Ο Σερραίος που φέρνει επανάσταση στις γενετικές θεραπείες
Date:
Επανάσταση στη δημιουργία νέων γενετικών θεραπειών αναμένεται να φέρουν τα αποτελέσματα της μεγάλης μελέτης έλληνα καθηγητή στο Εθνικό Εργαστήριο του Μπέρκλεΐ (LBNL) στην Καλιφόρνια. Ο Σερραίος Νίκος Κυρπίδης που «έσπασε» τον γενετικό κώδικα 1.003 βακτηρίων και αρχαιοβακτηρίων, γνωστών και ως «αρχαίων», μιλάει στο Protagon για την ανακάλυψή του, τα οφέλη που θα φέρει στην ανθρωπότητα αλλά και τις δυσκολίες που συνάντησε στην έρευνά του για τη συμπλήρωση της «Γονιδιωματικής Εγκυκλοπαίδειας Βακτηρίων και Αρχαίων».
Οι μικροοργανισμοί, δηλαδή τα μικρόβια και τα βακτήρια, είναι η πιο πολυπληθής μορφή ζωής στον πλανήτη. Ζουν μέσα μας, αλλά και στο δέρμα μας, σε όλα τα ζώα, τα φυτά, το νερό, ακόμη και τους πάγους. Το ανθρώπινο σώμα φιλοξενεί περισσότερους από 100 τρισεκατομμύρια μικροοργανισμούς. Αυτό ισοδυναμεί με 1.012 μικροβιακά κύτταρα για κάθε γραμμάριο εντερικού περιεχομένου. Είναι χαρακτηριστικό ότι το 60% του βάρους των περιττωμάτων μας είναι βακτήρια και συνολικά στο συγκεκριμένο όργανο κατοικούν μικροοργανισμοί που ζυγίζουν συνολικά περίπου 1 ολόκληρο κιλό.
Καθ’ όλη τη διάρκεια της ζωής μας ερχόμαστε συνεχώς σε επαφή με αυτούς τους μικροσκοπικούς οργανισμούς. Ουσιαστικά έχουμε εξελιχθεί μαθαίνοντας να ζούμε μαζί τους. Το ανοσοποιητικό μας σύστημα είναι έτσι δομημένο ώστε να μας προστατεύει από εξωτερικές απειλές, όπως μολύνσεις από διάφορους παθογόνους μικροοργανισμούς, και από εσωτερικές απειλές, όπως ο καρκίνος. Οι μικροσκοπικοί μας συγκάτοικοι μπορούν πολύ εύκολα να μετατραπούν σε ρυθμιστές της γενικής κατάστασης της υγείας μας επηρεάζοντας την εξέλιξη ενός μεγάλου φάσματος χρόνιων δυσλειτουργιών, όπως είναι οι αυτοάνοσες παθήσεις και άλλα πολλά.
Τα μικρόβια και τα βακτήρια που μπήκαν στο μικροσκόπιο του καθηγητή Κυρπίδη δεν ρυθμίζουν απλώς την υγεία του ανθρώπου. Διαδραματίζουν και πολύ σημαντικό ρόλο στην υγεία και λειτουργία ολόκληρου του πλανήτη. Τα μικρόβια που αναλύθηκαν προέρχονταν από κάθε γωνιά της Γης, από νερό, χώμα, φυτά, ακόμη και τα έντερα αγελάδων και τερμιτών.
«Προσπαθήσαμε να βγάλουμε γενικότερα συμπεράσματα για όλους τους μικροοργανισμούς και να κατανοήσουμε τους γενετικούς και εξελικτικούς μηχανισμούς τους και την έκταση των βιοχημικών διεργασιών μέσα από τις οποίες ρυθμίζουν τη ζωή στον πλανήτη μέσα από ένα πολύ μικρό, αλλά χαρακτηριστικό δείγμα», λέει ο κ. Κυρπίδης στο Protagon.
