Πρόκειται για ένα μεγάλο όνειρο που για να πραγματοποιηθεί θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν τα μικρότερα «εργαλεία» της φύσης: οι μικροοργανισμοί. Σε αυτούς στηρίζεται η νέα και πολύ φιλόδοξη ερευνητική πρωτοβουλία που ανακοινώθηκε τον περασμένο Απρίλιο από τη Νομπελίστρια Χημείας (2020) Jennifer Doudna και την καθηγήτρια περιβαλλοντικής επιστήμης στο πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνια, Jill Banfield. Αυτή η πρωτοβουλία με τον τίτλο «Engineering the Microbiome with CRISPR to Improve Our Climate and Health» (Μηχανική του μικροβιώματος με το CRISPR για να βελτιώσουμε το κλίμα και την υγεία μας), συνιστά το μεγαλύτερο επιστημονικό έργο που χρηματοδοτείται μέσω του “The Audacious Project”. Το Audacious Project είναι μια συνεργατική πρωτοβουλία μεταξύ του TED και μη κερδοσκοπικών οργανισμών για τη χρηματοδότηση φιλόδοξων ιδεών που θα δώσουν λύσεις στις πιο επείγουσες προκλήσεις του κόσμου.
Ερευνητές σε τρεις πανεπιστημιουπόλεις του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια (UC), στο Innovative Genomics Institute (IGI) του UC Berkeley, στο UC San Fransisco και στο UC Davis, θα εστιάσουν στη χρήση της επεξεργασίας γονιδιώματος ακριβείας σε μικροβιακές κοινότητες. Ένα μεγάλο μέρος της συνεργατικής αυτής πρωτοβουλίας θα επικεντρωθεί σε περιβαλλοντικές εφαρμογές, όπως είναι η μείωση των εκπομπών μεθανίου από τα ζώα. « Αυτό είναι ένα συναρπαστικό νέο σύνορο για το CRISPR», δήλωσε η Doudna σε σχετικό δελτίο τύπου.
Η Jill Banfield (αριστερά) και η Jennifer Doudna (δεξιά) στο Innovative Genomics Institute (IGI) στο πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνια (Photo: Keegan Houser, UC Berkeley)
Οι δύο ηγέτιδες του έργου έχουν μια μοναδική σχέση. Η Doudna έγινε περισσότερο γνωστή για την πρωτοποριακή της δουλειά στην ανάπτυξη ενός από τα πιο κοφτερά εργαλεία της γενετικής τεχνολογίας, του γενετικού ψαλιδιού, γνωστού ως CRISPR/Cas9, το οποίο της χάρισε το Νόμπελ Χημείας το 2020. Με αυτό οι ερευνητές μπορούν να αλλάζουν το DNA ζώων, φυτών και μικροοργανισμών με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Η Banfield μελετά εδώ και δεκαετίες τις μικροβιακές κοινότητες και ήταν αυτή που μίλησε για πρώτη φορά στην Doudna για τη χρήση της μεθόδου CRISPR σε βακτήρια in situ (στα φυσικά περιβάλλοντα τους), σε μια τυχαία συνάντησή τους σε ένα καφέ στο πανεπιστήμιο Berkeley το 2006.
Τώρα και οι δυο μαζί διερωτώνται ποιες είναι οι πραγματικές δυνατότητες της μεθόδου για τη βιωσιμότητα του πλανήτη και ενώνουν την επιστημονική γνώση και εργαστηριακή τους εμπειρία για να αναπτύξουν μια νέα εργαλειοθήκη για την αντιμετώπιση παγκόσμιων προβλημάτων που αφορούν στο κλίμα και την ανθρώπινη υγεία εφαρμόζοντας την επεξεργασία του γονιδιώματος με το σύστημα CRISPR σε πολύπλοκες μικροβιακές κοινότητες γνωστές ως «μικροβιώματα».
