Νομπέλ 2017

Φως στα γρανάζια του βιολογικού μας ρολογιού

Υπάρχουν βακτήρια που τρέφονται με το φως του ήλιου, υπάρχουν άνθη που ανοίγουν την ημέρα και κλείνουν τη νύχτα, υπάρχουν ζώα ημερόβια και νυχτόβια, υπάρχουν και οι άνθρωποι που αρχίζουν να χασμουριούνται μόλις πέσει το σκοτάδι. Δεν υπάρχει ζωντανός οργανισμός που να μην έχει συντονιστεί με την 24ωρη περιστροφή της Γης γύρω από τον εαυτό της.

Πώς συμβαίνει όμως αυτό; Την απάντηση στο παραπάνω ερώτημα έδωσαν οι τρεις αμερικανοί επιστήμονες που μοιράζονται για εφέτος το βραβείο Νομπέλ Ιατρικής. Πρόκειται για τους Τζέφρι Χολ (Jeffrey C. Hall, 1945), Μάικλ Ρόσμπαχ (Michael Rosbach, 1944) και Μάικλ Γιανγκ (Michael W. Young, 1949), οι οποίοι ανακάλυψαν τους μηχανισμούς που ελέγχουν τους κιρκάρδιους ρυθμούς. Ο όρος κιρκάρδιος ή κιρκαρδικός (circardian) προκύπτει από τα λατινικά circa (περίπου) και dies (ημέρα) και περιγράφει την κυκλική εναλλαγή των φυσιολογικών φαινομένων, όπως ο κύκλος του ύπνου και της εγρήγορσης.

Η διαπίστωση της ύπαρξης των κιρκάρδιων ρυθμών σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς δεν άφηνε καμιά αμφιβολία στους επιστήμονες για την ύπαρξη ενός εσωτερικού ρολογιού, του οποίου τα μοριακά «γρανάζια» αγνοούσαν παντελώς μέχρι η τρόικα των αμερικανών επιστημόνων να ανακαλύψει δύο γονίδια- κλειδιά. Εργαζόμενοι με τη δροσόφιλα (Drosophila melanogaster, μύγα του ξιδιού), ένα κλασικό πειραματόζωο ιδανικό για γενετικές μελέτες, πέτυχαν να απομονώσουν πρώτα το γονίδιο period και στη συνέχεια το γονίδιο timeless. Το period κωδικοποιεί για τη σύνθεση της πρωτεςΐνης PER, η οποία παράγεται κατά τη διάρκεια της νύχτας και αποικοδομείται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αυτή η κυκλική αυξομείωση της πρωτεΐνης PER αποτελεί κομβικό «γρανάζι» του εσωτερικού ρολογιού των μυγών, αλλά και των ανθρώπων. Πώς όμως αναστέλλεται η παραγωγή της πρωτεΐνης κατά τη διάρκεια της ημέρας; Η πρωτεΐνη TIM (η οποία συντίθεται υπό τις οδηγίες του γονιδίου timeless) προσδένεται στην PER και μαζί εισέρχονται στον πυρήνα του κυττάρου όπου και ρυθμίζουν την έκφραση του γονιδίου period.

Το δεύτερο αυτό εύρημα των τριών επιστημόνων απέδειξε ότι ο μηχανισμός ήταν αυτοσυντηρούμενος καθώς παρήγαγε τα ίδια του τα «γρανάζια»! Λίγο αργότερα, από άλλους επιστήμονες καταδείχθηκε ότι η εναλλαγή φωτός και σκοταδιού παίζει σημαντικό ρόλο στον συγχρονισμό του ρολογιού που στον άνθρωπο ελέγχει την έκφραση μιας σειράς γονιδίων ρυθμίζοντας την έκκριση ορμονών, τη θερμοκρασία του σώματος, την αρτηριακή πίεση αλλά και τη συμπεριφορά.

Δεν ήταν μόνοι σε αυτό το εγχείρημα αλλά ήταν επικεφαλής μιας ομάδας περίπου 1.000 επιστημόνων. Διότι η ανίχνευση των διαταραχών που παράγονται όταν ένα σώμα σε οποιοδήποτε σημείο στο Σύμπαν, οσοδήποτε μεγάλο, επιταχύνεται ή αλλάζει μάζα θεωρούνταν κάτι το αδύνατο με τα μέσα που διέθετε ως σήμερα ο άνθρωπος.