Στο πλαίσιο της έρευνας που δημοσιεύτηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Nature ο Νίκος Κυρπίδης και η ομάδα του, μελέτησαν όλες τις βάσεις γενετικών μικροβιακών δεδομένων ανά τον κόσμο και ανακάλυψαν πάνω από 125.000 πλήρη ή αποσπασματικά γονιδιώματα ιών, που περιέχουν συνολικά 2,79 εκατομμύρια πρωτεΐνες. Σε δεύτερη φάση από αυτές τις αναλύσεις θα καταφέρουν να απαντήσουν σε πολλές άγνωστες πτυχές της ανθρώπινης υγείας και όχι μόνο. Αργότερα, είναι πολύ πιθανό να αναπτυχθούν και νέες θεραπείες για ανίατες μέχρι σήμερα ασθένειες.
Όμως, μας λέει ο ίδιος, η ευρύτερη πρωτοβουλία ξεκίνησε πριν από 10 χρόνια. Ενώ τα μικρόβια ήταν γνωστό ότι είναι σημαντικοί ρυθμιστές της υγείας και του περιβάλλοντος, δεν είχαν αναλυθεί γενετικά, όπως έχει γίνει για παράδειγμα με αρκετά ζώα ή φυτά, αν και υπήρχε η τεχνολογία της ανάλυσης DNA που μπορούσε το κάνει. «Στην πραγματικότητα συνειδητοποιήσαμε ότι η συντριπτική πλειοψηφία των αλληλουχημένων στελεχών προερχόταν από ένα πολύ περιορισμένο αριθμό φυλογενετικών ομάδων, αγνοώντας έτσι την πολύ μεγαλύτερη γνωστή μικροβιακή ποικιλομορφία, παρά το ότι είχαν ήδη παρέλθει 20 και πλέον χρόνια Γονιδιωματικής, δηλαδή της επιστήμης που μελετά το σύνολο των γονιδίων ενός οργανισμού».
Μέσα από την έρευνα οι ειδικοί προσπάθησαν να διεξάγουν γενικότερα συμπεράσματα για όλους τους μικροοργανισμούς και να κατανοήσουν «τους γενετικούς, και εξελικτικούς μηχανισμούς τους και την έκταση των βιοχημικών διεργασιών μέσα από τις οποίες ρυθμίζουν τη ζωή στον πλανήτη», συμπληρώνει ο έλληνας καθηγητής.
Η πρώτη φάση του προγράμματος ανάλυσης του DNA των μικροοργανισμών ξεκίνησε πριν από περίπου δώδεκα χρόνια. «Σε πρώτη φάση το 2009 δημοσιεύσαμε στο Nature την ανάλυση των πρώτων 56 γονιδιωμάτων με την οποία και επιβεβαιώναμε την αρχική μας υπόθεση. Η αποκωδικοποίηση και ανάλυση των 56 αυτών μικροοργανισμών μας πήρε τότε περισσότερο από τέσσερα χρόνια».
Εκτός από την αξία των επιστημονικών παρατηρήσεων, αυτή η σχετικά μικρού μεγέθους μελέτη ήταν εξαιρετικά σημαντική για τους ειδικούς, καθώς απέδειξε ότι η λειτουργική ποικιλομορφία των μικροοργανισμών είναι τόσο τεράστια, που με την τεχνολογία που υπήρχε τότε θα έπαιρνε εκατοντάδες χρόνια για να αναλυθούν με τον ίδιο τρόπο τουλάχιστον τα μισά από τα έως τότε χαρακτηρισμένα μικροβιακά είδη (δηλαδή απομονωμένα στελέχη με επίσημη ονομασία).
«Προκειμένου λοιπόν να ωθήσουμε τα όρια του τεχνικά εφικτού και να διερευνήσουμε αν μπορούμε να αποκωδικοποιήσουμε ένα σημαντικό ποσοστό της βιοποικιλότητας των μικροοργανισμών μέσα σε όσο το δυνατόν συντομότερο χρονικό διάστημα, σχεδιάσαμε το συγκεκριμένο ερευνητικό πρόγραμμα αλληλούχισης 1.000 μικροοργανισμών, ακολουθώντας τις πρακτικές επιλογής στόχων που αναπτύξαμε στο πιλοτικό πρόγραμμα. Επιλέξαμε την αλληλούχιση με στόχο την όσο δυνατόν μεγαλύτερη κάλυψη της μικροβιακής βιοποικιλότητας στο δένδρο της ζωής».
Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην προσπάθειά αυτή, ήταν η ανάπτυξη των κυτταρικών καλλιεργειών για τον τόσο μεγάλο αριθμό στελεχών. Οι συνεργασίες ήταν απαραίτητες και συμμετείχαν δύο από τα μεγαλύτερα κέντρα συλλογής καλλιεργειών στις ΗΠΑ (ATCC) και στην Γερμανία (DSMZ). Οι καλλιέργειες των 1.000 μικροοργανισμών και η αλληλούχησή τους διήρκεσε περίπου δύο χρόνια. Στη συνέχεια ξεκίνησε η ανάλυση των αποτελεσμάτων, η οποία κράτησε ακόμη δύο χρόνια.
Τα αποτελέσματα
Οι πιο σημαντικές παρατηρήσεις ήρθαν να συμπληρώσουν τις αρχικές ενδείξεις που είχαν οι ειδικοί από το πιλοτικό πρόγραμμα των 56 βακτηρίων. Το πρώτο που συνέβη ήταν ότι επιβεβαίωσαν την παρουσία εξαιρετικά μεγάλης λειτουργικής ποικιλομορφίας (με άλλα λόγια την ύπαρξη σημαντικού αριθμού νέων γονιδίων και ενζύμων).
Μέχρι σήμερα έχουν ήδη αλληλουχηθεί παγκοσμίως περισσότερα από 80.000 στελέχη προκαρυωτικών οργανισμών. Παρόλα αυτά με τα 1.000 νέα γονιδιώματα που προστέθηκαν στη συλλογή αυτή, «καταφέραμε και διπλασιάσαμε το μέγεθος της βιοποικιλότητας των μικροοργανισμών που βρίσκονται σε καλλιέργεια, και έχουν το γονιδίωμά τους αποκωδικοποιημένο. Χάρη σε αυτό, αναγνωρίσαμε για πρώτη φορά ομάδες βακτηρίων που είναι εξαιρετικά πλούσιες σε βιοσυνθετικά μονοπάτια υπεύθυνα για την παραγωγή νέων φυσικών προϊόντων όπως π.χ. νέων αντιβιοτικών ή άλλων σημαντικών ουσιών με φαρμακολογικές ή βιολογικές ιδιότητες», εξηγεί ο κ. Κυρπίδης.
Πιο λεπτομερής μελέτη και ανάλυση των γονιδιωμάτων αυτών αναμένεται να οδηγήσει στην ανακάλυψη νέων πρωτεϊνών και ενζύμων που θα χρησιμεύσουν σε διάφορους σκοπούς, από την ανάπτυξη νέων θεραπειών για χρόνιες παθήσεις έως την αποτελεσματική παραγωγή φυσικού αερίου από βιομάζα. «Είμαι βέβαιος ότι τα μεγαλύτερα οφέλη των αποτελεσμάτων μας θα έρθουν από απρόσμενες εφαρμογές ή χρήσεις που θα μας ξαφνιάσουν».
Κάποια από τα γονιδιώματα αυτά μάλιστα έχουν ήδη αποδειχθεί χρήσιμα με απρόσμενα τρόπους. Μία πρόσφατη μελέτη αποκάλυψε μερικές βασικές διαφορές μεταξύ των μικροβίων του εντέρου ανθρώπων του σύγχρονου δυτικού κόσμου και ανθρώπων μιας φυλής κυνηγών από το Περού. Ειδικά ένα μικρόβιο, υπήρχε σε μεγάλους αριθμούς στους κυνηγούς του Περού αλλά ήταν σχεδόν ανύπαρκτο σε ανθρώπους από τις ΗΠΑ. Οι ερευνητές τελικά κατάφεραν να αναγνωρίσουν το γονιδίωμα του μυστηριώδους μικροβίου με βάση τον πλησιέστερο συγγενή του, που ήταν στην συλλογή των 1.000 γονιδιωμάτων από τη συγκεκριμένη μελέτη.
