Μία από τις πιο σημαντικές αναζητήσεις της σύγχρονης επιστήμης είναι η κατανόηση του πώς λειτουργεί ο κόσμος στις πιο μικρές και γρήγορες κλίμακες, στο “βασίλειο” των ατόμων και των μορίων. Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, το μόνο που είχαν οι επιστήμονες ήταν στατικές εικόνες αυτού του μικρόκοσμου.
Αλλά σήμερα μπορούν να δημιουργούν κυριολεκτικά «ταινίες» με πρωταγωνιστές μόρια (molecular movies) που κινούνται, λυγίζουν και αποσυντίθενται.
Μια τέτοια μοριακή «ταινία» με πρωταγωνίστρια την ινσουλίνη παρουσίασε κατά τη διάρκεια του Aristotle Medical Forum 2023 που έλαβε χώρα από τις 6-8 Οκτωβρίου στη Θεσσαλονίκη, ο Έλληνας Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και Νανο-επιστήμης του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης και επισκέπτης καθηγητής στην Ιατρική σχολή του Χάρβαρντ, Νίκος Χατζάκης.
«Η δημιουργία μοριακών ταινιών είναι ταυτόχρονα τέχνη και επιστήμη», σχολιάζει ο ίδιος, «μπορούμε με αυτές να παρακολουθήσουμε σε real time πώς λειτουργεί η φύση στις μικρότερες κλίμακες». Ο καθηγητής για να δημιουργήσει τις ταινίες «βουτάει» κυριολεκτικά μέσα σε κύτταρα και βλέπει σε πραγματικό χρόνο πως συμπεριφέρονται διάφορα μόρια, η πρωτεΐνη ινσουλίνη εν προκειμένω.
Ο ίδιος μας λέει πως τον τελευταίο αιώνα που χρησιμοποιεί ο κόσμος την ινσουλίνη δεν υπήρξε ένας ακριβής χαρακτηρισμός της, δηλαδή κανείς δεν είχε καταφέρει να μετρήσει με μεγάλη ακρίβεια πόση από την ινσουλίνη είναι μονομερής, διμερής, τετραμερής ή και εξαμερής κοκ. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό γιατί η μονομερής ινσουλίνη δρα σχεδόν ακαριαία μέσα στον οργανισμό, ενώ η εξαμερής μορφή της πιο αργά.
«Φανταστείτε πως πηγαίνετε σε ένα πάρτι 1000 ατόμων. Εκεί μέσα συναντάτε “πηγαδάκια”, δηλαδή 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», περιγράφει ο καθηγητής αυτό ακριβώς που φαίνεται στη «μοριακή» ταινία, σε πραγματικό χρόνο.
Η ομάδα του καθηγητή με πολύ ισχυρά μικροσκοπία «βλέπει» κάθε μια από τις ινσουλίνες μεγέθους μερικών νανομέτρων (ένα εκατομμύριο φορές μικρότερες από το ένα χιλιοστό ) και κυρίως «βλέπει» ως ταινία το πως τοποθετείται μια-μια και σε ποια μορφή το κάθε μόριο της. Οι μετρήσεις αυτές για την ώρα είναι στο μικροσκόπιο αλλά δίνουν πολύτιμες πληροφορίες καθώς από αυτή την τοποθέτηση μέσα στον οργανισμό εξαρτάται και η λειτουργία της πρωτεΐνης. Και αυτό μπορεί να επιδρά στον τρόπο με τον οποίο η ινσουλίνη επηρεάζει τη γλυκόζη του αίματος τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα.
Καταλύτης η ανάπτυξη της μικροσκοπίας
Η δημιουργία «μοριακών» ταινιών ειδικά σε εξαιρετικά γρήγορες χρονικές κλίμακες ήταν ένας μακροχρόνιος στόχος των επιστημόνων για την αποκάλυψη λεπτομερών πληροφοριών σχετικά με τη μοριακή δυναμική. Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας λειτούργησαν καταλυτικά στην εξέλιξη αυτού του τύπου ζωντανής απεικόνισης.
«Για να καταλάβουμε πως δουλεύει η ινσουλίνη και με αυτό εννοούμε πως διαμορφώνεται σε μονομερή, διμερή η εξαμερή μορφή ή πως δημιουργεί συσσωματώματα και κυρίως, πως εισέρχεται στο κύτταρο χρησιμοποιήσαμε τρία διαφορετικά υπερσύγχρονα μικροσκόπια που έχουμε στο εργαστήριό μας, ένα για κάθε είδος πειράματος. Το κάθε ένα από αυτά τα όργανα έχει τον δικό του βαθμό δυσκολίας, χρειάζεται εξειδικευμένο προσωπικό και παράγει τεράστιο αριθμό δεδομένων που μπορούμε να αναλύσουμε μόνο με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης», εξηγεί ο Έλληνας επιστήμονας.
Ο καθηγητής Χατζάκης προσθέτει πως η τεχνολογία, τεχνογνωσία και οργανολογία που διαθέτει η ομάδα του, τούς επιτρέπει επίσης να βλέπουν όχι μόνο την ινσουλίνη αλλά και νανο-σωματίδια που χρησιμοποιούνται για τα τωρινά εμβόλια ή ακόμα και ιούς: «Η ανάλυση με την τεχνητή νοημοσύνη που έχουμε αναπτύξει μας επιτρέπει να γινόμαστε από “θεατές” μοριακών ταινιών σε αναλυτές και να κατανοούμε με ποιο μηχανισμό εισέρχονται στο κύτταρο, αλλά και με ποιο μηχανισμό και που ακριβώς απελευθερώνουν το γενετικό υλικό. Αυτό θα μας επιτρέψει να ελέγξουμε την απελευθέρωση του γενετικού υλικού ανάλογα με τις ανάγκες, δηλαδή να την αυξήσουμε στην περίπτωση των εμβολίων και νανοδοχείων με φάρμακα βασισμένα σε γενετικό υλικό ή να την μπλοκάρουμε στην περίπτωση των ιών. Αυτή η “διαδραστική” ικανότητά να παρακολουθούμε μοριακές ταινίες και να ελέγχουμε το αποτέλεσμα είναι μια πραγματική “επανάσταση” στη βιοϊατρική που μας συνδέει με την ιατρική ακρίβειας».
Και μιας και η «μοριακή» ταινία που μας δείχνει κατά τη διάρκεια του συνεδρίου ο καθηγητής αφορά την ινσουλίνη, ο ίδιος τονίζει πως για πρώτη φορά επιτυγχάνεται τόσο λεπτομερής κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα μόρια ινσουλίνης συγκεντρώνονται και σχηματίζουν συστάδες. Έτσι, οι φαρμακοβιομηχανίες μπορούν τώρα να χρησιμοποιήσουν αυτή την τεχνολογία για να αποκτήσουν ακριβή εικόνα της αλληλεπίδρασης των διαφορετικών μορφών της 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 αλλά και το μέγεθος 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».
