Οι πρωτεΐνες πρωταγωνιστούν σε όλες σχεδόν τις κυτταρικές διεργασίες γιατί είναι απαραίτητες για τη διατήρηση της ζωής σε όλα τα είδη και τους οργανισμούς. Αυτό σημαίνει ότι η ανώμαλη λειτουργία τους είναι η κύρια αιτία των νόσων.
Αν κάποιος μπορούσε να ρίξει μια ματιά μέσα στα κύτταρα, θα έβλεπε μια χαοτική διαρκή κίνηση των πρωτεϊνών προς κάθε κατεύθυνση. Η κίνηση κάθε πρωτεΐνης είναι ετερογενής σε χρόνο και χώρο και συνδέεται με τον ρόλο της μέσα στο κύτταρο. Επηρεάζεται δε, σε μεγάλο βαθμό από το τοπικό κυτταρικό περιβάλλον και από τις αλληλεπιδράσεις με άλλα μόρια.
Οι συμβατικές τεχνικές παρατήρησης της συμπεριφοράς ενός μεγάλου αριθμού μη συγχρονισμένων μορίων αποτυγχάνουν, κατά μέσο όρο, να συνυπολογίσουν αυτούς τους μεταβλητούς παράγοντες, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για την κατανόηση της βιολογίας των πρωτεϊνών. Για αυτό και οι ερευνητές προχωρούν στη χρήση μεθόδων παρακολούθησης μεμονωμένων μορίων, οι οποίοι βασίζονται στην προηγμένη μικροσκοπία φθορισμού, στην παρακολούθηση ενός σωματιδίου και την απεικόνιση υπερ-ανάλυσης για την άμεση παρακολούθηση της κίνησης και των αλληλεπιδράσεων των πρωτεϊνών μεταξύ τους και με άλλα μόρια.
Αυτές οι προσεγγίσεις παρέχουν την απαιτούμενη χωροχρονική ανάλυση, αλλά τυπικά μπορούν να αναλύσουν μόνο λίγα κύτταρα υπό περιορισμένες συνθήκες, προσφέροντας μια στενή ματιά στον τεράστιο και δυναμικό κόσμο των πρωτεϊνών. Παρόλο που η μικροσκοπία υψηλής απόδοσης έχει βελτιωθεί, η κλιμάκωση της παρακολούθησης ενός μορίου παραμένει ακόμη μια πρόκληση.
Μια μέθοδος που θα μπορούσε να καταγράψει την απόδοση κάθε μορίου πρωτεΐνης, αλλά και χιλιάδων μοριακών ενώσεων μέσα σε εκατομμύρια μεμονωμένα κύτταρα, και να αναλύσει τον τρόπο με τον οποίο αυτά κινούνται, αλληλεπιδρούν και ανταποκρίνονται στις θεραπείες, θα ήταν πραγματικά μια ‘επαναστατική’ επιστημονική ανακάλυψη.
Η πλατφόρμα που «κατασκοπεύει» τις πρωτεΐνες
Τώρα, στο eLife, η Hilary Beck και οι συνεργάτες της στην Eikon Therapeutics και στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Berkeley, συμπεριλαμβανομένου του David McSwiggen ως πρώτου συγγραφέα, αναφέρουν μια πλατφόρμα παρακολούθησης υψηλής απόδοσης (htSMT) που καθιστά δυνατή την παρατήρηση και ανάλυση της συμπεριφοράς και της κίνησης μεμονωμένων πρωτεϊνών και άλλων μορίων σε μια άνευ προηγουμένου κλίμακα.
