Οι πρωτεΐνες είναι οι κινητήριες δυνάμεις των βιολογικών συστημάτων. Εκτελούν σχεδόν κάθε σημαντική λειτουργία στους ζωντανούς οργανισμούς, αποθηκεύουν, αντιγράφουν και προστατεύουν το DNA μας, χωνεύουν την τροφή για να μας δώσουν ενέργεια και αξιοποιούν αυτήν την ενέργεια για να λειτουργήσουν τα κύτταρα και οι μύες μας.
Φανταστείτε όμως να μπορούσαν οι επιστήμονες να σχεδιάσουν πρωτεΐνες κατά παραγγελία και να δημιουργήσουν ακόμη πιο ευέλικτα μοριακά εργαλεία για την επιστήμη, την τεχνολογία και την υγειονομική περίθαλψη.
Στην ουσία, αυτό ακριβώς είναι το νόημα του σχεδιασμού πρωτεϊνών. Πρόκειται για έναν αναπτυσσόμενο τομέα που επιτρέπει στους επιστήμονες να δημιουργούν εντελώς νέες πρωτεΐνες -συμπεριλαμβανομένων εκείνων που η ίδια η φύση δεν έχει εξερευνήσει- και να τις προσαρμόζουν κατάλληλα για να δώσουν λύση σε συγκεκριμένες προκλήσεις.
Ο σχεδιασμός πρωτεϊνών θα μπορούσε να οδηγήσει σε τεχνητές πρωτεΐνες που είναι ικανές να ανιχνεύουν ασθένειες, καθώς και σε άλλες που θα θεραπεύουν αυτές τις ασθένειες απευθείας στο σώμα. Θα μπορούσε επίσης να παράγει πρωτεΐνες με βιομηχανικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα πρωτεΐνες για πιο οικολογική παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων ή για διάσπαση πλαστικών και άλλων ρύπων.
Σε αυτόν τον αναπτυσσόμενο τομέα φιλοδοξεί να ηγηθεί ένα νέο Κέντρο Σχεδιασμού Πρωτεϊνών (Center for Protein Design, CPD) στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, το οποίο πρόσφατα έλαβε επιχορήγηση 95 εκατομμυρίων ευρώ περίπου από το Ίδρυμα Novo Nordisk.
Κόμβος για τον σχεδιασμό πρωτεϊνών
Το νέο Κέντρο Σχεδιασμού Πρωτεϊνών του Ιδρύματος Novo Nordisk θα εγκαινιαστεί τον ερχόμενο Αύγουστο, σηματοδοτώντας την έναρξη μιας φιλόδοξης προσπάθειας που θα «γεφυρώσει» τη σχολή θετικών επιστημών με της υγείας για να δημιουργήσει έναν κορυφαίο κόμβο (hub) για τον σχεδιασμό πρωτεϊνών παγκοσμίως.
Επικεφαλής του Κέντρου θα είναι ο Dek Woolfson, ένας παγκοσμίου φήμης επιστήμονας στο συγκεκριμένο πεδίο. Ο Dek Woolfson προέρχεται από το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, όπου έχει πρωτοπορήσει στον σχεδιασμό πρωτεϊνών και έχει ηγηθεί πρωτοβουλιών όπως η BrisSynBio, ένα Κέντρο Έρευνας Συνθετικής Βιολογίας.
«Τα μεγάλα άλματα στην κατανόηση των πρωτεϊνών και στον υπολογιστικό σχεδιασμό, συμπεριλαμβανομένης της Τεχνητής Νοημοσύνης, που έχουν γίνει πρόσφατα μας προσφέρουν τα εργαλεία για να ξεκινήσουμε τον σχεδιασμό τεχνητών πρωτεϊνών με σιγουριά, και με δυνατότητες που δείχνουν σχεδόν άπειρες», σχολιάζει ο Dek Woolfson σε σχετικό δελτίο τύπου.
«Ωστόσο, υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει πριν αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητες του σχεδιασμού πρωτεϊνών. Το CPD θα διαδραματίσει βασικό ρόλο σε αυτό, συμπεριλαμβανομένης της προώθησης της βασικής έρευνας και της μετάφρασής της σε εφαρμογές της πραγματικής ζωής. Στόχος μας είναι παράλληλα, να εκπαιδεύσουμε την επόμενη γενιά ερευνητών από βιοχημικούς, χημικούς και επιστήμονες υπολογιστών έως φαρμακοποιούς και σχεδιαστές φαρμάκων, σε αυτόν τον κρίσιμο τομέα και, τελικά, να δημιουργήσουμε ένα δυναμικό HUB για τον σχεδιασμό πρωτεϊνών εδώ στην Ευρώπη».
