Η Ζωή είναι Κώδικας (του Δημήτρη Σωκιαλίδη)

0
419

 

του Δημήτρη Σωκιαλίδη

Αν τον μάθεις μπορείς να φτιάξεις ένα βακτήριο, ένα μήλο, ένα βάτραχο, μια μαϊμού, έναν άνθρωπο ή και κάποιον άγνωστο σύνθετο καινούργιο οργανισμό και να τους προσδώσεις όποιες ιδιότητες θέλεις. Σας θυμίζει κάποιον;

Γενετικός Κώδικας (DNA).

Η δημοσίευση στο έγκυρο επιστημονικό περιοδικό Nature (Nature  την 25-4-1953) ήταν πολύ λιτή. Μία μόνο σελίδα. Οι συγγραφείς (James Watson και Francis Crick) παρουσίαζαν ένα σχέδιο της δομής του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος, του πασίγνωστου πια σήμερα DNA, του φορέα των γενετικών πληροφοριών του κυττάρου που βρίσκεται μέσα στα χρωμοσώματα, στον πυρήνα των κυττάρων.

Το σχέδιο του διπλού έλικα που συγκρατείται ενωμένος από τα τέσσερα αλληλοσυμπληρούμενα χημικά στοιχεία Θυμίνη (Τ) με Αδενίνη (Α), και Γουανίνη (G) με Κυτοσίνη (C), τα οποία αποτελούν και το αλφάβητο της γλώσσας που μιλούν όλες οι μορφές ζωής στον πλανήτη, έδειχνε τόσο απλό, κομψό και όμορφο που μολονότι άφηνε ακόμα ερωτηματικά, φάνταζε «θεμελιώδες».

Ο Μάικλ, ο δωδεκάχρονος γιός του F. Crick, εσώκλειστος σε οικοτροφείο,  ήταν ένας από τους πρώτους που ενημερώθηκε για «την πιο σημαντική ανακάλυψη» με χειρόγραφη επιστολή του πατέρα του, η οποία περιείχε το σχέδιο και την περιγραφή του ως «μια μακριά αλυσίδα με μπίλιες να προεξέχουν». Ο Μάικλ διαφύλαξε την επιστολή. Εξήντα χρόνια αργότερα, το 2013, η επιστολή πωλήθηκε σε πλειστηριασμό στο ποσό-ρεκόρ των 5,3 εκατομμυρίων δολαρίων!

Η ανακάλυψη του κώδικα DNA αποτελούσε την κορύφωση μιας αληθινής περιπέτειας αναζήτησης, μιας περιπέτειας που θα ζήλευαν πολλοί μυθιστοριογράφοι. Σε αυτήν πρωταγωνιστούσαν πολλοί ευφυείς νομπελίστες αλλά και αφανείς ήρωες.  Οι αρμονικές καμπύλες του μορίου έκρυβαν μια μπάμπουσκα κωδίκων. Το διάβασμα του κώδικα των γονιδίων (Γονιδιωματική),  οδηγούσε σε έναν καινούργιο κώδικα των πρωτεϊνών (Πρωτεομική). Κι αυτός με τη σειρά του σε έναν κώδικα της έκφρασης των γονιδίων (Ματαγραφομική), κι εκείνος στον κώδικα της αλληλεπίδρασης του περιβάλλοντος με τα γονίδια (Επιγενετική) κοκ. Όλοι μαζί οι κώδικες οδηγούσαν στη Μοριακή Βιολογία και στις θεμελιώδεις διεργασίες της ζωής.

Χάρτη για αυτό το κυνήγι θησαυρού αποτέλεσε το βιβλίο του μεγάλου νομπελίστα φυσικού Erwin Schrödinger Τι είναι η ζωή το οποίο απευθυνόταν στο ευρύ κοινό αλλά επηρέασε βαθιά και έστρεψε πολλούς επιστήμονες στην αναζήτηση του γενετικού κώδικα. Ένας από αυτούς ήταν και ο Watson.

Ας πάρουμε όμως τα πράγματα απ’ την αρχή :

Η αναζήτηση ξεκίνησε με τον μοναχό Gregor Mendel (1822-1884), ο οποίος υπήρξε ένας από τους αφανείς ήρωες στη προσπάθεια να καταλάβουμε τα μυστήρια της κληρονομικότητας.  Ήταν ο πρώτος που αντιλήφθηκε, με τα περίφημα πειράματά του με μπιζέλια, ότι κάθε χαρακτηριστικό του φυτού (π.χ. το χρώμα των σπόρων του, πράσινοι ή κίτρινοι;) προσδιοριζόταν από δύο γενετικούς παράγοντες (που αργότερα ονομάστηκαν γονίδια): έναν από κάθε γονιό.

Μάλιστα ανακάλυψε ότι το γονίδιο που καθόριζε το κίτρινο χρώμα επικρατούσε του γονιδίου που προσδιόριζε το πράσινο χρώμα. Δηλαδή εάν το «παιδί μπιζέλι» είχε πάρει το γονίδιο που προσδιόριζε το κίτρινο χρώμα από τον ένα γονιό και το γονίδιο που προσδιόριζε το πράσινο χρώμα από τον άλλο, τότε θα είχε κίτρινους σπόρους. Το κίτρινο επικρατούσε (επικρατές/dominant). Θα είχε πράσινους σπόρους μόνο εάν είχε πάρει και από τους δυο γονείς το γονίδιο που προσδιόριζε το πράσινο χρώμα. Το γονίδιο, επομένως, που προσδιόριζε το πράσινο χρώμα υπολειπόταν (υπολειπόμενο/recessive).

