνέβησαν» όσο και την πρόβλεψη και βελτιστοποίηση «όσων θα συμβούν». Η συστηματική μελέτη της από την ομάδα του Μ. Καμβυσέλη οδήγησε στην ανακάλυψη μιας μοναδικής «γονιδιωματικής υπογραφής» στο επίπεδο της ολικής αναπαραγωγής του γονιδιώματος, που έλυσε πολλά από τα μυστήρια της εξέλιξης των ειδών. Στο φαρμακευτικό πεδίο, οι φυλογονιδιωματικές μέθοδοι που προέκυψαν επέτρεψαν τον εντοπισμό γονιδίων ιών που εξελίσσονται σε παθογόνους.

ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ ΜΙΤ

Μια μετανάστευση που μπήκε στο Γκίνες

Ως το 1989 η οικογένεια του Γιάννη και της Αννας Καμβυσέλη ζούσε στο κέντρο της Αθήνας. Το νέφος της πρωτεύουσας όμως τους «έπνιξε» και αποφάσισαν να αλλάξουν εντελώς περιβάλλον για τα τρία τους παιδιά. Όπως δήλωσε η Αννα Καμβυσέλη στα «Νέα», έφυγαν από την Ελλάδα «με τα αγγλικά του… Μαγκάιβερ!».

Η πρώτη τους στάση ήταν στην ειδυλλιακή πόλη Aix de Provence της Γαλλίας, για να καταλήξουν στη Νέα Υόρκη κι έπειτα στη Βοστώνη. Οι εξελίξεις δικαίωσαν τις επιλογές τους πέρα από κάθε προσδοκία: έπειτα από εννιά χρόνια στην ξενιτιά, μπήκαν στο βιβλίο των ρεκόρ Γκίνες ως η μόνη οικογένεια που και τα τρία παιδιά της έγιναν δεκτά στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) με διαφορά λίγων μηνών.