Η πλατφόρμα περιλαμβάνει ένα ρομποτικό σύστημα που μπορεί να χειρίζεται αυτόνομα τα αντιδραστήρια και να συλλέγει από το μικροσκόπιο διαδοχικές μοριακές ταινίες (molecular movies), οι οποίες στη συνέχεια υποβάλλονται σε υπολογιστική επεξεργασία προκειμένου να ληφθούν οι τροχιές μεμονωμένων πρωτεϊνών μέσα στα κύτταρα και ακόμη και στα κυτταρικά διαμερίσματα. Αυτό το σύστημα επιτρέπει στους χρήστες να απεικονίζουν πάνω από ένα εκατομμύριο κύτταρα, να παρακολουθούν μια προς μια χιλιάδες πρωτεΐνες ανά κύτταρο και να εξετάζουν χιλιάδες ενώσεις σε μια μόνο μέρα, πράγμα που ήταν αδύνατο μέχρι πρότινος.
Η ομάδα δοκίμασε την πλατφόρμα σε υποδοχείς οιστρογόνων και διερεύνησε τον τρόπο που περισσότερες από 5.000 ενώσεις επηρέασαν την κίνησή τους, αναλύοντας εκατοντάδες χιλιάδες κύτταρα δύο φορές σε μία μόνο ημέρα. Η μελέτη αποκάλυψε μια νέα συσχέτιση μεταξύ της δυναμικής των υποδοχέων οιστρογόνων και της ικανότητας των ανταγωνιστών τους να καταστέλλουν την ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων, την οποία οι συμβατικές μέθοδοι δεν είχαν εντοπίσει στο παρελθόν. Επιπλέον, η πλατφόρμα htSMT έδειξε εάν τα δοκιμασμένα μόρια επηρεάζουν τους υποδοχείς οιστρογόνων άμεσα ή έμμεσα μέσω άλλων βιολογικών στόχων που είναι γνωστό ότι τους τροποποιούν, παρέχοντας μια άνευ προηγουμένου αμερόληπτη ανάλυση μιας πολύπλοκης βιολογικής οδού.
«Συνολικά, η πλατφόρμα htSMT ανοίγει το δρόμο για μια νέα εποχή στην κυτταρική βιολογία και τη φαρμακολογία, επιτρέποντας μεγάλης κλίμακας, αυτοματοποιημένες παρατηρήσεις του τρόπου με τον οποίο οι πρωτεΐνες κινούνται μια-μια και αλληλεπιδρούν μέσα σε εκατομμύρια κύτταρα, μέσα σε ένα 24ωρο – ένα κατόρθωμα που μέχρι πρόσφατα παρέμενε στη σφαίρα της φαντασίας.
Αυτή η μεγάλη αύξηση της κλίμακας, μαζί με προηγμένα αναλυτικά εργαλεία υπόσχεται να ξεκλειδώσει ακόμη περισσότερες πληροφορίες σχετικά με πολύπλοκες βιολογικές οδούς (όπως αυτές που σχετίζονται με τον υποδοχέα οιστρογόνου και όχι μόνο) ανοίγοντας καινούργιους δρόμους για τον έλεγχο της κυτταρικής δράσης και κατ’ επέκταση της εξατομικευμένης ιατρικής», σχολιάζει ο διακεκριμένος Έλληνας καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης και επισκέπτης καθηγητής στην ιατρική σχολή του Χάρβαρντ Νίκος Χατζάκης, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, αλλά περιέγραψε σε ένα άρθρο τα οφέλη αυτής της πρωτοποριακής για το μέλλον βιοιατρικής μεθόδου.
Η προσαρμογή της πλατφόρμας htSMT σε άλλες πρωτεΐνες και κυτταρικά συστήματα θα μπορούσε να βοηθήσει στη δημιουργία μοναδικών μοριακών βιβλιοθηκών που τελικά συνδέουν την κίνηση με τη λειτουργία. Η αξιοποίηση του πλήρους δυναμικού της θα βελτιώσει την κατανόησή για τις περίπλοκες διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στα κύτταρα και για τη συμβολή των πρωτεϊνών στην κυτταρική λειτουργία. Τελικά αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να σχεδιάσουν νέες φαρμακευτικές θεραπείες για τον έλεγχο ορισμένων ασθενειών.
