Πιο κοντά και πιο φθηνή για όλους η κατανόηση των ασθενειών με το γρήγορο «διάβασμα» του DNA

O Βρετανός επιστήμονας Shankar Balasubrmanian που δημιούργησε μια από τις πιο γρήγορες και πιο φθηνές επιστημονικές τεχνολογίες (NGS) αλληλούχισης του ανθρώπινου γονιδιώματος, μιλά αποκλειστικά στο Dnews.

Ένα ζεστό βράδυ του Αυγούστου του 1997 δυο διψασμένοι χημικοί από το πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ ο Shankar Balasubramanian και ο David Klenerman συναντήθηκαν στην τοπική τους παμπ “Panton Arms” για μια μπύρα. Πάνω στη συζήτηση έριξαν στο τραπέζι ιδέες για την παρακολούθηση της πολυμεράσης DNA

(ένζυμο) την ώρα που συναρμολογεί τα δομικά στοιχεία της ζωής. Ο Sir Shankar Balasubramanian κατέγραψε στο ημερολόγιο του εκείνη την ημερομηνία ως “The Solexa Idea Day!”…

Αυτά διαβάζω στο διαδίκτυο το πρωινό της 9ης Νοεμβρίου λίγο πριν μπω στο αμφιθέατρο του πολιτιστικού κέντρου Radyalsystem που βρίσκεται στις όχθες του ποταμού Spree, στο ανατολικό Βερολίνο, για να ακούσω τον καθηγητή Ιατρικής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, Sir Shankar Balasubramanian. Είναι ένα από τα “Φωτεινά μυαλά του πλανήτη” που συμμετέχουν ως προσκεκλημένοι ομιλητές στο ετήσιο επιστημονικό συνέδριο Falling Walls Summit 2022, στο Βερολίνο, αλλά και αποδέκτης του μεγαλύτερου επιστημονικού βραβείου στον κόσμο “Science Breakthrough 2022” στην κατηγορία “Life Sciences”, γιατί ανέπτυξε την μέθοδο αλληλούχισης DNA επόμενης γενιάς (Next Generation Sequence, NGS). Η μέθοδος, για τη σημαντικότητά της, παραλληλίστηκε με την ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA από τους Crick &Watson το 1953 και το όνομά του καθηγητή μπήκε στη λίστα με τα φαβορί για βραβείο Nόμπελ. Δυστυχώς όμως οι προβλέψεις για φέτος δεν επαληθεύτηκαν.

Η NGS μεταμόρφωσε την υγειονομική περίθαλψη, γιατί βοήθησε τους ερευνητές να κατανοήσουν τη γενετική βάση πολλών ασθενειών (ιδιαίτερα του καρκίνου), να αναπτύξουν νέα διαγνωστικά εργαλεία και φάρμακα και να σχεδιάσουν εξατομικευμένες θεραπείες. Εκτός από τις ιατρικές εφαρμογές, η τεχνολογία έχει σημαντικό αντίκτυπο σε όλη τη βιολογία, καθώς επιτρέπει τη σαφή γενετική αναγνώριση χιλιάδων οργανισμών σε σχεδόν οποιοδήποτε είδος δείγματος.

Μια «επανάσταση» στην Ιατρική

Εκείνο το καλοκαιρινό βράδυ οι ιδέες των χημικών Balasubramanian και Klenerman για μια νέα προσέγγιση στον προσδιορισμό της αλληλουχίας του DNA που άρχισαν να ζυμώνονται, επικεντρώθηκαν στην παρακολούθηση της κίνησης της DNA πολυμεράσης, οπτικοποιώντας μεμονωμένα μόρια καθώς ενσωματώνουν νουκλεοτίδια (δομικά στοιχεία του DNA) βήμα προς βήμα σε μια στερεή επιφάνεια. Οι δυο επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι αν μπορούσαν να παρακολουθήσουν το ένζυμο να αντιγράφει ένα γονιδίωμα, τότε θα διάβαζαν άθελά τους και το γονιδίωμα. Ουσιαστικά, είχαν ανακαλύψει έναν ριζικά νέο τρόπο αλληλούχισης του DNA.

Courtesy of Illumina, Inc.