Με άλλα λόγια τα γονίδια δεν ήταν, όπως πίστευαν ως τότε, σαν τα ρούχα όπου πλένεις ένα άσπρο πουκάμισο μαζί με ένα κόκκινο κι από κει και πέρα χάνονται τα αρχικά χρώματα για να προκύψει ένα ροζ πουκάμισο. Τα αρχικά χρώματα (γονίδια) παραμένουν αναλλοίωτα.

Ξαφνικά πολλά από τα μυστήρια της κληρονομικότητας αποκτούσαν νόημα. Πώς μπορούσε π.χ. από δύο λευκούς γονείς να γεννηθεί ένα παιδάκι μαύρο; Το φαινόμενο εξηγείται από κληρονομικούς μηχανισμούς όπως αυτοί του Mendel.

Ο Mendel ανακάλυψε επίσης ότι ενώ όλα τα σωματικά κύτταρα του οργανισμού κάθε γονιού έφεραν δύο γονίδια για κάθε χαρακτηριστικό, τα γενετικά κύτταρα του κάθε γονιού (σπερματοζωάρια και ωάρια) έφεραν μόνο ένα από τα δύο γονίδια του κάθε γονιού, το οποίο μάλιστα είχε επιλεχθεί με τελείως τυχαίο τρόπο. Έτσι το γονιμοποιημένο από το σπερματοζωάριο ωάριο είχε πάλι δύο γονίδια για κάθε χαρακτηριστικό τα οποία είχαν προκύψει τυχαία από τα γονίδια των γονιών.

Όλα αυτά τα θαυμαστά που ανακάλυψε ο Mendel και τα δημοσίευσε σε ένα όχι πολύ γνωστό επιστημονικό περιοδικό το 1865 πέρασαν απαρατήρητα. Ούτε καν ο Δαρβίνος δεν τα πήρε είδηση. Ο Mendel πέθανε ένας άσημος μοναχός.

Επόμενος σημαντικός σταθμός ήταν το 1869 όταν ο Ελβετός γιατρός Friedrich Miescher ανακάλυψε την ύπαρξη του DNA στα χρωμοσώματα στον πυρήνα των κυττάρων. Ο Miescher μίλησε για «χημική κληρονομικότητα». Η μοριακή δομή όμως του DNA παρέμενε άγνωστη.

Σχεδόν 35 χρόνια μετά την δημοσίευση του Mendel, το 1902, δύο ερευνητές ανακάλυψαν τα γραπτά του Mendel και συνειδητοποίησαν ότι οι μυστηριώδεις «γενετικοί παράγοντές» του είχαν πολλά κοινά με τα χρωμοσώματα που μελετούσαν. Συνήθως συναντώταν διπλασιασμένα όπως ακριβώς και οι παράγοντες του Mendel. Αλλά υπήρχε και ένα τύπος κυττάρου στον οποίο τα χρωμοσώματα δεν ήταν διπλασιασμένα: τα γεννητικά κύτταρα (τα σπερματοζωάρια και τα ωάρια). Έτσι προέκυψε η χρωμοσωμική θεωρία της κληρονομικότητας Sutton-Boveri από τα ονόματα των δυο ερευνητών.

Τη δεκαετία του 30 αποδεικνύεται ότι το DNA είναι ένα μακρύ μόριο, μια ατελείωτη σειρά από   τέσσερεις διαφορετικές χημικές βάσεις: Αδενίνη (Α), Γουανίνη (G), Θυμίνη (T) και Κυτοσίνη (C). Το καίριο ερώτημα ήταν: αποτελούσαν αυτά τα τέσσερα χημικά στοιχεία, ένα ικανό αλφάβητο 4 γραμμάτων για να προσδιορίσει την κληρονομικότητα και κατ’ επέκταση την ποικιλομορφία της ζωής στον πλανήτη;

Ή μήπως ο κληρονομικός κώδικας δεν κρυβόταν στο  DNA, αλλά στις πρωτεΐνες των κυττάρων, την μεγάλη ποικιλία των συστατικών από τα οποία δομούνται (και με τα οποία λειτουργούν) τα κύτταρα; Αυτή ήταν και η επικρατούσα άποψη εκείνη την εποχή.

Ας θυμηθούμε τον «θησαυρό» που κυνηγάμε. Ένας κληρονομικός κώδικας πρέπει να μπορεί να κωδικοποιήσει ένα τεράστιο αριθμό χαρακτηριστικών. Θα πρέπει επίσης να μπορεί να αναπαραχθεί με ακρίβεια  ώστε να μπορεί να μεταδοθεί από κύτταρο σε κύτταρο και από γενιά σε γενιά και να επιδέχεται μικρές τροποποιήσεις για να υπάρχει η δυνατότητα μελλοντικών αλλαγών (μεταλλάξεων). Τέλος θα πρέπει να εκφράζεται με κάποιο τρόπο σε παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά (σε κάποιο φαινότυπο).

Σταδιακά αυξάνονται σημαντικά οι ενδείξεις ότι το DNA αποτελεί πράγματι το γενετικό υλικό. Η οριστική απόδειξη έρχεται το 1952 από τους Alfred Hershey και Martha Chase. Το 1950, ο Watson βρίσκεται στο Cambridge να συνεργάζεται με ένα φυσικό, τον Francis Crick, ο οποίος επίσης επηρεασμένος από το βιβλίο του Schrödinger, έχει περάσει στη βιολογία με στόχο το DNA.

