Αν συνομιλούσατε με έναν χημικό και σας έλεγε ότι μπορεί να κάνει ταυτόχρονα 42.000 χημικές αντιδράσεις σε έναν χώρο όσο το κεφάλι μιας καρφίτσας, τι θα του απαντούσατε αυθόρμητα; «Ασφαλώς θα αστειεύεσαι!».
Αυτό ακριβώς είπα και εγώ στον Έλληνα Καθηγητή στο Τμήμα Χημείας και Νανο-επιστήμης του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης και επισκέπτη καθηγητή στην Ιατρική σχολή του Χάρβαρντ, Νίκο Χατζάκη όταν μου το είπε. Μόνο που εκείνος δεν αστειευόταν. Πραγματικά το εννοούσε και μάλιστα το δημοσίευσε πρόσφατα στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature Chemistry.
Στον καθηγητή αρέσουν τα μαγειρέματα και τα… «μαγειρέματα». Όταν δεν μαγειρεύει σε πραγματικές κουζίνες με αληθινές κατσαρόλες, «μαγειρεύει» μέσα στο ερευνητικό του εργαστήριο, χρησιμοποιώντας νανο-δοχεία μέσα στα οποία δεν βλέπει το ανθρώπινο μάτι (φανταστείτε ότι το 1 νανόμετρο ισούται με το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου).
Για να εξηγήσει αυτή τη νέα τεχνολογία ο κ. Χατζάκης επικαλείται τη μαγειρική: «Φανταστείτε πως θέλετε να φτιάξετε μια νόστιμη σάλτσα για ζυμαρικά, η οποία απαιτεί 6 υλικά, όπως σκόρδο, κρεμμύδι, τομάτα, πιπέρι, αλάτι και βασιλικό. Οι επιλογές ανάμειξης των υλικών είναι πάρα πολλές. Μπορείτε να ξεκινήσετε με το σκόρδο, να βάλετε μετά τις ντομάτες, αλάτι, πιπέρι και τέλος τον βασιλικό. Εναλλακτικά, μπορείτε να δοκιμάσετε πρώτα κρεμμύδι, αλατοπίπερο, κατόπιν βασιλικό και στο τέλος ντομάτες και σκόρδο. Κάθε συνδυασμός όμως θα δώσει διαφορετικό αποτέλεσμα π.χ. αν βάλετε πρώτα τον βασιλικό θα δώσετε βάθος στη γεύση αλλά θα χάσετε την ένταση. Υπολογίσαμε πως οι πιθανοί διαφορετικοί συνδυασμοί των 6 αυτών συστατικών είναι 46.656(!). Φανταστείτε να επιχειρήσετε να το κάνετε αυτό στο εργαστήριο. Είναι σχεδόν αδύνατο! Η διεξαγωγή χιλιάδων πειραμάτων απαιτεί συνήθως τη χρήση μεγάλων ποσοτήτων υλικών, ανθρώπινων πόρων και πολύ χρόνο».
credits: Shunliang Wu
Ο καθηγητής και η ομάδα του αντί να εκτελούν τα πειράματά τους μέσα σε φιάλες και δοκιμαστικούς σωλήνες, σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν λιπιδικά νανο-δοχεία (nanocontainers)-που έχουν πλάτος λιγότερο από το ένα χιλιοστό της ανθρώπινης τρίχας-και θραύσματα DNA. Και αντί να τα κάνουν με γραμμάρια (1 γραμμάριο ισούται με μερικούς κόκκους ζάχαρης), να τα επιχειρήσουν με τρισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου και σε χώρο 1 τετραγωνικού χιλιοστού.
«Χρησιμοποιούμε λιπιδικά νανο-δοχεία σχεδόν όμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται για τα εμβόλια, τα οποία έχουν όγκο 10-18 - 10-20 λίτρα το καθένα, και αντί να κάνουμε αντίδραση σε 100 ml (μισό ποτήρι νερού) την κάνουμε σε αυτά (και μέσα σε ένα τετραγωνικό χιλιοστό) και βάζουμε μαζί 40.000 αντιδράσεις. Έτσι μειώνουμε κατά 1012 φορές τα υλικά (κατά ένα τρισεκατομμύριο φορές!). Σε απλές αναλογίες χρησιμοποιούμε 1 λίτρο νερό αντί για το γλυκό νερό ολοκλήρου του πλανήτη μας!», περιγράφει ο ίδιος.