Υπερμεγέθης επίδραση από μικροσκοπικούς οργανισμούς
Αν και αόρατοι με γυμνό μάτι, οι μικροοργανισμοί (βακτήρια, μύκητες, ιοί και άλλοι μικροσκοπικοί οργανισμοί) βρίσκονται παντού. «Αντιπροσωπεύουν με συντριπτικά νούμερα την ποικιλότητα της ζωής και διαμορφώνουν τον κόσμο με σημαντικούς αλλά συχνά “αόρατους” τρόπους. Ενώ οι επιστήμονες έχουν ιστορικά μελετήσει τους μικροοργανισμούς μεμονωμένα, αυτοί συνήθως ζουν σε πολύπλοκες κοινότητες ή μικροβιώτες, στο περιβάλλον γύρω μας και φυσικά στο σώμα μας. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν περισσότερα κύτταρα μικροοργανισμών στο σώμα μας από τα ανθρώπινα κύτταρα και βασιζόμαστε σε αυτά για μια ποικιλία λειτουργιών. Αλλά όταν οι μικροβιώτες είναι εκτός ισορροπίας μπορούν επίσης να δημιουργήσουν προβλήματα», σχολιάζει ο Επίκουρος Καθηγητής Μοριακής Μικροβιακής Οικολογίας και Γονιδιωματικής Σωτήρης Βασιλειάδης, ερευνητής στο Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας Φυτών & Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, στη Λάρισα.
Archive of Josef Reischig donated by the authorship heirs under CC BY SA 3.0 license as a part of Wikimedia Czech Republic's GLAM initiative
Γενικά παρατηρείται μια αυξανόμενη κατανόηση στην ιατρική κοινότητα για τους μικροβιώτες στο έντερο, στους αεραγωγούς και στο δέρμα που μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την υγεία μας προκαλώντας π.χ. άσθμα, αλλεργίες, παχυσαρκία, καρδιαγγειακές παθήσεις και νευρολογικές διαταραχές όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ. Αυτά τα ζητήματα υγείας επηρεάζουν εκατομμύρια ανθρώπους σε όλο τον κόσμο και σε πολλές περιπτώσεις επηρεάζουν δυσανάλογα τους έγχρωμους πληθυσμούς και τις κοινότητες χαμηλού εισοδήματος.
Οι μικροβιώτες αντιπροσωπεύουν επίσης μια σημαντική και σε μεγάλο βαθμό αδιευκρίνιστη πηγή παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Μικροοργανισμοί από ζώα, γεωργικά εδάφη και ΧΥΤΑ εκπέμπουν μεθάνιο και υποξείδιο του αζώτου. «Το υποξείδιο του αζώτου και το άζωτο είναι τα αέρια που προκύπτουν από μικροβιακές δραστηριότητες, με το υποξείδιο να είναι το προβληματικό αέριο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Τα άλλα οξείδια προκύπτουν από ανθρωπογενείς χημικές δραστηριότητες (βιομηχανία, αυτοκίνηση κτλ.», διευκρινίζει ο καθηγητής Βασιλειάδης.
Οι αγελάδες εκπέμπουν μεθάνιο
Τα φυσικά αέρια της αγελάδας συνήθως καταδεικνύονται ως κύρια πηγή μεθανίου. Στην πραγματικότητα, αυτά προέρχονται από μεθανογόνους μικροοργανισμούς (που παράγουν μεθάνιο) στα έντερα των ζώων. Η κτηνοτροφία αυτή καθαυτή ευθύνεται για σχεδόν το 15% όλων των ανθρωπογενών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, καθιστώντας τη ένα βασικό κομμάτι του παζλ της κλιματικής κρίσης.
