«Η επιστήμη σπάνια προχωρά με θεαματικές ανατροπές. Συνήθως κινείται με μικρές, αθόρυβες διορθώσεις του γνωστού. Γι’ αυτό και η πρόσφατη δημοσίευση στο Science που περιγράφει έναν νέο τρόπο σύνθεσης DNA από βακτήρια, προκαλεί τόσο μεγάλο ενδιαφέρον. Όχι επειδή “κατέρριψε” τη μοριακή βιολογία, όπως βιαστικά ειπώθηκε, αλλά επειδή ‘φωτίζει’ κάτι βαθύτερο, το πόσο ατελής παραμένει η κατανόησή μας για τους μηχανισμούς της ζωής», μου λέει ο Καθηγητής Μοριακής Βιολογίας Συστημάτων στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης και Διευθυντής Ερευνών στο Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας του ΙΤΕ, Νεκτάριος Ταβερναράκης.
Και κάπως έτσι ξεκινάει η συζήτηση μαζί του για τον εντελώς απρόσμενο μηχανισμό δημιουργίας DNA που έφερε στο φως πρόσφατα μια ομάδα επιστημόνων, ο οποίος ανατρέπει μια από τις θεμελιώδεις αρχές της βιολογίας, κατά την οποία ένα ένζυμο ξετυλίγει τη διπλή έλικα του μορίου και ένα άλλο (πολυμεράση) «χτίζει» τη συμπληρωματική του αλυσίδα ακολουθώντας πιστά τους κανόνες σύζευξης των βάσεων («γραμμάτων» του). Η νέα έρευνα δείχνει ότι η ζωή μπορεί να παρακάμψει αυτόν τον κανόνα.
Αυτό που περιγράφεται στη μελέτη είναι ένα βακτηριακό αμυντικό σύστημα, γνωστό ως DRT3, το οποίο προστατεύει τα βακτήρια από ιούς που τα μολύνουν (βακτηριοφάγους). Το σύστημα αυτό χρησιμοποιεί έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο για να συνθέσει DNA. Αντί να βασίζεται σε πρότυπο νουκλεϊκού οξέος, αξιοποιεί τη δομή μιας πρωτεΐνης.
«Εδώ όμως δεν μιλάμε για μια γενετική πληροφορία με τη συμβατική έννοια, αλλά για μια δομική λογική που καθοδηγεί τη σύνθεση. Πρόκειται για μια εντυπωσιακή βιοχημική επινόηση της φύσης!», ξεκαθαρίζει ο καθηγητής Ταβερναράκης.
Στη διαδικασία εμπλέκονται δύο ένζυμα. Το ένα λειτουργεί με τον κλασικό τρόπο, χρησιμοποιώντας RNA ως πρότυπο για να δημιουργήσει μια μονόκλωνη αλυσίδα DNA και το άλλο, ένα εξαιρετικά ασυνήθιστο ένζυμο που ονομάζεται Drt3b κατασκευάζει τη συμπληρωματική αλυσίδα χρησιμοποιώντας ως «οδηγό» τα ίδια του τα αμινοξέα. Με άλλα λόγια, η ίδια η πρωτεΐνη λειτουργεί ως «καλούπι» για τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης, επαναλαμβανόμενης αλληλουχίας DNA.
Η ανακάλυψη έχει προκαλέσει έντονο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα. Ορισμένοι ερευνητές τη χαρακτηρίζουν «κομβική», καθώς φαίνεται να μετατοπίζει εννοιολογικά το καθιερωμένο «κεντρικό δόγμα της βιολογίας», σύμφωνα με το οποίο η γενετική πληροφορία ρέει από το DNA προς τις πρωτεΐνες και όχι το αντίστροφο. Άλλοι ωστόσο αμφισβητούν την ιδέα «ανατροπής» του δόγματος υποστηρίζοντας ότι η συγκεκριμένη αλληλουχία DNA δεν ενσωματώνεται στο γονιδίωμα του βακτηρίου.
Ο Έλληνας επιστήμονας συνιστά ψυχραιμία: «Χρειάζεται ψυχραιμία απέναντι στον ενθουσιασμό. Δεν ανατράπηκε το “κεντρικό δόγμα” της μοριακής βιολογίας. Δεν είδαμε πρωτεΐνες να γράφουν ελεύθερα νέα γονιδιώματα. Το σύστημα παράγει ένα πολύ συγκεκριμένο, επαναλαμβανόμενο μοτίβο DNA, όχι απεριόριστη γενετική πληροφορία. Και όμως, ακριβώς αυτή η εξειδικευμένη εξαίρεση είναι που έχει αξία».
Η σημασία της ανακάλυψης
Παρά τον ενθουσιασμό αλλά και τις επιφυλάξεις, η σημασία της ανακάλυψης είναι ευρύτερη. Το σύστημα DRT3 φαίνεται να είναι διαδεδομένο σε πολλά βακτήρια, γεγονός που υποδηλώνει ότι δεν αποτελεί μια σπάνια βιοχημική ιδιομορφία. Ωστόσο, ο ακριβής τρόπος με τον οποίο προστατεύει τα βακτήρια από τους ιούς παραμένει άγνωστος. Μία πιθανή εξήγηση είναι ότι οι ιδιαίτερες αυτές δομές DNA λειτουργούν σαν «μοριακά σφουγγάρια», δεσμεύοντας συστατικά των ιών και εμποδίζοντας τη δράση τους ή σηματοδοτώντας την παρουσία τους στο ανοσοποιητικό σύστημα του βακτηρίου.