Πώς γίνεται αυτό;
Στην πράξη οι ερευνητές δεν επιδιώκουν μόνο την ανάμειξη των 6 συστατικών, αλλά θέλουν να ελέγχουν την παράδοσή τους στον χώρο ανάμειξης αλλά και τη σειρά με την οποία το καθένα αναμειγνύεται μέσα στα νανο-δοχεία. Για να επιτύχουν αυτό επιλέγουν ένα νανο-δοχείο για την ανάμειξη των υλικών και από ένα νανο-δοχείο για τη μεταφορά του κάθε συστατικού (cargo), το οποίο φέρει και από ένα διαφορετικό θραύσμα DNA στην επιφάνειά του.
Τα νανο-δοχεία της ανάμειξης φέρουν επίσης στην επιφάνειά τους θραύσματα DNA που είναι συμπληρωματικά του DNA που βρίσκεται σε κάθε νανο-δοχείο φορτίου. Όταν ένα νανο-δοχείο που κουβαλάει ένα υλικό έρχεται σε επαφή με το νανο-δοχείο ανάμειξης, τα δύο ταιριαστά θραύσματα DNA κλείνουν σαν φερμουάρ και το περιεχόμενο του νανο-δοχείου με το υλικό αδειάζει στο νανο-δοχείο ανάμειξης. Το νανο-δοχείο ανάμειξης φέρει στην επιφάνειά του αρκετό DNA για να υποδεχτεί το περιεχόμενο και των 6 λιπιδικών νανο-δοχείων φορτίου για πολλαπλές αναμείξεις.
Η σειρά ανάμειξης σε κάθε νανο-δοχείο είναι εντελώς τυχαία, άρα και το τελικό χημικό προϊόν είναι διαφορετικό. «Αν τα αναμιγνύαμε όλα μαζί χωρίς την τεχνολογία μας θα ήταν αδύνατο να καταλάβουμε ποιό αναμείχθηκε με τι και με ποια σειρά άρα και ποιο χημικό προϊόν είναι σε κάθε νανο-δοχείο. Όμως κάθε λιπίδικο νανο-δοχείο ανάμειξης ισοδυναμεί με ένα αυτόνομο πείραμα και εμείς γνωρίζουμε με ακρίβεια τι συμβαίνει μέσα σε αυτό», συμπληρώνει ο καθηγητής Χατζάκης.
Η απόσταση του ενός νανο-δοχείου ανάμειξης από το άλλο είναι μόλις 200 νανόμετρα και οι ερευνητές δημιούργησαν μια διάταξη που χωράει 42.000 νανο-δοχεία ανάμειξης ανά τετραγωνικό χιλιοστό χώρου.
Αλλά η ιστορία δεν τελειώνει εδώ…
Τα υλικά αναμειγνύονται, αλλά πώς οι ερευνητές αναγνωρίζουν πώς και ποτέ αναμίχθηκαν;
Για να το λύσουν αυτό, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο άμεσου προσδιορισμού του τρόπου που αναμειγνύονται τα συστατικά σε καθένα από τα νανο-δοχεία. Επί της ουσίας, σημαίνουν κάθε νανο-δοχείο φορτίου με δείκτες φθορισμού σε διαφορετικούς συνδυασμούς κόκκινου, μπλε και πράσινου. Επί της ουσίας δημιουργούν ένα barcode με το οποίο διακρίνουν ένα-ένα τα φορτία που φτάνουν μαζί μέσα σε ένα τετραγωνικό χιλιοστό και ταυτόχρονα κάνουν ανάλυση σε χιλιάδες αντιδράσεις. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούν εικόνες των πειραμάτων και τεχνητή νοημοσύνη για να χαρτογραφήσουν τα χιλιάδες νανο-δοχεία, καθορίζοντας με μεγάλη ακρίβεια τη σειρά ανάμειξης σε καθένα από αυτά.
«Μπορούμε να αναλύσουμε 42.000 γεγονότα σε 1 δευτερόλεπτο. Οι τεχνικές μικροσκοπίας φθορισμού μας δίνουν τη δυνατότητα να εξοικονομούμε τεράστιο χρόνο στον καθορισμό της σειράς ανάμειξης», λέει ο κ. Χατζάκης, ο οποίος θεωρεί πως αυτή η «επαναστατική» τεχνολογία, θα εξελιχθεί σε έναν “game changer” στο πεδίο της Ιατρικής ή της Φαρμακοβιομηχανίας. Για παράδειγμα, με αυτή οι ερευνητές μπορούν να συναρμολογήσουν δομικά στοιχεία DNA με χιλιάδες τρόπους χρησιμοποιώντας ελάχιστες ποσότητες υλικών, πολύ λίγα εργαστήρια και μόλις 1 ώρα για να πραγματοποιήσουν ολόκληρο το πείραμα!
