Έχει περάσει περισσότερο από ένας αιώνας από τότε που για πρώτη φορά εντοπίστηκαν παθολογικά πρωτεϊνικά «πακέτα» στους εγκεφάλους ασθενών με νευροεκφυλιστικές ασθένειες και όχι μόνο.
Αρκετές από αυτές τις ασθένειες συνδέθηκαν με την αδυναμία των πρωτεϊνών να αναδιπλωθούν σωστά ή να διατηρήσουν τη φυσική δομή τους στο χώρο, η οποία τις καθιστά μη λειτουργικές και ταυτόχρονα επιρρεπείς στη συσσώρευσή/συσσωμάτωσή τους σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου. Οι ερευνητές τώρα επιδίδονται στο κυνήγι θεραπευτικών λύσεων για ασθένειες συσσωμάτωσης, όπως το Αλτσχάιμερ και το Πάρκινσον, αλλά και ο καρκίνος.
Το γιατί συμβαίνει η συσσώρευσή/συσσωμάτωση και πώς αντιμετωπίζεται εξακολουθεί να παραμένει ένα επιστημονικό μυστήριο. Μέχρι τώρα, η μελέτη του φαινομένου ήταν μεν πολύ προκλητική, αλλά και ταυτόχρονα περιορισμένη εξαιτίας της απουσίας των κατάλληλων εργαλείων.
Τώρα, ερευνητές από το εργαστήριο του Έλληνα Καθηγητή στο Τμήμα Χημείας και Νανο-επιστήμης του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης και επισκέπτη καθηγητή στην Ιατρική σχολή του Χάρβαρντ, Νίκο Χατζάκη ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης που κυριολεκτικά «λύνει» τα χέρια των νευροεπιστημόνων!
Ο αλγόριθμος μπορεί να παρακολουθεί τη συσσώρευση των πρωτεϊνών κάτω από το μικροσκόπιο σε πραγματικό χρόνο. Συγκεκριμένα, μπορεί αυτόματα να χαρτογραφεί και να παρακολουθεί τα σημαντικά χαρακτηριστικά των συσσωρευμένων δομικών στοιχείων (βιομορίων) που προκαλούν Αλτσχάιμερ και άλλες νευροεκφυλιστικές διαταραχές, κάτι που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο.
Νίκος Χατζάκης
«Μέσα σε λίγα λεπτά ο αλγόριθμός μας απαντά σε μια πρόκληση που οι ερευνητές θα χρειάζονταν αρκετές εβδομάδες για να απαντήσουν. Μελετώντας πιο εύκολα μικροσκοπικές εικόνες συσσωρευμένων πρωτεϊνών, ελπίζουμε ότι θα προχωρήσουμε στην κατανόηση των νευροεκφυλιστικών διαταραχών και μακροπρόθεσμα, μέσω της παραγόμενης γνώσης θα οδηγηθούμε σε νέες θεραπείες για αυτές», λέει ο καθηγητής Νίκος Χατζάκης, ο οποίος μαζί με τον Δρα Jacob Kæstel-Hansen από το τμήμα Χημείας, ηγήθηκαν της ερευνητικής ομάδας πίσω από τον αλγόριθμο.
Μικροσκοπικές πρωτεΐνες ανιχνεύονται σε χρόνο μηδέν
Η αλληλεπίδραση και η ανταλλαγή ενώσεων και σημάτων μεταξύ πρωτεϊνών και άλλων βιομορίων συμβαίνει δισεκατομμύρια φορές μέσα στα κύτταρά μας κατά τη διάρκεια φυσικών διαδικασιών που επιτρέπουν στο σώμα μας να λειτουργεί. Αλλά όταν συμβαίνουν σφάλματα, οι πρωτεΐνες και τα άλλα βιομόρια μπορούν να συσσωρευτούν/συσσωματωθούν με τρόπους που παρεμποδίζουν την ικανότητά τους να λειτουργούν όπως προβλέπεται. Μεταξύ άλλων, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε νευροεκφυλιστικές διαταραχές στον εγκέφαλο και σε καρκίνο.
