Στην Κίνα, τα παιδιά μαθαίνουν από το σχολείο να μην αγγίζουν το φυτό με την ονομασία Thunder God vine (επιστημονικά: Tripterygium wilfordii), το οποίο το αποκαλείται και “Seven Steps to Death”(επτά βήματα μέχρι τον θάνατο) γιατί είναι τόσο τοξικό που αν το καταναλώσει κάποιος κινδυνεύει να πεθάνει γρήγορα.
Όμως, παρά την τοξικότητά του, το φυτό κρύβει κάτι αρκετά ωφέλιμο για εμάς τους ανθρώπους. Μέσα στις ρίζες του παράγει την ένωση σελαστρόλη, έναν χημικό παράγοντα με ισχυρές ιδιότητες κατά της παχυσαρκίας. Πειράματα σε ποντίκια με διατροφή πλούσια σε λιπαρά έδειξαν ότι εκείνα που δεν έλαβαν σελαστρόλη πήραν 45% περισσότερο βάρος από εκείνα που έλαβαν. Πειράματα σε ανθρώπινα κύτταρα έχουν δείξει παρόμοια αποτελέσματα που οφείλονται στο γεγονός ότι η σελαστρόλη επαναδιεγείρει την απόκριση του οργανισμού στη λεπτίνη, μια ορμόνη που αναγκάζει το σώμα να καίει περισσότερες θερμίδες και έτσι να ρυθμίζει το βάρος.
O δρ Καμπράνης στο εργαστήριο (credit: University of Copenhagen)
Πώς μπορεί όμως κάποιος να πάρει τη «χρήσιμη» ουσία χωρίς την τοξικότητα που συνήθως τη συνοδεύει; Ο Καθηγητής Βιοχημικής Μηχανικής στο Τμήμα Επιστημών Φυτών και Περιβάλλοντος, στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, Σωτήρης Καμπράνης, το κατάφερε μέσω της συνθετικής βιολογίας.
Η συνθετική βιολογία είναι ένα μοντέρνο επιστημονικό πεδίο που συνδυάζει τη μηχανική και τη βιολογία με σκοπό την ανάπτυξη νέων βιολογικών συστημάτων, νέων μορίων και νέων χαρακτηριστικών σε ζωντανά κύτταρα, και είναι ακριβώς το πεδίο στο οποίο δραστηριοποιείται ερευνητικά ο Έλληνας επιστήμονας.
Έτσι, στην περίπτωση της σελαστρόλης, ο καθηγητής με την ομάδα του χαρτογράφησαν το μονοπάτι με τα 15 βιοχημικά βήματα που χρησιμοποιεί το φυτό για να σχηματίσει την ουσία και στη συνέχεια παρήγαν τη σελαστρόλη συνθετικά μέσα σε μια δεξαμενή με συνηθισμένη μαγιά (ζύμη) που χρησιμοποιήθηκε ως οργανισμός ξενιστής. Ουσιαστικά οι επιστήμονες πήραν τα γονίδια και τα ένζυμα που εμπλέκονται στην παραγωγή της σελαστρόλης μέσα στο φυτό και τα τοποθέτησαν μέσα σε έναν άλλον οργανισμό, εν προκειμένω σε μια ζύμη, που δεν παράγει τοξικές ουσίες. Έτσι η σελαστρόλη που έλαβαν ήταν σχεδόν καθαρή, χωρίς τις τοξικές ενώσεις που διαφορετικά τη συνοδεύουν στη φύση.
Το φιαλίδιο περιέχει σελαστρόλη που παράγεται από μαγιά (Credit: Yong Zhao)
Και αυτή ήταν η πρώτη φορά που συνέβη αυτό στο εργαστήριο. Για αυτό και το πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης κατέθεσε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της μεθόδου που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Chemistry, και επί του παρόντος βρίσκεται σε συζητήσεις με πιθανούς εταίρους για την εμπορευματοποίησή της.
Το «κλειδί» για την πράσινη μετάβαση
«Η συνθετική βιολογία, δηλαδή η δυνατότητα να τροποποιούμε γενετικά μικροοργανισμούς με σκοπό την παραγωγή των βιοσυστατικών που χρησιμοποιούμε σήμερα, μετατρέποντας απλή βιομάζα σε πολύτιμα προϊόντα, είναι αυτή που κρατά το “κλειδί” για την ‘πράσινη’ μετάβαση», σχολιάζει ο δρ Καμπράνης.