{https://www.youtube.com/watch?v=bGKi0hYQla4}
CSI των πρωτεϊνών…
Φανταστείτε τώρα ότι παράγετε ένζυμα για απορρυπαντικό πλυντηρίου και αναζητάτε καινούργια που κάνουν τα ρούχα ακόμα πιο καθαρά. Η διαδικασία είναι εξαιρετικά δαπανηρή επειδή πρέπει να εξετάσετε προσεκτικά τις ιδιότητες χιλιάδων πρωτεϊνών για να εντοπίσετε μερικές που μπορεί να σας ενδιαφέρουν. Ωστόσο, υπάρχει και άλλος τρόπος: η λήψη «δακτυλικών αποτυπωμάτων» των πρωτεϊνών!
Ο καθηγητής Χατζάκης με την ομάδα του ανακάλυψαν ότι δύο πρωτεΐνες με το ίδιο «δακτυλικό αποτύπωμα» εμφανίζουν παρόμοιες ιδιότητες. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό γιατί επιτρέπει στους ειδικούς να τεστάρουν γρήγορα μεγάλο αριθμό πρωτεϊνών και να ανακαλύψουν αυτές με το βέλτιστο αποτέλεσμα για χρήση σε απορρυπαντικά για παράδειγμα, ή για την παραγωγή τροφής (γαλακτοκομικά ή ψωμί με συγκεκριμένες ιδιότητες).
Οι ερευνητές έχουν επαληθεύσει τη μέθοδο των πρωτεϊνικών δακτυλικών αποτυπωμάτων, η οποία περιλαμβάνει φθορισμό, υπερευαίσθητα μικροσκόπια με κάμερα που καταγράφει την κίνηση των πρωτεϊνών και στη συνέχεια τεχνητή νοημοσύνη για τη συνολική κατανόηση.
Η έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the Natural Academy of Sciences των ΗΠΑ βασίστηκε στην υπόθεση ότι οι πρωτεΐνες επιδεικνύουν πιθανώς παρόμοιες ιδιότητες εάν έχουν την ίδια κίνηση.
Οι ερευνητές βιντεοσκόπησαν την κίνηση πολλών σημασμένων πρωτεϊνών και ένας υπολογιστής μέσω μηχανικής μάθησης εξέτασε 17 επιλεγμένα χαρακτηριστικά για να περιγράψει τη συμπεριφορά των πρωτεϊνών σε τροχιά.
«Η τροχιά κίνησης των πρωτεϊνών περιλαμβάνει πολλά χαρακτηριστικά, όπως πόσο γρήγορα κινούνται και σε ποιες αποστάσεις και αν κινούνται ευθεία ή με μοτίβο. Αυτά μπορούν να συγχωνευθούν σε κάτι που μπορεί να αναγνωρίσει η τεχνητή νοημοσύνη. Η τεχνολογία που βασίζεται στην κάμερα είναι η ίδια που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση μοτίβων κίνησης σε έναν ποδοσφαιρικό αγώνα. Αυτό παρέχει μια διαδρομή δεδομένων που μπορεί να ακολουθήσει ένας αλγόριθμος», εξηγεί ο καθηγητής.
Η τεχνολογία επέτρεψε στους ερευνητές να αναγνωρίσουν μόρια ενδιαφέροντος και να καταλήξουν με ακρίβεια 90% ποια πρωτεΐνη είναι ποια από τις «χιλιάδες πρωτεΐνες σε έναν κουβά», όπως το θέτει ο κ. Χατζάκης. Ωστόσο, το πρωταρχικό ενδιαφέρον των ερευνητών δεν είναι η ταυτοποίηση αλλά η λειτουργία, ήθελαν να γνωρίζουν με ακρίβεια όχι μόνο ποια μόρια εμπλέκονται αλλά και τι μπορούν να κάνουν.