Unsplash
Όπως και το πρόβλημα με τις αγελάδες, έτσι και οι εκπομπές μεθανίου από τους χώρους υγειονομικής ταφής, τις λιμνοθάλασσες και τους ορυζώνες προέρχονται επίσης από μικροοργανισμούς που παράγουν μεθάνιο. Πάνω από τις μισές εκπομπές μεθανίου που προκαλούνται από τον άνθρωπο είναι μικροβιακής προέλευσης και μοιράζονται ένα βασικό χαρακτηριστικό: δεν υπάρχουν επί του παρόντος τα εργαλεία για να αντιμετωπιστούν σε παγκόσμια κλίμακα και όσα είναι διαθέσιμα, δεν είναι ό,τι καλύτερο. Τα αντιβιοτικά εξαφανίζουν ολόκληρους πληθυσμούς επιβλαβών αλλά και ωφέλιμων βακτηρίων, τα προβιοτικά έχουν περιορισμένο αντίκτυπο και οι μεταμοσχεύσεις κοπράνων δίνουν υποσχέσεις σε συγκεκριμένους τομείς, αλλά προκαλούν ανησυχίες για την ασφάλεια και την αποδοχή τους.
Οι Doudna και Banfield θα προσπαθήσουν να μειώσουν την παραγωγή μεθανίου μέσα στο σώμα των ζώων μέσω της αναστολής των βακτηρίων που παράγουν μεθάνιο στα έντερα αυτών των μηρυκαστικών. Δεν είναι οι πρώτες ερευνήτριες που προσπαθούν να μειώσουν το μεθάνιο που παράγεται από τα βοοειδή. Νωρίτερα, άλλοι ερευνητές έχουν ταΐσει βοοειδή με αναστολείς μεθανίου ή με φύκια και έχουν αναπτύξει συσκευές για την παροχή βιοδραστικών ουσιών που θα μπορούσαν να αναστείλουν το μεθάνιο με την πάροδο του χρόνου μέσα στο στομάχι.
Ωστόσο, η πρόταση των Doudna και Banfield είναι διαφορετική στο ότι θα χρησιμοποιήσουν την τεχνική CRISPR–Cas για την «σίγαση» των μικροβίων που συνεισφέρουν στην παραγωγή μεθανίου μέσα στο στομάχι των νεαρών ζώων, έτσι ώστε να τα προκαλέσουν να παράγουν λιγότερο μεθάνιο.
CRISPR-Cas9/National Human Genome Research Institute (NHGRI) from Bethesda, MD, USA/Wikimedia commons
Αυτό βασίζεται σε μια προηγούμενη εργασία τους στο έδαφος, η οποία δημοσιεύτηκε στο Nature Microbiology, όπου χρησιμοποιώντας τις DART (DNA-editing all-in-one RNA-guided CRISPR–Cas transposase) και ET-seq, που είναι μέθοδοι για μικροβιακή γενετική μηχανική, επιτυγχάνεται η επεξεργασία γονιδίων με ακρίβεια μέσα σε πολύπλοκα μικροβιώματα, χωρίς την ανάγκη απομόνωσης του μικροβιακού είδους. Θεωρητικά, μια τέτοια πρώιμη θεραπεία που θα ήταν ενεργή στο έντερο των μηρυκαστικών θα οδηγούσε μόνιμα σε χαμηλή παραγωγή μεθανίου σε βοοειδή.
Ευρεία εφαρμογή στο περιβάλλον
Η ερευνητική ομάδα του Innovative Genomics Institute (IGI) στο UC Berkeley επιχειρεί τον ακριβή έλεγχο των μικροβιωμάτων με δύο μεθόδους τελευταίας τεχνολογίας που δουλεύτηκαν από αυτήν σημαντικά την τελευταία δεκαετία: την επεξεργασία γονιδιώματος με την τεχνολογία CRISPR και τη μεταγονιδιωματική ανάλυση (ανάλυση σε επίπεδο λειτουργίας και σύνθεσης αλληλουχιών DNA του συνόλου των γονιδιωμάτων δειγμάτων).
Περίπου 5-10% των μικροβιακών ειδών είναι σήμερα εφικτό να καλλιεργηθεί στο εργαστήριο, αλλά η μεταγονιδιωματική ανάλυση μειώνει δραματικά την ανάγκη απομόνωσης ειδών στο τρυβλίο παρέχοντας έναν συλλογικό χάρτη των οργανισμών σε ένα μικροβίωμα και τις λειτουργίες των γονιδίων τους.