Οι ιδέες τους προχώρησαν γρήγορα και μαζί τους κάτι ακόμα πιο συναρπαστικό. Οι επιστήμονες ίδρυσαν γρήγορα μια εταιρεία-«τεχνοβλαστό» για να κάνουν την τεχνολογία τους ευρύτερα διαθέσιμη, την οποία ο Balasubramanian ονόμασε “Solexa” από το “sol” (φως), αλλά και το “solo”, που παραπέμπει σε μεμονωμένα μόρια DNA, και μετά από λίγα χρόνια έφεραν μια «επανάσταση» στην Ιατρική. «Είδαμε νωρίς τη δυναμική της ιδέας μας και την εξελίξαμε γρήγορα σε ένα ολόκληρο σύστημα για να μπορούν να δουλέψουν και άλλοι, πράγμα που είναι δύσκολο να γίνει μέσα σε ένα ακαδημαϊκό σύστημα», σχολιάζει ο ίδιος, συμπληρώνοντας πως τον Νοέμβριο του 2006 ο αμερικανικός γίγαντας Illumina εξαγόρασε την τεχνολογία με μια συμφωνία συνολικής αξίας $ 600 εκατομμυρίων.

Παρότι το «διάβασμα» ενός ανθρώπινου γονιδιώματος διήρκεσε πάνω από 10 χρόνια κοστίζοντας περισσότερα από 1 $ δις., σήμερα, μπορεί να επιτευχθεί μέσα σε μια μέρα με κόστος $ 1.000. Η NGS που εφηύραν οι δυο επιστήμονες για την ανάγνωση, του μοναδικού για τον καθένα μας γενετικού κώδικα, στον οποίο οφείλουμε αυτό που είμαστε, είναι 10 εκατομμύρια φορές ταχύτερη από αυτήν που χρησιμοποιήθηκε στο έργο του ανθρώπινου γονιδιώματος στις αρχές του αιώνα. Η NGS επιτρέπει στους επιστήμονες την ανάλυση ολόκληρου του ανθρώπινου γονιδιώματος σε μια μόνο δοκιμασία προσδιορισμού αλληλουχίας, αλλά και το «διάβασμα» σε κλίμακα περισσότερων από 1 εκατομμύριο γονιδιωμάτων μέσα σε έναν χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν τις ασθένειες πολύ πιο γρήγορα και καλύτερα.

Στο Βιβλίο Ρεκόρ Γκίνες αναφέρεται ο χρόνος των 20 ωρών και 10 λεπτών ως η ταχύτερη γενετική διάγνωση που έκανε μια ομάδα αμερικανών γιατρών διαβάζοντας με έναν προσδιοριστή αλληλουχίας DNA της Illumina, τρία δισεκατομμύρια βάσεις του γονιδιώματος ενός παιδιού, συν τα γονιδιώματα και των δύο γονιών, και εντοπίζοντας το σφάλμα που προκάλεσε τη σπάνια γενετική τους διαταραχή. Σήμερα, το μηχάνημα προσδιορισμού αλληλουχίας με τη μεγαλύτερη χωρητικότητα στον πλανήτη, το NovaSeq 6000 της Illumina, μπορεί να «διαβάσει» 48 ανθρώπινα γονιδιώματα σε 2 μόλις ημέρες!

{https://www.youtube.com/watch?v=m7uN-N0dDcQ&t=190s}

Το επόμενο μεγάλο ορόσημο στο «διάβασμα» του DNA είναι η αλληλούχιση ενός γονιδιώματος με κόστος $100, το οποίο φυσικά αποτελεί στόχο του καθηγητή. «Σήμερα “διαβάζουμε” το ανθρώπινο γονιδίωμα σε λιγότερο από μία ημέρα με χαμηλό κόστος. Αυτό έχει ουσιαστικά «εκδημοκρατίσει» την αλληλούχιση σε σημείο που ακόμη και πολύ μικρά εργαστήρια μπορούν να έχουν ένα μηχάνημα NGS. Αυτός ο εκδημοκρατισμός διευρύνει τον αντίκτυπο της αλληλούχισης σε όλα τα πεδία. Επιπλέον, εάν το κόστος πέσει στα 100 $ ανά γονιδίωμα, καθίσταται οικονομικά βιώσιμο το “διάβασμα” του DNA ενός ολόκληρου πληθυσμού, που πρακτικά μπορεί να γίνεται ως μέρος των προληπτικών ελέγχων υγείας με βάση το αίμα», υποστηρίζει ο επιστήμονας.