credits: Hatzakis Lab Team
Σύμφωνα με τον κ. Χατζάκη, για να κατανοήσει κάποιος τις δυνατότητες της νέας τεχνολογίας αρκεί να φανταστεί κλέφτες σε ένα σούπερ μάρκετ. «Οι κλέφτες μπορεί να κινούνται ελαφρώς διαφορετικά από τους κανονικούς πελάτες επειδή είναι πιο νευρικοί και ελέγχουν συνεχώς το περιβάλλον τους. Η μαγνητοσκόπηση όλων των πελατών στο σούπερ μάρκετ και η ανάλυση των μοτίβων κίνησής τους επιτρέπει την αναγνώριση των υπόπτων σε αντίθεση με τους απλούς πελάτες. Η ίδια αρχή ισχύει για την αναγνώριση χαρακτηριστικών στις πρωτεΐνες, αλλά κοιτάμε πρωτεΐνες που είναι ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερες από τους ανθρώπους και τις μετράμε στο χιλιοστό του δευτερολέπτου. Μπορούμε να σαρώσουμε ταχύτατα χιλιάδες πρωτεΐνες και να προσδιορίσουμε ποιες από αυτές έχουν τις επιθυμητές ιδιότητες».
Η παρεξηγημένη ινσουλίνη
Δεν είναι η πρώτη φορά που ο καθηγητής Χατζάκης «ταράζει» τα νερά της επιστήμης. Πέρσι δημιούργησε σάλο με την αποκάλυψη ότι η ινσουλίνη σε διάλυμα δρα πολύ διαφορετικά από ό,τι πίστευαν οι ερευνητές μέχρι τώρα, επηρεάζοντας την αποτελεσματικότητά της. Αυτή η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Communications Biology.
Σύμφωνα με τον ίδιο, τον τελευταίο αιώνα που χρησιμοποιεί ο κόσμος την ινσουλίνη δεν υπήρξε ένας ακριβής χαρακτηρισμός της, δηλαδή κανείς δεν είχε καταφέρει να μετρήσει με ακρίβεια πόση από την ινσουλίνη ήταν μονομερής, διμερής, τετραμερής ή και εξαμερής κοκ. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό γιατί η μονομερής ινσουλίνη δρα σχεδόν ακαριαία αλλά η εξαμερής μορφή της δρα πιο αργά. Η ομάδα του καθηγητή ανέπτυξε μια μέθοδο και κατάφερε να δει πως τοποθετείται μια-μια από τις ινσουλίνες, καθώς από την τοποθέτησή τους εξαρτάται και η λειτουργία τους. Και αυτό μπορεί να επιδρά στον τρόπο με τον οποίο η ινσουλίνη επηρεάζει τη γλυκόζη του αίματος τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα.
«Φανταστείτε πως πηγαίνετε σε ένα πάρτι 1000 ατόμων. Εκεί μέσα υπάρχουν “πηγαδάκια”, παρέες με 2 άτομα, κάποιες με 3 ή κάποιες με περισσότερα. Και αυτά τα “πηγαδάκια” είναι δυναμικά, καθώς στο επόμενο 10λεπτό κάποια άτομα θα έχουν αλλάξει παρέα. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και με τα επιμέρους μόρια της ινσουλίνης, τα μονομερή, που είναι η ενεργή μορφή της και που συμβάλλουν στην απορρόφηση της γλυκόζης από το αίμα. Τα μονομερή ενώνονται σε ζεύγη (διμερή), τα οποία μπορούν να ενωθούν σε μια τριμοριακή αντίδραση για να σχηματίσουν εξαμερή, τη μορφή με την οποία το σώμα αποθηκεύει ινσουλίνη όταν δεν απαιτείται. Όταν τα άτομα με διαβήτη τύπου 1 λαμβάνουν ινσουλίνη, οι αναλογίες των μονομερών και των εξαμερών επηρεάζουν το πόσο γρήγορα εκείνη λειτουργεί και για πόσο χρόνο. Η έρευνά μας έδειξε ότι η αναλογία μεταξύ των μονομερών, διμερών και εξαμερών στην ινσουλίνη σε διάλυμα διαφέρει από αυτό που μέχρι τώρα πιστεύαμε, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό», αναφέρει ο Έλληνας επιστήμονας.
credit: Nikos Hatzakis
Σύμφωνα με τον ίδιο, είναι η πρώτη φορά που υπάρχει τόσο λεπτομερής κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα μόρια ινσουλίνης συγκεντρώνονται και σχηματίζουν συστάδες. Έτσι, οι φαρμακοβιομηχανίες μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή την τεχνολογία για να αποκτήσουν ακριβή εικόνα της αλληλεπίδρασης των διαφορετικών μορφών ινσουλίνης και να σχεδιάσουν βέλτιστες συνθέσεις που διατηρούν τη γλυκόζη στο αίμα πιο σταθερή αντί απλώς να τη μειώνουν.