Στο μεταξύ ο βιοχημικός Erwin Chargaff ανακαλύπτει ότι, αντίθετα από την επικρατούσα τότε άποψη, το DNA δεν αποτελείται από μια ατελείωτη βαρετή επανάληψη των 4 βάσεων GACT. Υπάρχει μία μεγάλη ποικιλία στην αλληλουχία των βάσεων που το συνθέτουν η οποία επιτρέπει τον προσδιορισμό ενός άπειρου αριθμού χαρακτηριστικών του οργανισμού. Ο Chargaff απέδειξε επίσης ότι στο DNA η ποσότητα της Αδενίνης ήταν ίση με την ποσότητα της Θυμίνης και η ποσότητα Γουανίνης ήταν ίση με την ποσότητα της Κυτοσίνης. Οι Watson και Crick ερμήνευσαν σωστά το εύρημα ότι οι δύο έλικες ήταν συμπληρωματικοί. Όπου στον ένα έλικα βρισκόταν ένα Α (Αδενίνη) αυτό συνδεόταν με ένα Τ (Θυμίνη) στον συμπληρωματικό έλικα. Αντίστοιχα αυτό συνέβαινε με τα γράμματα G (Γουανίνη) και C (Κυτοσίνη).

Οι Watson και Crick κτίζουν μοντέλα προσπαθώντας να μαντέψουν την δομή του DNA βάσει των χημικών στοιχείων που το συνθέτουν. Το ίδιο κάνει στο Βασιλικό Κολλέγιο του Λονδίνου και ο Maurice Wilkins, άλλος ένας φυσικός μεταμορφωμένος σε βιολόγο από το βιβλίο του Schrödinger. Στο ίδιο κολλέγιο και η μοναδική χημικός σε αυτή την κούρσα η κρυσταλλογράφος Rosalind Franklin. Μόνη δυνατή προσέγγιση στην τρισδιάστατη μορφή τέτοιων μικρών μορίων η κρυσταλλογραφία.  Στην κρυσταλλογραφία μια δέσμη ακτινών Χ περνά μέσα από τα μικροσκοπικά σωματίδια του DNA (υπό μορφή κρυστάλλου) και δημιουργούν ένα σχήμα από κηλίδες πάνω στη φωτογραφική πλάκα στην οποία προσκρούουν στη συνέχεια. Από το σχήμα αυτό που αποτυπώνεται στο φιλμ οι ειδικοί μελετητές προσπαθούν να αναγνωρίσουν τη γεωμετρική δόμηση του μορίου.  Η Franklin όμως πιστεύει ότι είναι ακόμα νωρίς. Δεν υπάρχει αρκετή γνώση για να ασχοληθούν με τα μοντέλα. Επισημαίνει μάλιστα κάποιο σημαντικό χημικό λάθος στο μοντέλο των Watson-Crick1.  Η ίδια ασχολείται με την κρυσταλλογράφηση του DNA. Κάποια στιγμή παράγει και την περίφημη φωτογραφία P51 που παραπέμπει σε ελικοειδή δομή για το μόριο του DNA. O Wilkins δείχνει την φωτογραφία στους Watson και Crick οι οποίοι έχουν πια μια σαφή ένδειξη για την δομή που υποπτευόντουσαν και βγαίνουν με την ιστορική δημοσίευση του 1953. H Rosalind Franklin πεθαίνει το 1958, στα 37 της χρόνια, από καρκίνο που πιθανότατα προέκυψε από την πολύχρονη εργασία της με ακτίνες Χ. Το 1962 απονέμεται το Νόμπελ ιατρικής στους Watson, Crick και Wilkins. Το Νόμπελ δεν απονέμεται σε νεκρούς επιστήμονες.

Έγινε σχεδόν αμέσως αντιληπτό ότι το μοντέλο DNA του Watson-Crick μπορούσε να ικανοποιήσει όλα τα χαρακτηριστικά που απαιτεί ένας κληρονομικός κώδικας. Οι ίδιοι αναφέρουν στην μονοσέλιδη δημοσίευσή τους:

«Δεν έχει διαφύγει της προσοχής μας ότι η συγκεκριμένη σύζευξη (των δυο ελίκων) που διατυπώσαμε παραπέμπει άμεσα σε έναν αντιγραφικό μηχανισμό για το γενετικό υλικό».

Σύντομα διευκρινίζεται ότι ο διπλός έλικας, το DNA που κρύβεται στα χρωμοσώματα είναι μια τεράστια αλληλουχία των χημικών στοιχείων που αναφέραμε πιο πάνω και συμβολίζουμε με τα γράμματα G A C T. Η τεράστια αυτή αλληλουχία  υποδιαιρείται σε χιλιάδες γονίδια που μπορούν να προσδιορίσουν χιλιάδες χαρακτηριστικά. Επιπλέον εάν ξεχωριστούν οι δύο έλικες μεταξύ τους  μπορεί ο κάθε έλικας να συμπληρώσει τον έλικα που του λείπει ξαναφτιάχνοντας το αρχικό DNA και ως εκ τούτου από ένα κύτταρο να δημιουργηθούν δύο με ακριβώς το ίδιο DNA (μίτωση)  ή να φτιαχτούν γενετικά κύτταρα  (σπερματοζωάρια ή ωάρια) με τα μονά χρωμοσώματα (μείωση) τα οποία συνδυαζόμενα στο γονιμοποιημένο ωάριο αποτελούν ένα μίγμα του πατρικού και μητρικού DNA.

Έχουμε πια φτάσει στον θησαυρό! Η μπάμπουσκα όμως εγκυμονεί τους νέους κώδικες.

 

Κώδικας των πρωτεϊνών.
Πρωτεομική.  

