«Μοριακοί άτλαντες» για όλους και όλα

Κάθε μέρα, κάθε τετραγωνικό εκατοστό του δέρματός μας έρχεται σε επαφή με χιλιάδες μόρια –από τις κρέμες προσώπου και το μακιγιάζ ως τον ιδρώτα και την πληθώρα μικροοργανισμών που… θεωρούν το ανθρώπινο δέρμα σπίτι τους.

Τώρα μια νέα μέθοδος χαρτογράφησης μορίων που αναπτύχθηκε από ερευνητές του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας (EMBL) στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας, σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο των ΗΠΑ, μπορεί να προσφέρει τρισδιάστατους χάρτες όλων των μοριακών «επισκεπτών» ή και «μόνιμων κατοίκων» του δέρματός μας και όχι μόνο: η μέθοδος αυτή, που παρουσιάστηκε πρόσφατα (συγκεκριμένα στις 21 του περασμένου Δεκεμβρίου) στην επιθεώρηση «Nature Protocols», μπορεί να χαρτογραφήσει μοριακά πλήθος επιφανειών, όπως τα ΑΤΜ, τα κινητά τηλέφωνα, αλλά και τους ωκεανούς ή τις καλλιέργειες.

Πρακτικά αυτό μεταφράζεται σε επανάσταση σε πολλά πεδία, από την ιατρική και την εγκληματολογία ως τη γεωργία και την ωκεανολογία. Διότι, όπως θα διαβάσετε, τα μέχρι στιγμής πειράματα των ερευνητών δείχνουν ότι με τη μέθοδό τους μπορούν να «βλέπουν» το ΡΙΝ που ο καθένας μας πατά στο αυτόματο μηχάνημα ανάληψης μετρητών της τράπεζας, τον κάτοχο κάθε κινητού και τον τρόπο ζωής που αυτός ακολουθεί, τις διαφορετικές ουσίες στις επιφάνειες του σπιτιού μας, τα φυτοφάρμακα και άλλες ουσίες σε κάθε φυτό, ακόμη και τους εχθρούς των θαλασσών του πλανήτη. Τελικώς, μέσα από αυτές τις μελέτες διαφαίνεται ότι η χαρτογράφηση τέτοιων μοριακών αποτυπωμάτων μπορεί να αφήσει το δικό της ανεξίτηλο «αποτύπωμα» σε πλήθος εκφάνσεων της ζωής αλλά ακόμη και να φωτίσει κάποιες φορές τον θάνατο.

Οπως εξηγεί στο «Βήμα» ο ένας εκ των δύο «πατέρων» της μεθόδου, ο δρ Θίοντορ Αλεξάντροφ, επικεφαλής του Τμήματος Μεταβολομικής του EMBL, «η προσέγγιση αναπτύχθηκε από την ομάδα του καθηγητή Πίτερ Ντορστάιν από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο και τη δική μας ομάδα στο EMBL. Η ομάδα στο Σαν Ντιέγκο εξειδικεύεται στη χημική ανάλυση μέσω της χρήσης φασματομετρίας μάζας, μιας αναλυτικής τεχνικής κατά την οποία τα μόρια ενός δείγματος μετατρέπονται σε ταχύτατα κινούμενα ιόντα και στη συνέχεια διαχωρίζονται σε σχέση με τον λόγο της μάζας προς το φορτίο τους. Η δική μας ομάδα ανέλαβε την επεξεργασία των σημάτων που προκύπτουν μετά την εφαρμογή της φασματομετρίας μάζας και την ανάπτυξη του λογισμικού για τη δημιουργία των τρισδιάστατων χαρτών».