Ο καθηγητής Χατζάκης όμως πηγαίνει ακόμη ένα βήμα παραπέρα: «Αν αφήσει κάποιος το φιαλίδιο της ινσουλίνης σε ακατάλληλο περιβάλλον μετά από λίγο το διάλυμα θα θολώσει. Αυτό συμβαίνει γιατί κάποια σωματίδιά της “κολλούν” μεταξύ τους δημιουργώντας συσσωματώματα, τα οποία μπορεί να είναι τοξικά. Εμείς δοκιμάσαμε τέτοια σκευάσματα σε ποντίκια αλλά και σε ανθρώπινο ορό αίματος (σε συνεργασία με την NovoNordisk ) και διαπιστώσαμε ανοσοαπόκριση, η οποία εξαρτάται από τη δομή των συσσωματωμάτων. Τώρα κατευθυνόμαστε στο να αναπτύξουμε μέθοδο που να παρακολουθούμε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης την δημιουργία αυτών των συσσωματωμάτων και την αλλαγή του σχήματός τους σε πραγματικό χρόνο».
Ο «γητευτής» των πρωτεϊνών
Αν μπορούσε κάποιος να χαρακτηρίσει τον καθηγητή Χατζάκη σίγουρα θα τον αποκαλούσε «γητευτή» των πρωτεϊνών γιατί έχει έναν μοναδικό τρόπο να «μαγεύει» τις πρωτεΐνες και να τις καθοδηγεί όπου εκείνος θέλει. Αρκεί κάποιος να θυμηθεί την άκρως σημαντική μελέτη ενός ενζύμου (POR), το οποίο δίνει τον… τόνο σε άλλα 50 ένζυμα (Ρ450) που με τη σειρά τους ελέγχουν άκρως σημαντικές ορμόνες του οργανισμού μας όπως η χοληστερόλη και τα στεροειδή, στην οποία ο καθηγητής εμφανίστηκε ως «μαέστρος».
Μάλιστα η ομάδα του σε σχετική δημοσίευση στο Νature Communications, το 2021 περιέγραψε τον τρόπο παρακολούθησης της δυναμικής κίνησης κατά τον καταλυτικό κύκλο του κάθε ενζύμου ξεχωριστά, κάτι που δεν είχε συμβεί ξανά στο παρελθόν.
Ανάλογα έλυσε πρόσφατα τον γρίφο του πως δουλεύει το CRISPR σε σχετική δημοσίευση στο CELL. «Παρατηρώντας για πρώτη φορά τις κινήσεις του CRISPR-Cas12 σε ζωντανό χρόνο μπορέσαμε να καταλάβουμε τον μηχανισμό δράσης και κατ’ επέκταση να σχεδιάσουμε μοριακές μεταλλαγές που κάνουν το CRSIPR πιο εξειδικευμένο και πιο ασφαλές για χρήση στην επιγενετική φαρμακευτική», συμπληρώνει ο διακεκριμένος επιστήμονας.
Διαβάζοντας το κείμενο θα αναρωτιέστε φυσικά πώς ο ευρηματικός αυτός επιστήμονας καταφέρνει όλα αυτά που περιγράφει. Είναι απλό. Τολμά, όπως λέει, να σκεφτεί «έξω από το κουτί» και να βγει από τη comfort zone (ζώνη άνεσης) του ώστε να δημιουργήσει καινούργιους τομείς επιστήμης.
***Ο καθηγητής Χατζάκης θα βρεθεί στην Ελλάδα ως προσκεκλημένος ομιλητής στο 10ο Πανελλήνιο Συνέδριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, το οποίο συνδιοργανώνει η Ελληνική Εταιρεία Βιοϊατρικής Τεχνολογίας (ΕΛΕΒΙΤ) με το Aristotle Medical Forum του Τμήματος Ιατρικής του ΑΠΘ (AMF 2023), στις 6-8 Οκτωβρίου 2023, στο Μέγαρο Μουσικής Θεσσαλονίκης.