Ο αλγόριθμος μηχανικής μάθησης των ερευνητών, που ονομάζεται SEMORE και που παρουσιάστηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications, μπορεί να εντοπίσει συστάδες πρωτεϊνών σε κλίμακα μέχρι ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου σε εικόνες μικροσκοπίας. Ταυτόχρονα, μπορεί να μετρήσει και στη συνέχεια να ομαδοποιήσει συστάδες πρωτεϊνών ανάλογα με το σχήμα και το μέγεθός τους, παρακολουθώντας παράλληλα την εξέλιξή τους με την πάροδο του χρόνου. Ο αλγόριθμος καταγράφει εγγενείς δομικές παραλλαγές και μορφολογική ποικιλομορφία σε διαφορετικούς τύπους δομών ή ακόμα και στον ίδιο τύπο δομών. Η εμφάνιση των συστάδων των βιομορίων μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στη λειτουργία τους και στο πώς συμπεριφέρονται στον οργανισμό.
«Τα συσσωματώματα των πρωτεϊνών φαίνονται στο μικροσκόπιο να έχουν διαφορετικές δομές, όπως για παράδειγμα εμφανίζονται ως νήματα ή ως σφαιρικές δομές. Το σχήμα τους δε, ποικίλει ανάλογα με την διαταραχή που προκαλούν. Όπως αντιλαμβάνεστε για να μετρήσει κάποιος αυτές τις χιλιάδες δομές με το χέρι-αν δεν είναι αδύνατο-χρειάζεται πάρα πολύ χρόνο. Αν δούμε, παρακολουθήσουμε, ποσοτικοποιήσουμε και περιγράψουμε πώς μοιάζουν και πώς εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου αυτά τα συσσωματώματα, τότε θα έχουμε πετύχει την πλήρη κατανόησή τους. Καμία άλλη μέθοδος δεν μπορεί να το κάνει αυτό τόσο αυτόματα και τόσο αποτελεσματικά», συμπληρώνει ο καθηγητής Χατζάκης
Εργαλεία ελεύθερα διαθέσιμα σε όλους
Οι ερευνητές του Τμήματος Χημείας χρησιμοποιούν τώρα τον αλγόριθμο για τη διεξαγωγή πειραμάτων με μόρια ινσουλίνης. Η ομάδα του καθηγητή Χατζάκη με μια μέθοδο που έχει αναπτύξει, έχει καταφέρει να δει πως τοποθετείται μια-μια από τις ινσουλίνες μέσα στα κύτταρα, 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.
«Το νέο μας εργαλείο μάς επιτρέπει να δούμε πώς αυτά τα συσσωματώματα της ινσουλίνης επηρεάζονται από τις ενώσεις που προσθέτουμε. Με αυτόν τον τρόπο, το μοντέλο μπορεί να μας βοηθήσει να καταλάβουμε πώς να σταματήσουμε τη χορήγησή τους ή πώς να τις κάνουμε λιγότερο επικίνδυνες ή σε πιο σταθερές», εξηγεί ο Έλληνας καθηγητής.
Η ομάδα των ερευνητών βλέπει μεγάλες δυνατότητες στη χρήση του αλγορίθμου για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων μόλις τα μικροσκοπικά δομικά στοιχεία αναγνωριστούν με σαφήνεια. «Καθώς άλλοι ερευνητές σε όλο τον κόσμο θα αρχίζουν να χρησιμοποιούν τον αλγόριθμό μας πιστεύουμε πως σε βάθος χρόνου θα δημιουργηθεί μια μεγάλη βιβλιοθήκη με δομές μορίων και πρωτεϊνών που σχετίζονται με διάφορες διαταραχές και γενικά με τη βιολογία. Αυτό θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τις ασθένειες και να προσπαθήσουμε να τις σταματήσουμε», καταλήγει ο Έλληνας επιστήμονας.
Ο αλγόριθμος SEMORE είναι ελεύθερα διαθέσιμος στο διαδίκτυο ως ανοιχτός κώδικας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί από ερευνητές και από οποιονδήποτε άλλο εργάζεται για να κατανοήσει τη συσσώρευση πρωτεϊνών και άλλων μορίων.
Η συγκεκριμένη έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το NovoNordisk Foundation και είναι μέρος της γενικότερης έρευνας που διενεργείται στο Center for Optimized oligo escape and centro of disease στο οποίο ηγείται ο Έλληνας επιστήμονας.