Παράλληλα με αυτές τις εξελίξεις, και πριν καν ακόμα έρθει το DNA στο προσκήνιο, οι γενετιστές προσπαθούσαν να καταλάβουν πώς το κληρονομικό υλικό, ό,τι και εάν ήταν αυτό, επηρέαζε τα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου οργανισμού. Με ποιον ακριβώς τρόπο δηλαδή οι «παράγοντες» (γονίδια) του Mendel προσδιορίζουν το κίτρινο ή πράσινο χρώμα των μπιζελιών;

Στις αρχές του 20ου αιώνα οι επιστήμονες άρχισαν να έρχονται αντιμέτωποι με κάποιες ασθένειες που έδειχναν να ακολουθούν ένα κληρονομικό μοτίβο. Εμφανιζόταν πιο συχνά στα παιδιά που προέρχονταν από γάμους μεταξύ συγγενών εξ’ αίματος. Διαπίστωσαν ότι πολλές από αυτές τις ασθένειες προέρχονταν από ελλαττωματική λειτουργία των βασικών συστατικών των κυττάρων, των πρωτεϊνών. Κάποιες από αυτές τις ασθένειες αφορούσαν τον μεταβολισμό. Π.χ. στην περίπτωση της φαινυλκετονουρίας μία πρωτεΐνη –το ένζυμο που διασπά ένα βασικό συστατικό των πρωτεϊνών– την φαινυλαλανίνη, δεν μπορούσε να λειτουργήσει σωστά λόγω ενός μικρού λάθους στην δομή της. Το αποτέλεσμα είναι η ουσία αυτή να μην διασπάται αλλά να συσσωρεύεται στο αίμα, μειώνοντας την ανάπτυξη του εγκεφάλου και οδηγώντας σε σοβαρή νοητική υστέρηση.

Στην περίπτωση της μεσογειακής ή δρεπανοκυτταρικής αναιμίας ένα μικρό λάθος στην σύνθεση της πρωτεΐνης αιμοσφαιρίνης οδηγούσε σε αδυναμία των ερυθρών αιμοσφαιρίων να τροφοδοτήσουν επαρκώς με οξυγόνο τους ιστούς του σώματος, όπως οι μυς, για να λειτουργήσουν σωστά. Όλα έδειχναν ότι υπάρχει συσχέτιση του γενετικού κώδικα DNA και της σωστής δομής των πρωτεϊνών.

Οι πρωτεΐνες εκτελούν σχεδόν όλες τις λειτουργίες του σώματός μας και αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της δομής του, από τα μαλλιά μέχρι τα νύχια και από τα κόκκαλα μέχρι τους μυς. Σχεδόν καθετί στο σώμα μας αποτελείται ή συντίθεται από πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες που φτιάχνει ένα κύτταρο προσδιορίζουν τι μπορεί να κάνει αυτό το κύτταρο. Τα κύτταρά μας δουλεύουν ασταμάτητα παράγοντας τις χιλιάδες των πρωτεϊνών που διατηρούν τα σώματά μας εν λειτουργία.

Το 1941 οι George Beadle και Ed Tatum αποδεικνύουν ότι κάθε γονίδιο  προσδιορίζει και μία πρωτεΐνη και το 1949 αποδεικνύεται οριστικά από τον Frederic Sanger (Νόμπελ 1958,1980) ότι οι πρωτεΐνες αποτελούνται από αλληλουχίες 20 χημικών στοιχείων, των αμινοξέων.

Έχει γίνει πλέον απόλυτα αντιληπτό ότι ο γενετικός κώδικας, το DNA, δεν προσδιορίζει μόνο εάν θα έχουμε μπλε ή καφέ μάτια. Μέσα από την συνεχή ενεργοποίηση και απενεργοποίηση γονιδίων, παράγονται ανά πάσα στιγμή όλες οι πρωτεΐνες που υλοποιούν τις λειτουργίες κάθε κυττάρου και ολόκληρου του οργανισμού, την αναπνοή μας, τον μεταβολισμό μας, την κίνηση κάθε μυός μας, όλη την καθημερινή ζωική μας λειτουργία.

Μια καινούργια κούρσα έχει ξεκινήσει. Πώς ακριβώς τα 4 γράμματα του DNA (G A C T) προσδιορίζουν τα 20 αμινοξέα από τα οποία συντίθενται όλες οι πρωτεΐνες;  Πως ο γενετικός κώδικας DNA προσδιορίζει τον πρωτεϊνικό κώδικα όλων των λειτουργιών της ζωής;

Το Διεθνές Συνέδριο το 1961 συγκέντρωσε όλους τους σημαντικούς παίκτες της Μοριακής Βιολογίας. Ο νεαρός Marshall Nirenberg, τον οποίο κανείς δεν είχε ακούσει μέχρι τότε, μίλησε για δέκα λεπτά σε ένα κοινό περίπου 10 ατόμων. Κατά σύμπτωση ο Crick ήταν ανάμεσα σε αυτούς. Έπεισε τον Nirenberg (Νόμπελ 1968) να αναβάλλει το ταξίδι της επιστροφής του και να επαναλάβει την παρουσίασή του την επομένη το πρωί.  Ήταν μια εξαιρετική στιγμή. Ένας αθόρυβος, απαρατήρητος, ανώνυμος νεαρός ομιλητής μπροστά σε ένα πλήθος 2.000 ατόμων με τους κορυφαίους της Μοριακής Βιολογίας έδειχνε πως εισάγοντας μια ακολουθία από το ίδιο γράμμα DNA, π.χ. το Τ, σε ένα σύστημα εκτός κυττάρου που είχε φτιάξει για να συνθέτει πρωτεΐνες, παρήγαγε μια γνωστή απλή πρωτεΐνη η οποία αποτελούνταν από μια αλυσίδα από επαναλήψεις του ίδιου αμινοξέος το οποίο προσδιοριζόταν κάθε φορά από τρία Τ (ΤΤΤ). Άρα τα γράμματα, οι βάσεις του DNA, ανά τρείς αποτελούσαν τους κωδικούς (κωδικόνια) για τα αμινοξέα που συνέθεταν τις πρωτεΐνες, τον κώδικα όλων των λειτουργιών της ζωής. Ένας ακόμη κώδικας της μπάμπουσκας είχε αποκαλυφθεί!

Κώδικας έκφρασης των γονιδίων (DNA).
Μεταγραφομική.