Ας φανταστούμε, προς στιγμήν, ότι το Σύμπαν είναι μια λεπτή ελαστική μεμβράνη καλά τεντωμένη και στερεωμένη στις τέσσερις άκρες ενός κρεβατιού. Και ότι σε κάποια σημεία υπάρχουν κάποιες οπές, στρώμα δεν υπάρχει από κάτω, ό,τι πέφτει εκεί μέσα εξαφανίζεται. Οποιοδήποτε αντικείμενο βρεθεί επάνω σε αυτή τη μεμβράνη δημιουργεί γύρω του μια κοιλότητα. Αν μετακινηθεί, ώσπου να ηρεμήσει σε κάποια νέα θέση, αυτό γίνεται προς στιγμήν αισθητό σε όλα τα σημεία της μεμβράνης. Δεν αποκλείεται να βρεθεί και μέσα σε μία από τις οπές. Ετσι περίπου αντιδρά και ο χώρος γύρω μας ως τις άκρες του Σύμπαντος. Κάθε σώμα που έχει μάζα και κινείται επηρεάζει τον χώρο κατά κάποιον τρόπο – και εμείς και ο Ηλιος και οι γαλαξίες -, αλλά όλα αυτά επηρεάζουν τόσο λίγο που είναι αδύνατο να ανιχνευθούν με τα σημερινά όργανα. Ωστόσο μια σύγκρουση μεταξύ δύο γιγάντιων οπών, οι οποίες πρώτα και επί εκατομμύρια χρόνια στροβιλίζονταν σε έναν χορό χωρίς να εφάπτονται η μία με την άλλη έχοντας μάζα 29 ηλίων η μία, 36 η άλλη, για να προκύψει μια νέα οπή με μάζα 62 ηλίων, έδωσε ένα έλλειμμα 3 ηλίων που έγινε ενέργεια σύμφωνα με τη Θεωρία του Αϊνστάιν και όλη αυτή η αναταραχή συνέβη πριν από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια και έφθασε, από απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, απίστευτα εξασθενημένη, αλλά η διάταξη LIGO στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 το έπιασε.

Αυτό ανοίγει τον δρόμο για νέες αναζητήσεις, ακόμα και ειδικότητες στη Φυσική, διότι θα επιχειρηθεί με την πείρα που αποκτάται στην ανίχνευση των «ρυτίδων» αυτών στον χώρο να ριχθεί φως στην πραγματικά «σκοτεινή» φύση της λεγόμενης «dark matter» ή σκοτεινής ύλης, του τμήματος δηλαδή του Σύμπαντος που θεωρούμε ότι υπάρχει αλλά δεν είναι ορατό διότι δεν επιστρέφει από εκεί καμία ακτίνα φωτός.

Οπως εύστοχα παρατηρήθηκε κατά την αναγγελία της βράβευσης την Τετάρτη το μεσημέρι, εδώ έχουμε την περίπτωση όπου δύο επιστήμες, η Φυσική και η Χημεία, συνεργάζονται για να δώσουν αυτό το εξαιρετικό αποτέλεσμα που είναι σήμερα η κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία. Διότι πρέπει πρώτα να γνωρίζεις λίγη Φυσική για να καταλάβεις το γιατί από ένα σημείο και πέρα όσο και να μεγαλώνεις τους φακούς δεν μπορείς να δεις με μεγαλύτερη ακρίβεια στον μικρόκοσμο, αφού τα φωτόνια που στέλνεις και ανακλώνται είναι μεγαλύτερα από τα προς παρατήρηση αντικείμενα. Γι’ αυτό κάποια στιγμή εφευρέθηκε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Σε αυτό έστελναν μια δέσμη ηλεκτρονίων, που είναι μικρότερα από τα φωτόνια, το προς παρατήρηση αντικείμενο βρισκόταν σε κενό αέρος, διότι τα μόρια του αέρα φρενάρουν τα ηλεκτρόνια, και η δέσμη διαμορφώνεται με τη βοήθεια πηνίων που δρουν όπως οι μεγεθυντικοί φακοί στο παλιό μικροσκόπιο. Τα ηλεκτρόνια, μετά την πρόσπτωση στο αντικείμενο, οδηγούνται σε ειδική οθόνη όπου απεικονίζεται το αντικείμενο.

Τα προβλήματα με αυτό το μικροσκόπιο ήταν ότι η δέσμη των ηλεκτρονίων μπορούσε να κάψει κάποια από τα πιο ευαίσθητα δείγματα, ενώ σε άλλες περιπτώσεις λόγω του κενού έφευγε το νερό από τα βιολογικά δείγματα και τα κατέστρεφε.

Ο Ρίτσαρντ Χέντερσον ήταν ο πρώτος που σκέφθηκε να εξασθενίσει τη δέσμη των ηλεκτρονίων αλλά να πάρει πολλές διαφορετικές «στάσεις» μιας πρωτεΐνης, από διάφορες γωνίες δηλαδή, και να συνθέσει τελικά μια φωτογραφία που θα την έλεγες 3-D.

Ο Γιόαχιμ Φρανκ έβαλε σε αυτή τη διαδικασία και τον υπολογιστή. Παίρνοντας πολλά στιγμιότυπα από πολλά τμήματα προγραμματίζοντας τον υπολογιστή κατάλληλα κατάφερνε να τον κάνει να φτιάχνει εκείνος την ολοκληρωμένη εικόνα πολύπλοκων μορίων.

Τέλος, ο Ντιμποσέ έδωσε τη λύση στο πρόβλημα που είχαν οι συνάδελφοί του όταν για να αποφύγουν την εξάτμιση του νερού λόγω του κενού στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο προσπαθούσαν να παγώσουν το δείγμα τους με υγρό άζωτο στους -190 βαθμούς Κελσίου αλλά οι παγοκρύσταλλοι σκέδαζαν τα ηλεκτρόνια και θόλωναν την εικόνα. Βρήκε έναν τρόπο το νερό επάνω στο δείγμα να παγώνει αλλά να αποκτά την εσωτερικά άμορφη δομή του γυαλιού. Εκανε δηλαδή τον πάγο γυαλί!