Αξίζει να σημειωθεί πως το Νόμπελ Χημείας του 2024 απονεμήθηκε σε δυο ερευνητές (John Jumper και Demis Hassabis) τεχνητής νοημοσύνης (AI) που βοήθησαν στην αποκρυπτογράφηση του κώδικα που συνδέει την αλληλουχία μιας πρωτεΐνης με την τρισδιάστατη δομή της και σε έναν βιοχημικό (David Baker) που, μαζί με πολλούς άλλους, έδειξε ότι είναι δυνατό να σχεδιαστούν πρωτεΐνες από την αρχή χρησιμοποιώντας υπολογιστές. Σε αυτό το έργο θα βασιστούν τώρα ο Dek Woolfson και το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης για να ανοίξουν ένα εντελώς νέο κεφάλαιο στην ιστορία της επιστήμης.
Νέες δυνατότητες για λύση παγκοσμίων προκλήσεων
Οι πρωτεΐνες είναι μεγάλα μόρια που μοιάζουν με αλυσίδα, αποτελούμενα από δομικά στοιχεία που ονομάζονται αμινοξέα. Στη φύση υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα και η σειρά τους κατά μήκος της αλυσίδας (η πρωτεϊνική αλληλουχία) καθορίζει το σχήμα μια πρωτεΐνης και, ακολούθως τη λειτουργία που αυτή επιτελεί.
«Ο σχεδιασμός πρωτεϊνών de novo ανοίγει δυνατότητες για εντελώς νέες λύσεις στις παγκόσμιες προκλήσεις - από την ανάπτυξη στοχευμένων φαρμάκων και εμβολίων έως βιώσιμων βιοϋλικών και ενζύμων που θα μπορούσαν να αποικοδομήσουν τα μικροπλαστικά», προσθέτει στο Dnews ο καθηγητής στο τμήμα χημείας του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης και διευθυντής του κέντρου NNF for Optimized Oligo Escape and Control of Disease (COE), Νίκος Χατζάκης, ο οποίος θα είναι ένας από τους πρώτους ερευνητές που θα συνδεθεί με το κέντρο για θα συμβάλλει κομβικά, με τη χρήση των υπερσύγχρονων μικροσκοπίων του, στην κατανόηση της κίνησης και της δράσης των νέων πρωτεϊνών μέσα στο κύτταρο.
Όπως λέει ο ίδιος, δεν υπάρχει ακόμη αρκετή κατανόηση του τρόπου δυναμικής κίνησης των πρωτεϊνών που καθορίζει τη δραστικότητα και την εκλεκτικότητα τους. Η βασική γνώση της χημείας και της φυσικής που εμπλέκονται στις πρωτεΐνες θα αποτελέσει επομένως μια πρώιμη στοχευμένη προσπάθεια του CPD, μαζί με την προσπάθεια κατανόησης της συμπεριφοράς των πρωτεϊνών σε συγκεκριμένες συνθήκες και περιβάλλοντα.
«Το CPD θα σχεδιάσει νέες πρωτεΐνες με συγκεκριμένες ιδιότητες που θα λειτουργούν υπό τις επιθυμητές συνθήκες», προσθέτει ο Dek Woolfson. «Για να το πετύχουμε αυτό, θα αναπτύξουμε και θα χρησιμοποιήσουμε τις πιο πρόσφατες υπολογιστικές μεθόδους, συμπεριλαμβανομένης της γενετικής τεχνητής νοημοσύνης».
Το CPD θα λειτουργεί κυρίως μεταξύ του Τμήματος Βιολογίας και του Τμήματος Σχεδιασμού και Φαρμακολογίας στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, και με πρόσθετες δραστηριότητες στα Τμήματα Χημείας και Επιστήμης Υπολογιστών. Εκτός από μια ισχυρή βασική ομάδα έμπειρων ερευνητών θα φιλοξενεί και θα εκπαιδεύει μεγάλο αριθμό διδακτορικών φοιτητών και μεταδιδακτορικών ερευνητών, ενώ θα είναι επίσης ανοιχτό σε επισκέπτες ερευνητές από ολόκληρο τον κόσμο.