Μέχρι το 1966 είχαν πια προσδιοριστεί όλοι οι συνδυασμοί από τρία γράμματα DNA (κωδικόνια) που προσδιόριζαν τα 20 αμινοξέα από τα οποία συντίθενται όλες οι πρωτεΐνες. Ξέραμε πια πως για όποια πρωτεΐνη χρειαζόταν το κύτταρο, ο διπλός έλικας (DNA) χωριζόταν στα δύο στο σημείο που υπήρχε το γονίδιο για την παραγωγή της συγκεκριμένης πρωτεΐνης. Το κομμάτι του ενός από τους δύο έλικες με τον κώδικα (RNA) πήγαινε στο εργοστάσιο παραγωγής πρωτεϊνών του κυττάρου (ριβόσωμα) όπου συντίθετο η αντίστοιχη πρωτεΐνη. Το αντίστοιχο κομμάτι του άλλου έλικα αναπλήρωνε από το περιβάλλον του τα γράμματα που του έλειπαν  (μία Θυμίνη (Τ) όπου είχε μια Αδενίνη (Α) και ένα G όπου είχε ένα C) συμπληρώνοντας ξανά τον διπλό έλικα (DNA) στο σημείο που είχε διαχωριστεί. Έτσι λειτουργεί η ζωή. Απλά και όμορφα.

Πώς ακριβώς, όμως, ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται τα γονίδια όταν χρειάζεται; Ποιος είναι ο κώδικας που προσδιορίζει το πότε ένα γονίδιο μεταγράφεται σε πρωτεΐνη; Ποιος είναι ο κώδικας του μεταγραφώματος, όπως λέγεται η διαδικασία; Το κυνήγι θησαυρού  συνεχίζεται.

Τα πρώτα ευρήματα που φωτίζουν αυτή τη διαδικασία έρχονται την δεκαετία του 1960 όταν ο Francois Jacob (άλλος ένας εμπνευσμένος από το βιβλίο του Schrödinger) και ο Jacque Monod (Νόμπελ 1965) έδειξαν με ποιον τρόπο η πρωτεΐνη λακτόζη (ζάχαρο του γάλακτος) ενεργοποιούσε το DNA ενός βακτηρίου για να παράγει το ένζυμο που διασπά την λακτόζη για να μπορέσει να την μεταβολίσει. Χωρίς τη λακτόζη, το DNA δεν παρήγαγε το συγκεκριμένο ένζυμο.

Eπομένως, γνωρίζαμε ότι το DNA παράγει πρωτεΐνη. Τώρα μαθαίναμε ότι η πρωτεΐνη θα μπορούσε να αλληλοεπιδρά άμεσα με το DNA, προσδενόμενη σε αυτό, για να ρυθμίσει την δραστηριότητα ενός γονιδίου. Αυτή η πρωτεΐνη μπορεί να προερχόταν από γονίδια του ίδιου του DNA ή από το εξωτερικό περιβάλλον. (Η λακτόζη προέρχεται από το εξωτερικό περιβάλλον.) Άρα, σημαντικό στοιχείο του DNA είναι και οι διακόπτες του, οι οποίοι ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν, επιταχύνουν ή επιβραδύνουν την έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων ή ομάδων γονιδίων. Και οι διακόπτες αυτοί είναι πάρα πολλοί.

Ο κώδικας που προσδιορίζει το πώς μεταγράφεται ή εκφράζεται το DNA αποδεικνύεται πολύ σημαντικός. Όλα μας τα κύτταρα προέρχονται από το μονοκύτταρο γονιμοποιημένο ωάριο και έχουν ακριβώς το ίδιο DNA. Τα κύτταρα του συκωτιού, όμως, είναι τελείως διαφορετικά από αυτά των ματιών μας, των μαλλιών μας, των οστών μας, της καρδιάς μας ή του εγκεφάλου μας. Στα κύτταρα κάθε διαφορετικού ιστού του σώματός μας το ίδιο DNA εκφράζεται με διαφορετικό τρόπο. Διαφορετικά γονίδια εκφράζονται και αναλόγως παράγονται διαφορετικές πρωτεΐνες.  Ένας καταρράκτης από γονίδια που (μέσα από την παραγωγή πρωτεϊνών) ενεργοποιούν άλλα γονίδια, τα οποία με την σειρά τους ενεργοποιούν άλλα γονίδια κρύβεται πίσω από το εξαιρετικό ταξίδι της ανάπτυξης του γονιμοποιημένου ωαρίου στον ενήλικο οργανισμό των τρισεκατομμυρίων εξειδικευμένων κυττάρων.

Όλα τα κύτταρα όλων των οργανισμών διαθέτουν ένα ολοκληρωμένο υποσύνολο γονιδίων με τις οδηγίες για το πώς κτίζεις ένα οργανισμό.  Στον άνθρωπο περίπου το ένα τρίτο των γονιδίων μας ασχολείται ακριβώς με αυτό. Άρα το DNA δεν προσδιορίζει μόνο το εάν θα είμαστε ψηλοί ή κοντοί, ή την καθημερινή λειτουργία των κυττάρων μας μέσα από τις πρωτεΐνες, αλλά και το εντυπωσιακό αναπτυξιακό ταξίδι.

Κώδικας της αλληλεπίδρασης του περιβάλλοντος με τα γονίδια.

Σχετικά πρόσφατα ανακαλύφθηκε και ένας ακόμη κώδικας ο οποίος αλληλοεπιδρά με τον αναπτυξιακό κώδικα που μόλις αναφέραμε. Αυτός προσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο το περιβάλλον επικοινωνεί με το DNA.