Η μέθοδος NGS αποδείχτηκε κρίσιμη στον αγώνα της ανθρωπότητας κατά της Covid-19. Η τεχνολογία Illumina υποστήριξε την επιτήρηση του κορωνοϊού παγκοσμίως, ενώ παρείχε αλληλούχιση 35.000 ανθρώπινων γονιδιωμάτων ως μέρος μιας μελέτης σε ολόκληρο το Ηνωμένο Βασίλειο. Η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση του ιού και των παραλλαγών του (οδηγώντας στην δημιουργία εμβολίων), ιδίως από το COVID-19 Genomics UK Consortium (COG-UK), στο οποίο συμμετείχαν το Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ και το Ινστιτούτο Sanger, αλλά και για την αλληλούχιση των γονιδιωμάτων ασθενών με κορωνοϊό στην προσπάθεια κατανόησης γιατί ορισμένοι νοσούν βαριά ενώ η πλειοψηφία εμφανίζει ελαφριά ή μέτρια λοίμωξη.

Τεχνολογία με μεγάλη δυναμική μετασχηματισμού

Η NGS που εισήχθη για εμπορική χρήση στην αγορά το 2005, ονομάστηκε αρχικά «μαζική παράλληλη αλληλούχιση», επειδή επέτρεψε την ταυτόχρονη ανάλυση πολλών κλώνων DNA, αντί για έναν κάθε φορά όπως γίνεται στην παραδοσιακή αλληλούχιση κατά Sanger. «Ο αντίκτυπος και το εύρος της χρησιμότητας αυτής της τεχνολογίας ξεπέρασε κατά πολύ τη φαντασία μου. Περίμενα ότι η αλληλούχιση γονιδίων σε κλίμακα είχε τη δυναμική να μετασχηματίσει το πεδίο, αλλά όχι τόσο γρήγορα. Αυτό με εξέπληξε. Το πόσο γρήγορα απέκτησε κυρίαρχο ρόλο, το πόσο επηρεάζει όλους τους τομείς των επιστημών της ζωής και πόσο ευρεία εφαρμογή έχει. Και αυτό οφείλεται στον εκδημοκρατισμό της. Αν δημιουργήσεις μια μέθοδο και την εκδημοκρατίσεις, η ίδια η χρήση της θα αυξήσει τις εφαρμογές», λέει ο καθηγητής περιγράφοντας πως η μέθοδος NGS συνίσταται τον κατακερματισμό του δείγματος DNA σε πολλά μικρά κομμάτια που ακινητοποιούνται στην επιφάνεια ενός τσιπ. Κάθε θραύσμα στη συνέχεια αποκωδικοποιείται, βάση προς βάση, χρησιμοποιώντας φθορίζοντα νουκλεοτίδια που προστίθενται από το ένζυμο DNA πολυμεράση.

Balasubramanian Group

Ανιχνεύοντας με έναν ανιχνευτή φθορισμού τα χρωματικά κωδικοποιημένα νουκλεοτίδια που ενσωματώνονται σε κάθε θέση στο τσιπ και επαναλαμβάνοντας αυτόν τον κύκλο εκατοντάδες φορές «διαβάζεται» η αλληλουχία DNA κάθε θραύσματος. Τα δεδομένα στη συνέχεια αναλύονται χρησιμοποιώντας ένα εξελιγμένο λογισμικό για να συναρμολογηθεί η πλήρης αλληλουχία DNA από την αλληλουχία των θραυσμάτων. «Η πρότασή μας ήταν να στερεώσουμε έναν κλώνο DNA σε μια επιφάνεια και να χρησιμοποιήσουμε την DNA πολυμεράση για να δημιουργήσουμε ένα νέο αντίγραφο χρησιμοποιώντας έγχρωμα δομικά στοιχεία που θα μπορούσαμε να μετρήσουμε. Το κλειδί ήταν να γίνει αυτό μαζικά και παράλληλα. Και αυτό κάναμε», προσθέτει.