Η μέθοδος, σύμφωνα με τον ερευνητή, «είναι πολύ απλή. Στην αρχή δημιουργούμε ένα τρισδιάστατο μοντέλο αυτού που επιθυμούμε να αναλύσουμε κάθε φορά –ας πούμε ότι πρόκειται για το ανθρώπινο δέρμα. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τεχνητά μοντέλα, πλέον όμως έχουμε τη δυνατότητα να δημιουργούμε ακριβή μοντέλα του ανθρώπινου σώματος με χρήση τρισδιάστατων σκάνερ. Στη συνέχεια συλλέγουμε δείγματα από το δέρμα με χρήση μιας απλής μπατονέτας και κάθε δείγμα τοποθετείται μέσα στον φασματογράφο μάζας ο οποίος και μας δίνει πλήρη χημική ανάλυση όλων των μορίων του δείγματος. Τα δεδομένα που συλλέγονται είναι πάρα πολλά –φανταστείτε ότι για κάθε σημείο του δέρματος που αναλύουμε προκύπτουν περί τα 200 με 300 MB δεδομένων, ενώ για κάποια σημεία μπορεί ο όγκος των δεδομένων να φθάσει και το 1 GB». Η ανάλυση που λαμβάνουν οι επιστήμονες περιέχει όλα τα μόρια που εντοπίζονται στην επιφάνεια του δέρματος –από τα δερματικά κύτταρα ως ουσίες του περιβάλλοντος που επικάθονται στο δέρμα, πολλά καλλυντικά αλλά και πλήθος μικροβίων που το κατοικούν.

Το επόμενο βήμα για τους ερευνητές είναι να προχωρήσουν σε επεξεργασία όλων των σημάτων που λαμβάνουν μέσω της ανάλυσης των μορίων και τελικώς να εισαγάγουν τα στοιχεία σε ειδικό λογισμικό που κάνει και την οπτικοποίηση των πληροφοριών δημιουργώντας έναν τρισδιάστατο χάρτη. «Ετσι, σε ό,τι αφορά το ανθρώπινο δέρμα, μπορούμε να έχουμε έναν 3D χάρτη με όλα τα μόρια που εντοπίστηκαν σε έναν εθελοντή, έναν αναλυτικότατο χάρτη του δέρματός του σπιθαμή προς σπιθαμή». Είναι μάλιστα αξιοσημείωτο το γεγονός ότι όταν στο πλαίσιο πειράματος η ερευνητική ομάδα εφήρμοσε την προσέγγιση για τη χαρτογράφηση των μορίων της επιφάνειας του δέρματος δύο εθελοντών, εντόπισε ίχνη αντηλιακού και άλλων προϊόντων ακόμη και τρεις ημέρες μετά τη χρήση τους. Αυτό δείχνει ότι η μέθοδος είναι όχι μόνο ακριβής, αλλά και με… αναδρομική ισχύ.

Η επιστήμη μπορεί λοιπόν να δημιουργήσει έναν αναλυτικό «άτλαντα» διαφορετικών βιολογικών επιφανειών (αλλά και μη βιολογικών, όπως θα δείτε παρακάτω). Η νέα αυτή δυνατότητα σε ποια πεδία θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη; ρωτήσαμε τον δρα Αλεξάντροφ. «Μπορούν να υπάρξουν πλήθος βιολογικών και ιατρικών εφαρμογών με γνώμονα τη νέα γνώση που προκύπτει χάρη σε αυτή τη μέθοδο. Είναι σημαντικό ότι είμαστε πλέον σε θέση να έχουμε στα χέρια μας έναν χάρτη που αποκαλύπτει τη μοριακή πολυπλοκότητα βιολογικών επιφανειών όπως το ανθρώπινο δέρμα και αυτό αναμένεται να ρίξει περισσότερο φως στη διάγνωση αλλά και στη θεραπεία νόσων καθώς και στη χαρτογράφηση της εξάπλωσης μεταδοτικών ασθενειών, όπως κάποιες βακτηριακές».

Παράλληλα όμως η νέα αυτή μοριακή χαρτογράφηση μπορεί να αποδειχθεί «θησαυρός» και σε πολλά άλλα πεδία, εξηγεί ο επιστήμονας. «Ενα από αυτά είναι η εγκληματολογία. Εκτός του ότι η μοριακή χαρτογράφηση του δέρματος ενός θύματος μπορεί να μιλήσει για τις συνθήκες θανάτου του –από το σημείο που έλαβε χώρα το έγκλημα ως το προφίλ του δράστη -, είναι άκρως σημαντικό το γεγονός ότι με χρήση της τεχνικής μας έχουμε δει μέσα από πειράματα ότι μπορούμε να συνδέσουμε ένα έξυπνο κινητό τηλέφωνο με τον ιδιοκτήτη του –με απλά λόγια, ένα smartphone μπορεί να μαρτυρήσει τον κάτοχό του μέσω της μοριακής υπογραφής του η οποία έχει… περάσει στην επιφάνεια του αντικειμένου».