Η επιγενετική μελετά αυτόν τον κώδικα, ο οποίος δεν αλλάζει την δομή του DNA, αλλά απλώς τοποθετεί ορισμένες χημικές σημειώσεις σε συγκεκριμένα σημεία του και τροποποιεί την έκφρασή του. Αυτές οι σημειώσεις μπορούν να διατηρηθούν στα καινούργια κύτταρα που παράγονται από τα σημειωμένα κύτταρα αλλά κάποιες φορές και στα γενετικά κύτταρα (ωάρια και σπερματοζωάρια) περνώντας και σε επόμενες γενεές.  Μέσα από αυτό τον κώδικα, για παράδειγμα, μία τροφή, όπως ο βασιλικός πολτός, μπορεί να μετατρέψει μια μέλισσα που δε διαφέρει, ως προς το DNA σε τίποτα από τις άλλες μέλισσες της κυψέλης, σε βασίλισσα με διπλάσιο μέγεθος, 20πλάσια διάρκεια ζωής, δυνατότητα αναπαραγωγής  και πλήθος άλλων σημαντικών διαφορών, απλά μέσα από την επιρροή της συγκεκριμένης τροφής στην έκφραση του DNA της.

Αντίστοιχα, η σωστή μητρική φροντίδα μιας ποντικίνας με άφθονο καλλωπισμό και γλείψιμο των μικρών της κατά την πρώτη εβδομάδα της ζωής τους, μπορεί να διαμορφώσει τον χαρακτήρα τους χαλαρό, άνετο και ψύχραιμο. Η έλλειψη αυτής της φροντίδας μπορεί να μετατρέψει τα μικρά σε αγχωμένα και φοβισμένα ποντικάκια για όλη τους την ζωή.

Άρα το περιβάλλον επικοινωνεί με το DNA και μπορεί να επηρεάσει την έκφρασή του σε πρωτεΐνες προκαλώντας ασθένειες αλλά και διαμορφώνοντας συμπεριφορές. Και σε αυτό το περιβάλλον θα μπορούσαμε να εντάξουμε και τα τρισεκατομμύρια βακτήρια που κατοικούν σε όλο μας το σώμα και κυρίως στα έντερά μας και είναι πολύ περισσότερα από τα κύτταρά μας.  Το μικροβίωμά μας δηλαδή, το οποίο συνολικά διαθέτει πολλαπλάσια γονίδια από τα δικά μας πολλά από τα οποία τα «καλά» βακτήρια μας διαθέτουν για να ολοκληρώσουμε τον μεταβολισμό μας, διασπώντας ουσίες που δεν μπορούμε να διασπάσουμε με τα δικά μας, έναντι ενός φιλόξενου περιβάλλοντος που τους παρέχουμε εμείς για την επιβίωσή τους.  Φυσικά και το μικροβίωμά μας αλληλοεπιδρά με τους άλλους κώδικες που αναφέραμε και ενοχοποιείται και για κάποιες ασθένειες όπως π.χ. η κατάθλιψη.

Η επανάσταση συνεχίζεται

H ανακάλυψη των μοριακών χημικών κωδίκων που με βάση το DNA προσδιορίζουν την λειτουργία της ζωής βρίσκεται φυσικά ακόμα σε εξέλιξη. Μετά την ανακάλυψη του DNA, εντατικοποιήθηκε η έρευνα για τον περαιτέρω προσδιορισμό και γνώση της λειτουργίας των γονιδίων του ανθρώπου και για τον ρόλο τους στην ζωή και την ασθένεια. Αντίστοιχα η έρευνα στράφηκε στον προσδιορισμό όλων των πρωτεϊνών των ανθρώπινων κυττάρων και των λειτουργιών τους, αλλά και των πρωτεϊνών των άλλων οργανισμών. Όσο περισσότερα μαθαίναμε, τόσο πιο πολύ συνειδητοποιούσαμε πόσο κοινό είναι το υπόβαθρο της ζωής στην γη.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι μπορούν να απομονώσουν ένα γονίδιο από έναν οργανισμό να το αντιγράψουν (κλωνοποιήσουν) και να το εισάγουν σε έναν άλλο οργανισμό του ίδιου ή άλλου είδους και αυτό να λειτουργεί. Εισάγουν γονίδια από έναν οργανισμό σε έναν άλλον για να διορθώσουν ασθένειες που προέρχονται από βλαπτικές μεταλλάξεις αλλά και γονίδια από ένα είδος σε ένα άλλο για να του προσδώσουν καινούργιες ιδιότητες. Παραδείγματος χάρι το γονίδιο της πράσινης φθορίζουσας πρωτεΐνης που έχουν κάποιες μέδουσες και φέγγουν στο υπεριώδες φως μπορεί να επικολληθεί στο γονιδίωμα μίας γάτας, ενός ποντικού ενός βάτραχου, ενός φυτού ή άλλου οργανισμού και να λάμπουν πράσινοι και αυτοί στην υπεριώδη ακτινοβολία. Περίπου το 90% των τμημάτων που έχουν ταυτοποιηθεί σε ανθρώπινες πρωτεΐνες υπάρχουν επίσης σε πρωτεΐνες της φρουτόμυγας και των σκουληκιών. Στην πραγματικότητα, λοιπόν, μια πρωτεΐνη μοναδική για τον άνθρωπο δεν είναι τίποτε άλλο από την ανακατασκευασμένη έκδοση μιας πρωτεΐνης που βρίσκεται και στη φρουτόμυγα και διαμορφώθηκε κατά την μακρά πορεία της εξέλιξης.