Η Banfield και οι συνεργάτες τις χρησιμοποίησαν αυτές τις τεχνικές σε μια εργασία του 2016 που δημοσιεύτηκε στο Nature Microbiology για να αποκτήσουν μια σαφέστερη εικόνα του δέντρου της ζωής (μιας από τις πιο σημαντικές οργανωτικές αρχές στη Βιολογία), δείχνοντας πόσο μεγάλο μέρος του δέντρου κυριαρχείται από αόρατους μικροοργανισμούς.
«Το DNA είναι το εγχειρίδιο λειτουργίας ενός οργανισμού και το CRISPR είναι ένα εργαλείο που μπορεί να ξαναγράψει τα εγχειρίδια για να αλλάξει ριζικά τον τρόπο λειτουργίας των οργανισμών», λέει η Banfield σε σχετικό δελτίο τύπου. «Η μεταγονιδιωματική ανάλυση είναι ο τρόπος με τον οποίο μπορούμε να διαβάσουμε το εγχειρίδιο οποιουδήποτε οργανισμού και έχει φέρει στο φως δεκάδες χιλιάδες οργανισμούς που δεν γνωρίζαμε καν ότι υπήρχαν».
Οι γενετικά επεξεργασμένοι μικροοργανισμοί θα μπορούσαν να βρουν ευρεία εφαρμογή στο περιβάλλον. Ενδεικτικά και σύμφωνα με μια πρόσφατη δημοσίευση στην επιστημονική επιθεώρηση Nature, ένα επεξεργασμένο βακτηριακό στέλεχος θα μπορούσε να παράγει χημικές ουσίες βιώσιμα και σε κλίμακα, χωρίς την ανάγκη τοξικών διαλυτών ή αερίων. Αυτό θα μείωνε επίσης τις εκπομπές άνθρακα.
Πολλές startups στρέφονται τώρα και σε αυτόν τον τομέα. Τα Industrial Microbes είναι γενετικά τροποποιημένοι μικροοργανισμοί που λειτουργούν με φυσικό αέριο και όχι με σάκχαρα, γεγονός που μειώνει περαιτέρω το κόστος της κλιμάκωσης, καθώς το φυσικό αέριο είναι φθηνότερο υλικό εκκίνησης. Άλλες εφαρμογές σχετίζονται με τη βιοαποκατάσταση, όπως είναι η χρήση γενετικά τροποποιημένων μικροοργανισμών για την απομάκρυνση στοιχείων όπως το ουράνιο από τα υπόγεια ύδατα.
Οι μικροοργανισμοί θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στην ανάπτυξη των καλλιεργειών αντικαθιστώντας το συνθετικό άζωτο που χρησιμοποιείται ως λίπασμα και που ρυπαίνει τους υδάτινους πόρους. H Pivot Bio, για παράδειγμα, που είναι μια εταιρεία που τροφοδοτεί τους αγρότες με μικροοργανισμούς που παράγουν άζωτο, συγκέντρωσε το 2021 περίπου $ 430 εκατομμύρια για να δημιουργήσει βακτήρια του εδάφους που δεσμεύουν αποτελεσματικά το ατμοσφαιρικό άζωτο. Το 2022, το πιλοτικό της πρόγραμμα αντικατέστησε το συνθετικό άζωτο σε συνολικά 293.000 εκτάρια καλαμποκιού στις ΗΠΑ, αποφεύγοντας περισσότερους από 80.000 μετρικούς τόνους εκπομπών CO2, αλλά αυτό είναι μόνο το 20% περίπου του συνθετικού αζώτου που απαιτείται για την καλλιέργεια καλαμποκιού και η μέθοδος χρησιμοποιείται μόνο σε ένα μικρό μέρος της γης. Ωστόσο, το προϊόν είναι εύκολο στη χρήση και παρέχει την ίδια ή περισσότερη βιομάζα καλλιέργειας ενώ απορροφά 14% περισσότερο άζωτο από τα μικρόβια του εδάφους συγκριτικά με το καλαμπόκι παραδοσιακής καλλιέργειας, σύμφωνα με το δελτίο τύπου της εταιρείας.