Διερευνώντας το μόριο της ζωής

Γεννημένος στη Νότια Ινδία ο Balasubramanian, μεγάλωσε στη βορειοδυτική Αγγλία και ονειρευόταν να γίνει επαγγελματίας ποδοσφαιριστής στην αγαπημένη του ομάδα, τη Λίβερπουλ. Ολοκλήρωσε τις βασικές του σπουδές στη Χημεία στο Παν. του Κέιμπριτζ και μετά το διδακτορικό του πέρασε μερικά χρόνια στις ΗΠΑ, μελετώντας τη μοριακή βιολογία των νουκλεϊκών οξέων, πριν επιστρέψει στο Κέιμπριτζ το 1994 με υποτροφία της Royal Society. «Όταν έφτασε η ώρα να επιλέξω τι να σπουδάσω ήμουν μεταξύ Ιατρικής και Χημείας. Επέλεξα τη Χημεία γιατί με ενδιέφεραν τα μόρια και μετά στράφηκα ειδικά στα μόρια της Βιολογίας. Θεώρησα ότι το DNA ήταν το πιο ενδιαφέρον μόριο από όλα. “Γιατί να μη σπαταλήσω το υπόλοιπο της ζωή μου μελετώντας το;” Αναρωτήθηκα». Σήμερα είναι επίσης, Ανώτερος Επικεφαλής Ομάδας στο Cancer Research UK Cambridge Institute και μέλος του Trinity College του Cambridge.

Ο καθηγητής έχει περάσει 30 χρόνια στο εργαστήριο για να κατανοήσει το DNA, εξετάζοντάς το σε μοριακό επίπεδο. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολύ εύκαμπτα μόρια και υιοθετούν διαφορετικές δομές. Στα ζωντανά συστήματα το DNA είναι σε μεγάλο βαθμό διπλό ελικοειδές και το RNA μονόκλωνο. Ωστόσο, αλληλουχίες πλούσιες σε μια αζωτούχα βάση, τη γουανίνη (G)-ένα από τα 4 γράμματα του αλφάβητου του DNA- μπορούν να εντοπιστούν σε εναλλακτικές δομικές μορφές γνωστές ως G-quadruplex (G-τετράπλευρα).

«Επιστρέφουμε στη βασική έρευνα και διερευνούμε τη τετραπλή ελικοειδή μορφή του DNA και τις επιπτώσεις της στη λειτουργία των γονιδίων και των κυττάρων, και αυτή είναι μια καινούργια γνώση». Μελέτες in vitro όσο και σε κύτταρα υποδεικνύουν ότι τα G-τετράπλευρα μπορεί να είναι σημαντικά για τον έλεγχο της μεταγραφής, της μετάφρασης και άλλων βασικών βιολογικών διεργασιών.

«Χρησιμοποιούμε τη χημική βιολογία, τη μοριακή βιοφυσική, τη δομική βιολογία, τη κυτταρική βιολογία και τη γονιδιωματική για να διερευνήσουμε μηχανισμούς που περιλαμβάνουν G-quadruplex με έμφαση στις στρατηγικές παρέμβασης για τον καρκίνο. Θεωρώ ότι τα καρκινικά κύτταρα είναι διαφορετικές καταστάσεις υγιών κυττάρων που προκύπτουν μετά από επαναπρογραμματισμό των λειτουργιών τους. Το 2014, διαπιστώσαμε ότι στους καρκίνους του ήπατος και του στομάχου ο ιστός είχε πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα G-quadruplex από έναν μη καρκινικό ιστό. Αυτό υποδηλώνει ότι υπάρχει σύνδεση μεταξύ των G-quadruplex και του είδους της λειτουργικής κατάστασης του κυττάρου», συμπληρώνει ο καθηγητής.

Όλα τα κύτταρα σε ένα σώμα έχουν την ίδια αλληλουχία DNA, αλλά ο τρόπος με τον οποίο ερμηνεύεται αυτή η αλληλουχία, το πώς ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται διαφορετικά γονίδια σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, ιστούς και όργανα ελέγχονται από τις επιγενετικές αλλαγές-κάποιες χημικές τροποποιήσεις- που έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό διαφορετικών τύπων κυττάρων.