Κάτι τέτοιο δεν είναι αυτή τη στιγμή εφικτό να συμβεί σε μεγάλη κλίμακα –και αυτό διότι προϋποθέτει την ύπαρξη μιας βάσης δεδομένων στην οποία θα περιλαμβάνονται όλοι οι μοριακοί άτλαντες του δέρματος του καθενός μας –αλλά δείχνει λίγο ως πολύ το «φακελωμένο» (και μοριακά) μέλλον μας. «Μέχρι στιγμής σε μελέτη μας έχουμε δείξει ότι αν έχουμε δέκα «έξυπνα» κινητά τηλέφωνα και δέκα άτομα στα οποία ανήκουν, χωρίς να γνωρίζουμε σε ποιον ανήκει το κάθε κινητό, είμαστε σε θέση να κάνουμε επιτυχώς τη σύνδεση χάρη στο μοριακό αποτύπωμα που αφήνει το κάθε άτομο στην επιφάνεια του κινητού του. Στόχος είναι βέβαια κάποια ημέρα, όταν έχουμε στα χέρια μας μόνο μια τέτοια έξυπνη συσκευή, να μπορούμε να εντοπίσουμε τον κάτοχό της ανάμεσα σε εκατομμύρια δυνητικούς κατόχους».

Ενα άλλο πεδίο εφαρμογής δόξης λαμπρό έχει… περιβαλλοντική χροιά, λέει ο δρ Αλεξάντροφ. «Εχουμε ήδη δείξει μέσα από μελέτη μας ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε τον μοριακό άτλαντα ενός χώρου, όπως ενός δωματίου του σπιτιού μας. Εναν χάρτη που καταγράφει πλήθος μορίων επάνω στις επιφάνειες, πολλές φορές και επικίνδυνων, όπως τα επιβραδυντικά καύσης. Κατά τη γνώμη μου, είναι σημαντικό το γεγονός ότι με τέτοιες μελέτες δείχνουμε στον κόσμο ότι περιβάλλον δεν είναι μόνο ό,τι βλέπουμε αλλά και πάρα πολλά μόρια που δεν βλέπουμε και τα οποία συνδέονται με την υγεία μας». Και από την περιβαλλοντική «μικροκλίμακα» ας περάσουμε σε μια κλίμακα πολύ πιο μεγάλη μέσα από μια άλλη μελέτη της ομάδας η οποία αφορούσε τους ωκεανούς και δείχνει μια άλλη σημαντική πιθανή εφαρμογή της μεθόδου: μιλούμε για χαρτογράφηση βακτηρίων στους ωκεανούς της Γης. «Εχουμε διεξαγάγει χημική ανάλυση δειγμάτων νερού από 200 διαφορετικά σημεία ωκεανών του πλανήτη. Τα κυανοβακτήρια που εντοπίσαμε καλλιεργήθηκαν στο εργαστήριο και ήμαστε σε θέση να χαρτογραφήσουμε τα μόρια που εξέκριναν. Ετσι, δημιουργήθηκε ένας χάρτης των βακτηρίων των ωκεανών της Γης που όμοιός του δεν υπάρχει. Για τη διεξαγωγή αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκε ακριβώς το ίδιο λογισμικό» λέει ο δρ Αλεξάντροφ.

Και μια και μιλάμε για πεδία δόξης λαμπρά, ιδού και ένα άλλο που μπορεί να ενδιαφέρει πολλούς επιτήδειους αλλά και τις διωκτικές αρχές που βρίσκονται στο κατόπι τους: μιλούμε για τον… μοριακό τρόπο υποκλοπής του αριθμού ΡΙΝ από το αυτόματο μηχάνημα ανάληψης μετρητών (κοινώς το ΑΤΜ). Βέβαια, όπως παραδέχεται ο ερευνητής του ΕΜΒL, «ο συγκεκριμένος τρόπος υποκλοπής του ΡΙΝ είναι άκρως πολύπλοκος και επίσης πανάκριβος, έτσι μάλλον δεν θα ήταν ο αγαπημένος των επίδοξων ληστών. Για να υποκλέψουμε το ΡΙΝ στο πλαίσιο πειράματος έπρεπε αρχικώς να καθαρίσουμε εξονυχιστικά το μηχάνημα με μεθανόλη και στη συνέχεια να λάβουμε δείγμα από τα πλήκτρα με μπατονέτα και να τοποθετήσουμε το δείγμα σε φασματογράφο μάζας. Ωστόσο μέσω αυτής της διαδικασίας εντοπίσαμε τα σωστά πλήκτρα που πάτησε ο εθελοντής του πειράματος μέσω της μέτρησης ενός συγκεκριμένου μορίου –πρόκειται για το ουροκανικό οξύ το οποίο περιέχεται στον ιδρώτα –που μεταφέρθηκε από το δάχτυλό του στο πληκτρολόγιο. Το πείραμα αυτό αποδεικνύει με τον καλύτερο τρόπο ότι μεταφέρουμε μόρια από το δέρμα μας στα αντικείμενα και ότι είμαστε πλέον σε θέση να μετρήσουμε και να χαρτογραφήσουμε αυτά τα μόρια. Η συγκεκριμένη μελέτη έχει κερδίσει το ενδιαφέρον πολλών εγκληματολόγων και μάλιστα έχουμε ξεκινήσει σχετικές συνεργασίες».