Αυτή η δυνατότητα κοπής, αντιγραφής και επικόλλησης (cut, copy and paste) της γλώσσας του DNA επέτρεψε στον άνθρωπο να αρχίσει να επεμβαίνει στα χαρακτηριστικά της ζωής για να αντιμετωπίσει τις ασθένειες. Η βιομηχανία της βιοτεχνολογίας αναδύθηκε από αυτή την γνώση φέρνοντας λύσεις για πολλές ασθένειες θέτοντας και δύσκολα καινούργια ηθικά διλήμματα.  Για παράδειγμα, ο ρόλος της πρωτεΐνης (ορμόνης) ινσουλίνης στην ασθένεια του διαβήτη ανακαλύφθηκε το 1921. Η ασθένεια αντιμετωπίστηκε μέχρι το 1980 με ινσουλίνη από χοίρους λόγω της μικρής της διαφοράς από την αντίστοιχη ανθρώπινη. Με την έλευση της βιοτεχνολογίας οι επιστήμονες απομόνωσαν το ανθρώπινο γονίδιο της ινσουλίνης, το εισήγαγαν σε βακτήρια και από τότε οι διαβητικοί χρησιμοποιούν ανθρώπινη ινσουλίνη η οποία παράγεται αποκλειστικά από βακτήρια, μειώνοντας σημαντικά το κόστος αλλά και εξαλείφοντας όποιες παρενέργειες προκαλούσε λόγω μικροδιαφορών η ινσουλίνη από χοίρους. Το ίδιο συνέβη και με πολλές άλλες σημαντικές ανθρώπινες πρωτεΐνες.

Το 1988 το Χάρβαρντ εισάγοντας με καθιερωμένες τεχνικές ένα τροποποιημένο γονίδιο του καρκίνου σε γονιμοποιημένο ωάριο ποντικού δημιούργησε το περίφημο “ογκοποντίκι” του Χάρβαρντ ή “ποντίκι της Dupont” γιατί η Dupont χρηματοδότησε την έρευνα. Σκοπός ήταν η μελέτη του καρκίνου. Η Dupont εξασφάλισε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας όχι μόνο για το συγκεκριμένο ποντίκι άλλα και για όλα τα επιρρεπή στο καρκίνο διαγονικά ζώα (ζώα που φιλοξενούν ξένο γονιδίωμα) που θα μπορούσε να δημιουργήσουν πανεπιστήμια και άλλοι φορείς για ερευνητικούς σκοπούς εξασφαλίζοντας υψηλά κέρδη, αλλά πηγαίνοντας την έρευνα για τον καρκίνο πολύ πίσω.

Πολλά τέτοια ερωτηματικά και προβλήματα δημιουργήθηκαν στο κυνήγι για τον χρυσό που υποσχόταν η βιοτεχνολογία. Πότε δικαιούται ένας τροποποιημένος οργανισμός ή ο εντοπισμός ενός καινούργιου γονιδίου να κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας; Πως μπορούμε να προστατευθούμε από πιθανή διασπορά βλαβερών τροποποιημένων γονιδίων; Δεν υπάρχουν ακόμα ικανοποιητικές απαντήσεις.

Τα πειράματα αυτά και οι τεχνικές επεκτάθηκαν και στη γεωργία με την ανάπτυξη γενετικά τροποποιημένων καλλιεργειών που επέτρεψαν ραγδαίες αυξήσεις στη παραγωγή των βασικών παγκοσμίως διατροφικών καλλιεργειών σιτάρι, καλαμπόκι και ρύζι, βελτίωσαν την ανθεκτικότητά τους στα παράσιτα και τα βλαβερά έντομα, μείωσαν την ανάγκη για βλαβερά για το περιβάλλον λιπάσματα, αλλά δημιούργησαν ένα σωρό προβληματισμούς ως προς την πιθανότητα να αποτελούν απειλή για την υγεία μας και ως προς την ηθική ορθότητα των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας που τα συνόδευαν, όπως είδαμε πιο πάνω και με το “ποντίκι της Dupont”.

Η έρευνα διευρύνθηκε. Βακτήρια χρησιμοποιούνται σήμερα και για την εξόρυξη πολύτιμων μετάλλων από μεταλλεύματα. Περίπου το ένα τέταρτο της παγκόσμιας παραγωγής χαλκού σήμερα παράγεται από τροποποιημένα βακτήρια Thiobacillus ferrooxidans.  Το 1972, ο Ananda Chakrabarty, ερευνητής της General Electric συνθέτοντας τα γονίδια διαφόρων βακτηρίων Pseudomonas, καθένα από τα οποία διασπούσε διαφορετικό συστατικό του πετρελαίου, έφτιαξε ένα σουπερβακτήριο που λειτουργούσε ως υπέρ-αποικοδομητής πετρελαιοκηλίδας.

Μετά από μία τεράστια προσπάθεια πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων για την χαρτογράφηση ολόκληρου του ανθρώπινου DNA, την αλληλούχηση δηλαδή όλων των βάσεων (G A C T) που συνθέτουν το σύνολο του ανθρώπινου γονιδιώματος, προσδιορίστηκε ότι  το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από μία αλληλουχία περίπου 3,2 δισεκατομμυρίων βάσεων και εμπεριέχει περίπου 21.000 γονίδια. Ο Πρόεδρος Κλίντον ανακοίνωσε πανηγυρικά το 2000: «Σήμερα μαθαίνουμε την γλώσσα στην οποία ο Θεός δημιούργησε την ζωή».

Παρά την σπουδαιότητά της, η μεγάλη αυτή επιτυχία είχε και μια ταπεινωτική πτυχή. Συνειδητοποιήσαμε ότι ξέρουμε αξιοσημείωτα λίγα για το τι κάνει η τεράστια πλειονότητα των ανθρώπινων γονιδίων. Η ακολουθία του γονιδιώματος παρέχει έναν λεπτομερή κατάλογο μερών για την συναρμολόγηση του οργανισμού, αλλά δεν αποκαλύπτει πραγματικά πώς να το κατασκευάσει κανείς ή πώς λειτουργεί. Για αυτό χρειάζονται και τα νέα μεταγονιδιωματικά πεδία που αναφέραμε πιο πάνω της πρωτεομικής, της μεταγραφομικής και της επιγενετικής «για να δούμε το Life, την ταινία» όπως λέει και ο συγγραφέας του βιβλίου.