Ο στόχος της Εγκυκλοπαίδειας είναι η αποκωδικοποίηση ενός τουλάχιστον στελέχους όλων των μικροβιακών ειδών που βρίσκονται σε καλλιέργεια. Σήμερα αυτός ο αριθμός υπολογίζεται σε περίπου 15.000 είδη, αλλά αυξάνεται κάθε χρόνο με περίπου 500 νέα είδη. Ο συνολικός αριθμός των βακτηριακών ειδών που γνωρίζουμε σήμερα βέβαια είναι κατά πολύ μεγαλύτερος, αλλά η συντριπτική πλειοψηφία αυτών δεν έχει ακόμα απομονωθεί σε καλλιέργεια.
Οι εφαρμογές στην καθημερινή ιατρική πράξη
Η ανακάλυψη νέας γενιάς αντιβιοτικών ή ουσιών με σημαντικά οφέλη στην ανθρώπινη ή στην περιβαλλοντική υγεία είναι σίγουρα η κινητήρια δύναμη πίσω από την μελέτη και προσπάθεια κατανόησης των μικροοργανισμών. Για παράδειγμα η σχετικά πρόσφατη ανακάλυψη ενός γονιδίου υπεύθυνου για την άμυνα των βακτηρίων απέναντι σε ιούς, έχει φέρει επανάσταση στην γενετική μηχανική, και αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες ελπίδες για την γενετική/γονιδιακή θεραπεία ασθενειών.
Who is Who
O Νίκος Κυρπίδης γεννήθηκε στις Σέρρες το 1963. Σπούδασε Βιολογία στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (1983-1988) και έλαβε το Διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο Κρήτης το 1996. Ολοκλήρωσε τις σπουδές του με μεταδιδακτωρικές υποτροφίες στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις (UIUC, 1996-1998) και στο Εθνικό Εργαστήριο του Argonne (ANL, 1998-1999). Ακολούθως, εργάστηκε στην εταιρεία βιοτεχνολογίας Integrated Genomics Inc. στο Σικάγο του Ιλινόις, όπου αρχικά ανέλαβε την διεύθυνση επιστημονικής ομάδας στην Γενομική και στην συνέχεια ολόκληρου του τομέα της Βιοπληροφορικής (1999-2004). Από το 2004 έως σήμερα εργάζεται ως επικεφαλής του προγράμματος Προκαρυωτικής Βιολογίας, στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Joint Genome Institute (JGI) που ανήκει στο Εθνικό Εργαστήριο του Μπέρκλεΐ (LBNL) στην Καλιφόρνια. Έχει διατελέσει επισκέπτης καθηγητής στο Βασιλικό Κολέγιο του Λονδίνου (King’s College London) (2007-2010) και διακεκριμένος επισκέπτης καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Βασιλιά Abdulaziz (KAU) στη Σαουδική Αραβία (2014-2016).
Η έρευνά του εστιάζεται στους τομείς της Βιοπληροφορικής, Γενομικής, και Επιστήμης Δεδομένων με έμφαση στους μικροοργανισμούς. Έχει συγγράψει περισσότερες από 530 εργασίες σε έγκριτα διεθνή περιοδικά, με περισσότερες από 32,000 αναφορές και είναι στην λίστα των επιστημόνων με την μεγαλύτερη επιρροή παγκοσμίως τα τρία τελευταία χρόνια (2014-2016) σύμφωνα με το Thomson Reuters. Έχει τιμηθεί με αρκετά διεθνή βραβεία, όπως το van Niel International Prize για μελέτες στη Συστηματική Μικροοργανισμών (2014), το βραβείο επιστημονικής Αριστείας από το Εμπειρίκειο Ιδρυμα (2012), και το Outstanding Performance Award από το Εθνικό Εργαστήριο του Μπέρκλεΐ (2007). Από το 2014 είναι εκλεγμένος εταίρος (Fellow) της Αμερικανικής Ακαδημίας Μικροβιολογίας, ενώ φέτος αναγορεύτηκε επίτιμος διδάκτορας στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Είναι μέλος της συντακτικής επιτροπής πολλών έγκριτων διεθνών περιοδικών, καθώς και συμβουλευτικών επιτροπών διαφόρων οργανισμών και επιστημονικών έργων. Είναι ο ιδρυτής της επιστημονικής εταιρείας Μικροβιόκοσμος, στην οποία έχει διατελέσει και πρόεδρος (2006-2010). protagon.gr