Και εδώ η συζήτηση ανοίγει με αφορμή τη συμμετοχή του ως προσκεκλημένου ομιλητή στο Athens Science Festival 2024 . Κατά τη διάρκεια του φεστιβάλ, ο καθηγητής θα μιλήσει για τη δουλειά των ερευνητών του εργαστηρίου του, που εστιάζουν στον συνδυασμό της βασικής έρευνας στη βιοχημεία με την πρωτεϊνική μηχανική βιοσυνθετικών ενζύμων και τη μεταβολική μηχανική βιομηχανικά επιδεκτικών μικροοργανισμών, για να δώσουν βιώσιμες λύσεις για έναν πιο ‘πράσινο’ πλανήτη.
«Η ζήτηση για φυσικά αρώματα και καλλυντικά σήμερα είναι πολύ μεγάλη, αλλά η παραγωγή πολλών πολύτιμων βιοσυστατικών δεν είναι ούτε ‘πράσινη’, ούτε βιώσιμη», επισημαίνει ο ίδιος και συνεχίζει: «Τα αρώματα του τριαντάφυλλου, του λεμονιού και της πευκοβελόνας, αλλά και πολλές χρωστικές, φυτοφάρμακα και βιοπολυμερή, παράγονται συνήθως μέσω ενεργοβόρων, βιομηχανικών χημικών διεργασιών που χρησιμοποιούν ως πρώτες ύλες πετροχημικά και τοξικούς καταλύτες και διαλύτες ή προέρχονται από υπερκαλλιέργεια και υπερβολική συγκομιδή φυτών.
Άλλα βιοσυστατικά, όπως οι πρωτεΐνες από το γάλα, το αυγό ή το κρέας, απαιτούν εκτροφή ζώων, σημαντικές εκτάσεις γης και ποσότητες ενέργειας και ευθύνονται για ένα μεγάλο ποσοστό των συνολικών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Το μέλλον του πλανήτη μας εξαρτάται από την αντικατάσταση των τρεχουσών τεχνολογιών για την παραγωγή αυτών των βιοσυστατικών με νέες, βιώσιμες και, ταυτόχρονα, οικονομικές μεθόδους», προσθέτει.
Η ρίζα του φυτού που παράγει σελαστρόλη (credit: Nikolaj Hansen)
Ο ίδιος φέρνει ως παράδειγμα τη μαγιά, που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία βιοτεχνολογίας, για την παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα ουσιών που απαντώνται στη φύση: «Χρησιμοποιώντας τη μαγιά δεν χρειάζεται να ποτίζουμε φυτά, να μεταφέρουμε οτιδήποτε σε μεγάλες αποστάσεις ή να χρησιμοποιούμε πολλά χημικά και ενέργεια. Έτσι, αν θέλουμε να κάνουμε τη ζωή μας πιο βιώσιμη και να καταπολεμήσουμε την κλιματική αλλαγή, αυτός είναι ένας τρόπος για να παράγουμε γεύσεις και αρώματα».
Αρώματα που δεν μύρισε ποτέ κανείς
Χειραγωγώντας τις ζύμες για να παραγάγουν εντελώς νέα δομικά στοιχεία για τη ζωή, ο καθηγητής Καμπράνης μαζί με την ερευνητική του ομάδα, ανέπτυξαν αρώματα που κανείς δεν είχε μυρίσει ποτέ πριν. Μάλιστα τους έδωσαν τα ονόματα Δανών καλλιτεχνών και αρχιτεκτόνων, όπως ενδεικτικά το μπλιξένιο που πήρε το όνομά του από τη συγγραφέα Karen Blixen, το χαμερσένιο από τον ζωγράφο Vilhelm Hammershøi, το αντσερένιο από τους ζωγράφους Anna και Michael Ancher και το γιακομπσένιο από τον αρχιτέκτονα Arne Jacobsen.
Συγκεκριμένα, οι ερευνητές δημιούργησαν 10 καινούργια ισοπρενοειδή ή τερπενοειδή, δομικά στοιχεία με διαφορετικά σχήματα και δομές που μπορούν να λειτουργήσουν ως Lego για τη σύνθεση πολλών νέων τύπων βιολογικών μορίων. «Ενώ τα ισοπρενοειδή είναι ενώσεις που αποτελούνται από έναν συγκεκριμένο αριθμό ατόμων άνθρακα που είναι πολλαπλάσιος του 5 (διαιρείται με πέντε), τα νέα δομικά στοιχεία που αναπτύξαμε αποτελούνται από 16 άτομα άνθρακα. Με αυτά τα νέα δομικά στοιχεία δημιουργήσαμε στο εργαστήριο νέα βιοχημικά μόρια με πρωτόγνωρα αρώματα. Και όλη αυτή η διαδικασία πραγματοποιήθηκε πάλι μέσα σε μαγιά», περιγράφει ο καθηγητής.