Μικροοργανισμοί για βιοαποδόμηση
Η γενετική μηχανική μικροοργανισμών για την αντιμετώπιση συγκεκριμένων προκλήσεων δεν είναι πάντα εύκολη, επομένως οι ερευνητές ψάχνουν να εκμεταλλευτούν μικροοργανισμούς που διαθέτουν από τη φύση τους μοναδικές ικανότητες, όπως είναι αυτοί που μετατρέπουν τα απόβλητα τροφίμων σε ενέργεια ή διασπούν τα πλαστικά.
Η δυνατότητα χρήσης μικροοργανισμών για τη βιοαποδόμηση πλαστικών παρουσιάστηκε το 2016 στο επιστημονικό περιοδικό Science υποδεικνύοντας ένα βακτήριο που μπορεί να φάει ένα συγκεκριμένο είδος πλαστικού. Πρόσφατη εργασία υπέδειξε ένα μικρόβιο που μπορεί να διασπάσει το πλαστικό σε χαμηλές θερμοκρασίες (όταν νωρίτερα τέτοια μικρόβια λειτουργούσαν σε υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που αποτελούσε περιορισμό για χρήση σε μεγάλη κλίμακα).
Το κύριο τεχνικό ζήτημα με τη διάθεση οποιουδήποτε από αυτούς τους μικροοργανισμούς στον κόσμο είναι η επεκτασιμότητα. Για παράδειγμα, το προϊόν δέσμευσης αζώτου της Pivot Bio έχει εφαρμοστεί σε πάνω από 3 εκατομμύρια στρέμματα καλαμποκιού στις ΗΠΑ, σε μια συνολική έκταση 90 εκατομμυρίων στρεμμάτων μόνο στην Αμερική. Οι επιστήμονες έχουν βρει μικρόβια που μπορούν να υποβαθμίσουν το πλαστικό, αλλά δεν είναι δυνατό να τα αναπτύξουν επειδή λειτουργούν αργά, υποβαθμίζουν μόνο ένα μικρό υποσύνολο όλων των πλαστικών και τα πλαστικά αποδομούνται σε επιμέρους πολυμερή, κάτι που δεν είναι και το ιδανικότερο. Επιπλέον, το κόστος χρήσης αυτών των προϊόντων πρέπει να είναι αρκετά χαμηλό για να υιοθετηθούν από τις αναπτυσσόμενες χώρες.
Καθώς οι επιστήμονες μαθαίνουν για το πώς οι μικροοργανισμοί που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα ανταποκρίνονται σε ρύπους ή σε πλαστικά, καθίσταται δυνατή η αξιοποίησή τους και η ανάπτυξη μικροβιακών κοινοπραξιών σε κλίμακα. Μπορούν επίσης να προωθήσουν συνθετικά τη μικροβιακή εξέλιξη προς ένα συγκεκριμένο τελικό σημείο, όπως η βελτίωση της αποτελεσματικότητας στην αποικοδόμηση μιας συγκεκριμένης ένωσης ή η παραγωγή μιας συγκεκριμένης χημικής ουσίας.
«Ο μικροβιόκοσμος είναι τεράστιος και σχετικά ακόμη ανεξερεύνητος», εκτιμά η Banfield. «Αυτά τα εργαλεία θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε το γενετικό τοπίο των λειτουργικά δομικών (critical) μικροβίων και να εντοπίσουμε στόχους για μελλοντικές παρεμβάσεις».
Για να μεγιστοποιήσει τον αντίκτυπο σε όλο τον κόσμο, η ομάδα της συνεργατικής αυτής πρωτοβουλίας έχει δεσμευτεί να διαδώσει τις γνώσεις και τα «εργαλεία» της στην ευρύτερη ερευνητική κοινότητα και να συνεργαστεί με παγκόσμιους μη κερδοσκοπικούς οργανισμούς για να βοηθήσει στην κλιμάκωση αυτής της μετασχηματιστικής προσέγγισης.