Παρόλα όσα μένουν ακόμα να μάθουμε, οι εξελίξεις σε όλα τα μέτωπα της Μοριακής Βιολογίας είναι πιο ραγδαίες από αυτές της πληροφορικής. Το 2007 η αλληλούχηση του γονιδιώματος του ίδιου του Watson πήρε αρκετό χρόνο και κόστισε ένα εκατομμύριο δολάρια. Σήμερα, περίπου 10 χρόνια αργότερα, έχουν ανακοινωθεί φορητές συσκευές στο μέγεθος κινητού τηλεφώνου που έχουν την δυνατότητα να αλληλουχήσουν το ανθρώπινο γονιδίωμα με 100 δολάρια. Αυτές οι εξελίξεις έβαλαν την Μοριακή Βιολογία στην εποχή των Μεγάλων Δεδομένων (Big Data). Ήδη έχουν αλληλουχηθεί τα γονιδιώματα πολλών οργανισμών και γίνονται συσχετίσεις με το ανθρώπινο γονιδίωμα. Χτίζονται πλέον μεγάλες βάσεις δεδομένων με ανθρώπινα γονιδιώματα και αντίστοιχα χαρακτηριστικά. Από την συσχέτιση κάποιων χιλιάδων ανθρώπινων γονιδιωμάτων και των αντίστοιχων χαρακτηριστικών τους με τις νέες τεχνολογίες της πληροφορικής μπορείτε σήμερα, μέσα από μια απλή ανάλυση αίματος να δείτε την φωτογραφία του προσώπου σας και άλλων πολλών χαρακτηριστικών σας. Σκεφθείτε τι στοιχεία θα μπορεί να εξορύξει η επιστήμη από βάσεις δεδομένων πολλών εκατομμυρίων γονιδιωμάτων σε λίγα χρόνια.

Ήδη ο Watson, 90 χρονών σήμερα ελπίζει ότι θα προλάβει την τιθάσευση του καρκίνου ενώ όλο και περισσότερες επιστημονικές ανακοινώσεις μιλάνε για την μετατροπή του καρκίνου σε μία χρόνια ασθένεια όπως πολλές άλλες εντός της επόμενης δεκαετίας. Και ενώ, όπως είδαμε μένουν ακόμα πολλά να μάθουμε, η επιστήμη διευρύνει την έρευνα σε αχαρτογράφητες περιοχές υποκαθιστώντας και επιταχύνοντας την εξέλιξη με τον σχεδιασμό και δοκιμή καινούργιων πρωτεϊνών και γονιδίων ακόμα και με την τροποποίηση του ίδιου του αλφαβήτου του DNA με την προσθήκη καινούργιων γραμμάτων στα τέσσερα που υπάρχουν.

Και στο τέλος της διαδρομής; Δύσκολα μπορεί κανείς να αγνοήσει την ρήση του Ισαάκ Ασίμοφ  «Η πιο θλιβερή ιστορία της ζωής σήμερα είναι πως η επιστήμη συγκεντρώνει γνώση ταχύτερα απ’ ότι η κοινωνία συγκεντρώνει σοφία»1.

Σπαρμένη με όμορφες ανθρώπινες ιστορίες και Νόμπελ και γραμμένη ίσως από τον πιο κατάλληλο άνθρωπο, ο οποίος συμμετείχε στην εκκίνησή της και σε όλη την εξέλιξή της μέχρι σήμερα που είναι 90 χρονών, η Ιστορία της Γενετικής Επανάστασης αποτελεί ένα εξαιρετικό ανάγνωσμα. Μοναδική σημαντική αδυναμία, η έλλειψη ευρετηρίου στο τέλος του βιβλίου.

Ο J. Watson είναι μία αμφιλεγόμενη προσωπικότητα. Το 2008 Αναγκάστηκε να παραιτηθεί από την πρυτανική του θέση στο Cold Springs Harbor Laboratory και να ζητήσει δημοσίως συγγνώμη για δηλώσεις του ότι οι μαύροι έχουν χαμηλότερη ευφυΐα. To 2014 για οικονομικούς λόγους έβγαλε το Νόμπελ του στο σφυρί, το οποίο αγόρασε σε πλειστηριασμό Ουζμπεκιστανός μεγιστάνας έναντι 4,1 εκατομμυρίων δολαρίων μόνο και μόνο για να του το επιστρέψει γιατί θεωρούσε απαράδεκτο για έναν επιστήμονα τους κύρους του να αναγκάζεται να πουλήσει το βραβείο του.

Δυστυχώς πριν λίγες μέρες ο Watson ξαναχτύπησε επιβεβαιώνοντας σε ένα ντοκιμαντέρ για την ζωή του τις απόψεις του για το ότι οι μαύροι είναι γενετικά λιγότερο ευφυείς από τους λευκούς, οπότε το Cold Springs Harbor Laboratory του αφαίρεσε όλους τους τίτλους τιμής που του είχε απονείμει. Προφανώς όμως δεν συμφωνούν όλοι με αυτή την κριτική.

 

ΙNFO: 

 

James D. Watson.  DNA Η Ιστορία της Γενετικής Επανάστασης.  Εκδόσεις Πεδίο 2018

 

 

Σημειώσεις:

 

  1. Ότι δεν ήταν «χημικά» ορθό η ραχοκοκαλιά των δύο ελίκων να βρίσκεται στο κέντρο του μορίου όπου την είχαν αρχικά οι Watson και Crick, αλλά στο εξωτερικό.
  2. Max Tegmark: LIFE 0 Τι θα σημαίνει να είσαι άνθρωπος στην εποχή της τεχνητής νοημοσύνης; Σελ.475. Max Tegmark, Εκδόσεις Τραυλός 2018.

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here