Όταν οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ορισμένα από τα πρόσφατα αναπτυγμένα ισοπρενοειδή είχαν αρωματικές ιδιότητες, προσκάλεσαν ειδικούς στις οσμές να τις χαρακτηρίσουν. Τέσσερα από τα ισοπρενοειδή είχαν ένα μοναδικό άρωμα, το ένα μύριζε σαν παλιά μπύρα και το άλλο σαν καμένο τριαντάφυλλο. Μάλιστα, ο δρ Σωτήριος Καμπράνης θεωρεί ότι τα νέα αυτά ισοπρενοειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα στην αρωματοποιία.
Η συγκεκριμένη έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications το 2022, με τη συνεισφορά της Αναπληρώτριας Καθηγήτριας του Πανεπιστήμιου Αθηνών Ευσταθίας Ιωάννου, με την οποία η ομάδα της Κοπεγχάγης διατηρεί μια μακροχρόνια συνεργασία.
Πέρα από αρώματα, τα ισοπρενοειδή περιλαμβάνουν επίσης χημικά μόρια όπως ορμόνες και λιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης, όπως για παράδειγμα χοληστερόλη. Η κορτιζόλη είναι ένα ισοπρενοειδές με αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες και η πακλιταξέλη (ταξόλη), η οποία χρησιμοποιείται στη χημειοθεραπεία, είναι επίσης ένα άλλο. Η ανάπτυξη νέων τύπων ισοπρενοειδών ανοίγει πολλές και ενδιαφέρουσες δυνατότητες για τη δημιουργία νέων τύπων φαρμάκων που είναι καλύτερα ή και μοναδικά. Και σε αυτή την κατεύθυνση, είναι σημαντική η συμβολή ελληνικών επιστημονικών ομάδων, όπως του δρα Αντώνη Μακρή στο Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Βιοεπιστημών του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ) στη Θεσσαλονίκη.
Έρευνα και…Evodia
Τα περισσότερα από τα αρωματικά συστατικά που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι ισοπρενοειδή. Το άρωμα του βασιλικού, της λεβάντας ή της μέντας για παράδειγμα είναι κυρίως τυπικά ισοπρενοειδή μόρια με 10 η 15 άτομα άνθρακα. «Εμείς κάναμε μια πρωτοποριακή επανεφεύρεση της παραγωγής φυσικού αρώματος που μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως την ανάγκη για συλλεγμένες αρωματικές ενώσεις. Η μακροπρόθεσμη φιλοδοξία μας είναι να μπορέσουμε να εφοδιάσουμε την αγορά με άρωμα για τα πάντα...», λέει ο καθηγητής
Η προσπάθεια του καθηγητή Καμπράνη και των συνεργατών του στο πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης για τη δημιουργία ενός καλύτερου μέλλοντος για τον πλανήτη μας, παράγοντας στη ζύμη αρωματικές ενώσεις με βιώσιμο τρόπο και εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη εξαγωγής αρωμάτων από φυτά ή σύνθεσής τους μέσω επιβλαβών και ενεργοβόρων διαδικασιών, έλαβε σάρκα και οστά το 2021 με την ίδρυση της εταιρείας-spin-off του πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης Evodia, στην οποία ο καθηγητής είναι συνιδρυτής και επικεφαλής Έρευνας & Ανάπτυξης.
Ερευνητές στην Evodia (Credit: EvodiaBio ApS)
Όσο για το όνομα «Evodia», που αποδίδει το “ευχάριστο άρωμα” στα ελληνικά: «Είναι ένα όνομα που συνδέεται με την εμπνευσμένη κληρονομιά της Ελληνίδας γιαγιάς μου, η οποία χρησιμοποιούσε βότανα και στο φαγητό και για ιατρικούς σκοπούς. Ο τελικός μας στόχος είναι να δημιουργήσουμε ένα βιώσιμο μέλλον όπου όλοι θα μπορούν να απολαμβάνουν υπέροχη γεύση και μυρωδιά χωρίς να εξαντλούνται οι φυσικοί πόροι», τονίζει ο δρ Καμπράνης
Όταν οι ζύμες…κοκκινίζουν
Ο Έλληνας επιστήμονας μαζί με την ομάδα του χρησιμοποιούν τα κύτταρα ζύμης με ποικίλους τρόπους. Πριν λίγα χρόνια τροποποίησαν ένα κύτταρο ζύμης για να ανιχνεύει τις δραστικές ουσίες της κάνναβης και το έκαναν κυριολεκτικά να κοκκινίζει όταν το κατάφερνε, ανοίγοντας τον δρόμο για ένα νέο είδος δοκιμής φαρμάκων που μπορεί να πραγματοποιηθεί ακόμη και με smartphone!