«Αξίζει να δούμε το εξελικτικό πλαίσιο. Η ικανότητα μιας πρωτεΐνης να συνθέτει DNA χωρίς κάποιο άλλο νουκλεϊκό οξύ ως εκμαγείο γεννήθηκε μέσα από τον αόρατο πόλεμο βακτηρίων και βακτηριοφάγων, έναν πόλεμο δισεκατομμυρίων ετών. Από αυτή την αδιάκοπη εξελικτική σύγκρουση προέκυψε κάποτε το διάσημο πλέον σύστημα CRISPR. Τώρα ίσως προκύπτει άλλο ένα εργαλείο. Ίσως το σημαντικότερο μήνυμα της εργασίας δεν είναι η αποκάλυψη αυτού καθαυτού του μηχανισμού του Drt3b, αλλά η υπενθύμιση ότι η βιολογία ακόμα και των απλούστερων οργανισμών μπορεί να κρύβει εκπλήξεις και άγνωστες πτυχές», σημειώνει ο καθηγητής Ταβερναράκης.
Η μελέτη αναδεικνύει επίσης έναν νέο ρόλο για τα ένζυμα που ονομάζονται αντίστροφες μεταγραφάσες, γνωστά κυρίως από ρετροϊούς όπως ο HIV, οι οποίοι τα χρησιμοποιούν για να μετατρέπουν το RNA τους σε DNA και να ενσωματώνονται στο γονιδίωμα των κυττάρων που μολύνουν. Τα τελευταία χρόνια, έχει γίνει σαφές ότι αυτά τα ένζυμα είναι εξαιρετικά ευέλικτα και έχουν «επιστρατευθεί» επανειλημμένα από τη φύση για λειτουργίες πέρα από την απλή αντιγραφή γενετικού υλικού.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι το DRT3 θα μπορούσε να βρει εφαρμογές και στη βιοτεχνολογία, όπως συνέβη και με το σύστημα CRISPR, το οποίο επίσης προήλθε από βακτηριακούς αμυντικούς μηχανισμούς και σήμερα αποτελεί ισχυρό εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας. Αν καταστεί δυνατό να τροποποιηθεί το ένζυμο Drt3b ώστε να παράγει διαφορετικές αλληλουχίες DNA, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία «κατά παραγγελία» μορίων, ακόμη και για προηγμένα βιοϋλικά όπως υδρογέλες DNA.
«Δεν είναι τυχαίο ότι ήδη συζητούνται πιθανές εφαρμογές, από πρωτεϊνικά προγραμματιζόμενη σύνθεση DNA μέχρι την δημιουργία ειδικών βιοϋλικών. Όπως με το CRISPR, η απόσταση από ένα παράξενο βακτηριακό τέχνασμα έως μια βιοτεχνολογική επανάσταση μπορεί να είναι μικρότερη απ’ όσο φαίνεται. Ασφαλώς χρειάζεται προσοχή. Η ιστορία της βιοτεχνολογίας είναι γεμάτη υπερβολές. Αλλά η δυνατότητα να αξιοποιηθούν τέτοιες “μοριακές μηχανές” δεν είναι επιστημονική φαντασία, είναι ο τρόπος που συχνά προχωρά η σύγχρονη βιολογία», αναφέρει ο διακεκριμένος Έλληνας επιστήμονας.
Ο ίδιος στέκεται και σε μια πιο φιλοσοφική διάσταση: «Σε μια εποχή όπου η τεχνητή νοημοσύνη, η γενετική μηχανική και η συνθετική βιολογία μας κάνουν να μιλάμε συχνά για τον έλεγχο της ζωής, τέτοιες ανακαλύψεις λειτουργούν ως μάθημα ταπεινότητας. Αποκαλύπτουν ότι η ζωή εξακολουθεί να εφευρίσκει χημικές λύσεις που δεν είχαμε καν φανταστεί. Όσο περισσότερο ερευνούμε τα πιο μικρά και “ταπεινά” όντα, τόσο περισσότερο διαπιστώνουμε ότι η βιολογία δεν είναι ένα κλειστό βιβλίο, αλλά ένα χειρόγραφο που συνεχίζει να γράφεται».
Σε αυτό συμφωνούν και οι ερευνητές της μελέτης, οι οποίοι τονίζουν πως τα βακτήρια κρύβουν ένα τεράστιο «σκοτεινό» πεδίο βιολογικών λειτουργιών που δεν έχουν μελετηθεί. Και με πολλά αμυντικά τους συστήματα να παραμένουν ανεξερεύνητα, οι επιστήμονες θεωρούν πιθανό ότι στο μέλλον θα αποκαλυφθούν ακόμη πιο ασυνήθιστοι και απρόβλεπτοι μηχανισμοί της ζωής.
«Ίσως λοιπόν το συμπέρασμα για αυτή τη δημοσίευση δεν είναι ότι ξαναγράφει τα σχολικά βιβλία, αλλά ότι ανοίγει ένα παράθυρο σε κάτι μεγαλύτερο: στην ιδέα πως οι θεμελιώδεις διεργασίες της ζωής παραμένουν πιο δημιουργικές, πιο ευέλικτες και πιο ανεξερεύνητες απ’ όσο πιστεύαμε. Και σε μια εποχή όπου συχνά θεωρούμε ότι τα μεγάλα επιστημονικά θαύματα έχουν ήδη ανακαλυφθεί, αυτό από μόνο του είναι μια είδηση βαθιά αισιόδοξη!», καταλήγει ο Έλληνας επιστήμονας.