Η μέθοδος όμως του ΕΜΒL και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο είναι πολλά υποσχόμενη και σε ό,τι αφορά τη γεωργία. Μέσω της μοριακής χαρτογράφησης, σημειώνει ο δρ Αλεξάντροφ, θα μπορεί να αποτυπώνεται αν φυτοφάρμακα ή άλλα προϊόντα που χρησιμοποιούνται σε κάποιες καλλιέργειες εξαπλώνονται σε γειτονικές, καθώς και αν υπάρχουν μοτίβα σε αυτή την εξάπλωση. Παράλληλα, οι επιστήμονες θα έχουν στα χέρια τους ένα σημαντικό εργαλείο ώστε να καταγράφουν πώς τα φυτά μεταφέρουν μόρια από τα παλαιά στα καινούργια φύλλα τους καθώς και πώς αποκρίνονται στο στρες.

Μέσα από όλες αυτές τις μελέτες, επισημαίνει ο επιστήμονας, στόχος της ομάδας ήταν να αποδειχθεί αρχικώς ότι η προσέγγισή της λειτουργεί. «Τώρα που αυτό αποδείχθηκε σε πολλά επίπεδα, επόμενος στόχος μας είναι να προχωρήσουμε στο διά ταύτα, σε απτές εφαρμογές. Ενας τέτοιος άμεσος στόχος μας αφορά την ιατρική και ειδικώς το μελάνωμα, τον πιο επιθετικό καρκίνο του δέρματος, μέσα από τη δημιουργία μοριακών χαρτών του δέρματος που θα δείχνουν μεταξύ άλλων αν στην ανάπτυξη ή στην εξέλιξη της νόσου συμμετέχουν και άλλα μόρια όπως μικρόβια –είναι πολύ σημαντικό ότι μπορούμε πλέον να παρακολουθήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ δέρματος και μικροβίων. Το ίδιο σκεπτικό ελπίζουμε να εφαρμοστεί και για άλλες δερματικές νόσους, όπως η ψωρίαση».

Μια άλλη πιθανή, όχι και τόσο μακρινή εφαρμογή, που διερευνούν οι επιστήμονες αφορά την αποκάλυψη του τρόπου ζωής ενός ατόμου μέσω της επιφάνειας του έξυπνου κινητού του. «Ο μοριακός χάρτης της επιφάνειας του smartphone θα μπορούσε να αποκαλύψει αν πρόκειται για άνδρα ή γυναίκα, για ένα άτομο που τρέφεται υγιεινά ή όχι, που καπνίζει ή όχι, που πηγαίνει γυμναστήριο ή ακολουθεί καθιστικό τρόπο ζωής μπροστά σε έναν υπολογιστή. Μια τέτοια γνώση θα ήταν πολύτιμη στους εγκληματολόγους αλλά και σε πολλούς άλλους επιστήμονες όπως οι επιδημιολόγοι».

Ολα αυτά που σήμερα σας παρουσιάσαμε, μοιάζουν πράγματι σε κάποιες περιπτώσεις με έναν «μοριακό Μεγάλο Αδελφό», αλλά το ζήτημα πάντα στην επιστήμη είναι η χρήση που κάνουμε σε όλες τις νέες εφαρμογές που προκύπτουν. Και όπως δείχνει η δυναμική των μελετών του δρος Αλεξάντροφ και των συνεργατών του, οι μοριακοί άτλαντες μπορούν, με τη σωστή χρήση, να αποδειχθούν πολύ καλοί και προστατευτικοί… αδελφοί για τον πληθυσμό!