Συγκεκριμένα, ανέπτυξαν μια φορητή πλαστική συσκευή με βιοαισθητήρα κυττάρων ζυμομύκητα. Όταν φυτικό υλικό, σάλιο, ούρα, αίμα και άλλη ουσία τοποθετείται στη συσκευή που χρησιμοποιεί την κάμερα του smartphone, τα κύτταρα της ζύμης ανάβουν, δίνοντας το αποτέλεσμα σε μόλις 15 λεπτά. Οι ερευνητές προσέδωσαν σε ένα κύτταρο ζύμης μια αίσθηση «γεύσης» και «όσφρησης» που του επιτρέπει να ανιχνεύει τα κανναβινοειδή (τις δραστικές ουσίες της κάνναβης) και προχωρώντας ακόμη ένα βήμα παραπέρα, έκαναν τη μαγιά να κοκκινίζει ή να λάμπει όταν τα ανιχνεύει με επιτυχία.
Στις αρχικές δοκιμές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το κύτταρο ζύμης για να μελετήσουν 1.600 τυχαίες ουσίες από μια τεράστια βιβλιοθήκη χημικών ενώσεων που διατίθεται στο πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. Μέσα σε μια μέρα, το κύτταρο της ζύμης ανακάλυψε 4 ουσίες που δεν είχαν ποτέ συσχετιστεί με αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες ή με την ανακούφιση από τον πόνο, αλλά που θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για αυτούς τους σκοπούς
Αυτός ο ζωντανός αισθητήρας (βιοαισθητήρας) από μαγιά μπορεί τώρα να ανιχνεύει κανναβινοειδή ή άλλα διαφορετικά μόρια που όμως έχουν την ίδια λειτουργία με τα κανναβινοειδή και να χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση νέων ουσιών με τις ίδιες ιδιότητες με αυτά. Η εν λόγω έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications
Η ίδια τεχνολογία αποτελεί τη βάση για την περαιτέρω συνεργασία της ομάδας της Κοπεγχάγης με ελληνικά εργαστήρια και συγκεκριμένα με την ομάδα του δ/ντη του νεοϊδρυθέντος Ινστιτούτου Βιοκαινοτομίας του Ερευνητικού Κέντρου Βιοϊατρικών Επιστημών «Αλέξανδρος Φλέμινγκ» (ΕΚΕΒΕ «Φλέμινγκ») και Συνεργαζόμενου Ερευνητή του Ινστιτούτου Χημικής Βιολογίας στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών (ΕΙΕ), Γεωργίου Σκρέτα, όπου μέσα από το πρόγραμμα TWIN4PROMIS τα δυο εργαστήρια ενώνουν τις προσπάθειές τους για να ανακαλύψουν νέα φάρμακα για τη θεραπεία ασθενειών.
Λίγα λόγια για τον καθηγητή Σωτήρη Καμπράνη
Ο Σωτήρης Καμπράνης σπούδασε Χημεία στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο και Βιοχημεία στο Πανεπιστήμιο του Sussex στο Ηνωμένο Βασίλειο. Απέκτησε το διδακτορικό του στη Βιοχημεία στο Πανεπιστήμιο του Leicester στο Ηνωμένο Βασίλειο, όπου μελέτησε τον μηχανισμό των τοποϊσομερασών του DNA και πραγματοποίησε τη μεταδιδακτορική του εκπαίδευση στον μηχανισμό των ενζύμων τροποποίησης της χρωματίνης και στον ρόλο τους στον καρκίνο στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Tufts στη Βοστώνη των ΗΠΑ. Διορίστηκε Επίκουρος Καθηγητής στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης το 2013 και το 2016 μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, όπου εξελίχθηκε σε Καθηγητή το 2021.
*Σημείωση: Ο καθηγητής Σωτήρης Καμπράνης με την ομιλία του στο #ASF2024, με θέμα: «Από τη Συνθετική Βιολογία στην Πράσινη Μετάβαση», θα μας μυήσει στην διαδικασία παραγωγής πολλών πολύτιμων βιοϋλικών με πράσινο και βιώσιμο τρόπο. Παρασκευή 19 Απριλίου 2024 | INNOVATHENS | Ώρα: 19:00