Τον καθηγητή τον απασχολούν οι φυσικές επιγενετικές τροποποιήσεις των βάσεων (γραμμάτων του DNA) που οδηγούν σε νέες βάσεις με διαφορετικούς βασικούς ρυθμιστικούς ρόλους σε διάφορες κυτταρικές διεργασίες. Ο ίδιος τους αποδίδει τον χαρακτηρισμό του “κυτταρικού software” γιατί με τη δυναμική τους επηρεάζουν τον προγραμματισμό των κυττάρων.

Ένα από τα πιο μελετημένα επιγενετικά σημάδια είναι μια μικρή χημική τροποποίηση με προσθήκη μιας ομάδας μεθυλίου (αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και τρία άτομα υδρογόνου) στο DNA, η οποία απενεργοποιεί σχετικά γονίδια. Αυτό που χρειάζεται είναι μια μέθοδος αλληλούχισης που να διαβάζει απευθείας τέτοιες τροποποιήσεις, δηλαδή περισσότερα από τέσσερα γράμματα του αλφαβήτου του DNA. Τέτοιες τεχνολογίες αναμένεται να κυκλοφορήσουν από εταιρείες, όπως η “Cambridge Epigenetix” του καθηγητή. «Ελπίζουμε πως μέσα στην επόμενη χρονιά θα εκδημοκρατίσουμε μια τεχνολογία επιγενετικής αλληλούχισης 5 ή 6 γραμμάτων (επιγενετικών βάσεων) ταυτόχρονα», ανακοινώνει ο διαπρεπής επιστήμονας.

Πολυβραβευμένος επιστήμονας

Στις 18 Μαΐου 2021, οι Balasubramanian και Klenerman τιμήθηκαν από την Technology Academy Finland, με ένα από τα διασημότερα βραβεία επιστήμης και τεχνολογίας στον κόσμο, το “Millennium Technology Prize”, το οποίο συνοδεύεται από 1 εκατομμύριο ευρώ. Από τους 9 προηγούμενους νικητές του βραβείου, οι 3 κέρδισαν στη συνέχεια ένα Νόμπελ.

Courtesy of Illumina, Inc.

Νωρίτερα, το 2017, ο Sir Shankar ανακηρύχθηκε ιππότης στις τιμές της Πρωτοχρονιάς από τη Βασίλισσα Ελισάβετ Β’, ενώ το 2018 του απονεμήθηκε το Μετάλλιο της Βασιλικής Εταιρείας για τις υπηρεσίες του στην επιστήμη και την ιατρική. Όμως ο ίδιος έχει τη δική του οπτική για τα βραβεία: «Κάνουμε έρευνα γιατί μας ενδιαφέρει και όχι για να πάρουμε βραβεία και όταν αυτά έρχονται πρέπει να βραβεύουν την Επιστήμη και όχι τους επιστήμονες. Είναι ωραίο να βλέπεις να αναγνωρίζονται επιστημονικά πεδία και να προωθείται η Επιστήμη. Υπό αυτή την έννοια της προώθησης, τα βραβεία είναι μια καλή ευκαιρία».

Η συμβουλή που δίνει στους φοιτητές του ο καθηγητής είναι να σκέφτονται τα μεγάλα και όχι τα μικρά και να έχουν υπομονή. «Για κανέναν από μας δεν ήταν εύκολα στην αρχή. Προσωπικά θεωρώ πως η αποτυχία είναι απαραίτητη γιατί έτσι μαθαίνουμε, αλλά καλό είναι να αποτυγχάνουμε γρήγορα», προσθέτει ο ίδιος παροτρύνοντάς μας να αφιερώνουμε χρόνο στο να ονειρευόμαστε πώς μπορεί να αλλάξει ο κόσμος εξαιτίας μιας ιδέας μας. Αυτό φαίνεται πως κάνει και εκείνος κάθε πρωί που πηγαίνει στο Κέμπριτζ οδηγώντας ένα ξεχαρβαλωμένο παλιό ποδήλατο…

#DNA #ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