Των Γιώργου Παυλόπουλου, Μιχάλη Χατζηθωμά και Νίκου Κυρπίδη
Πόσο στενοί συγγενείς είναι ένας χιμπατζής και ένα ποντίκι; Ένα πουλί και μια αμοιβάδα; Ένας άνθρωπος και ένα βακτήριο; Οι απαντήσεις είναι εμφανείς στο εξελικτικό Δέντρο της Ζωής. Οι εξελικτικοί βιολόγοι χρησιμοποιούν τα λεγόμενα φυλογενετικά δέντρα, γραφήματα στα οποία μια αρχική προγονική ομάδα οργανισμών διακλαδίζεται σε όλο και περισσότερα είδη, για να εκτιμούν τις συγγένειες ανάμεσα σε διαφορετικές ομάδες οργανισμών. Ωστόσο, με τις υπάρχουσες τεχνολογίες υπάρχει πολύς χώρος για εμπλουτισμό του δέντρου αυτού με νέα εξελικτική πληροφορία.
Ο αριθμός των μικροβίων που χωράει σε μια χούφτα χώμα μπορεί να υπερβαίνει τον αριθμό των αστεριών στον γαλαξία μας, ωστόσο οι ερευνητές γνωρίζουν πολύ λίγα για τα μικρόβια που υπάρχουν στον πλανήτη μας. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι μόλις πρόσφατα αναπτύχθηκαν τα εργαλεία εκείνα που επιτρέπουν το «διάβασμα» ή αλλιώς αλληλούχιση του DNA τους. Σήμερα, οι επιστήμονες στο Ινστιτούτο Joint Genome Institute του Lawrence Berkeley National Laboratory και του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE-JGI) έκαναν ένα αποφασιστικό βήμα μπροστά που αφορά την αποκάλυψη της μικροβιακής ποικιλομορφίας του πλανήτη. Στο άρθρο που δημοσιεύθηκε στις 12 Ιουνίου 2017 στο έγκριτο περιοδικό «Nature Biotechnology» με τίτλο «1,003 reference genomes of bacterial and archaeal isolates expand coverage of the tree of life», ο επικεφαλής του Προκαρυωτικού Προγράμματος δρ Νίκος Κυρπίδης και η ομάδα ερευνητών του (ανάμεσά τους οι δρ Γεώργιος Παυλόπουλος και δρ Μιχάλης Χατζηθωμάς, ελληνικής και κυπριακής καταγωγής αντίστοιχα) περιγράφουν την αποκωδικοποίηση του DNA 1.003 βακτηρίων και αρχαιοβακτηρίων (γνωστών και ως «αρχαίων») που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σημείο αναφοράς - τη μεγαλύτερη συλλογή μέχρι σήμερα.
«Τα βακτήρια και τα αρχαία αποτελούν τη μεγαλύτερη ποσότητα βιοποικιλότητας των ζώντων οργανισμών στη Γη. Έχουν ήδη κατακτήσει κάθε περιβάλλον στον πλανήτη και έχουν βρει τρόπους επιβίωσης κάτω από τις σκληρότερες συνθήκες, χρησιμοποιώντας διαφορετικά ένζυμα και με διαφορετική βιοχημεία» επισημαίνει ο δρ Νίκος Κυρπίδης.
Το υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ενδιαφέρεται να μάθει περισσότερα για αυτή τη βιοποικιλότητα επειδή τα μικρόβια διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση των βιογεωχημικών κύκλων της Γης, διεργασίες που διέπουν την κυκλοφορία των θρεπτικών συστατικών σε χερσαία και θαλάσσια περιβάλλοντα για παράδειγμα. Η αποκάλυψη των λειτουργιών των γονιδίων, των ενζύμων και των μεταβολικών οδών μέσω της αλληλούχισης και της ανάλυσης γονιδιώματος έχει ευρείες εφαρμογές τόσο στους τομείς της βιοενέργειας, της βιοϊατρικής, της γεωργίας όσο και στις περιβαλλοντικές επιστήμες.
Μια γονιδιωματική εγκυκλοπαίδεια
Η προσπάθεια αποτελεί μέρος του προγράμματος DOE-JGI Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea - «Γονιδιωματική Εγκυκλοπαίδεια Βακτηρίων και Αρχαίων» (GEBA), που στοχεύει στην αλληλούχιση χιλιάδων βακτηριακών και αρχαιοβακτηριακών γονιδιωμάτων για να αποκαλυφθούν ανεξερεύνητοι κλάδοι του Δέντρου της Ζωής. Η συνεργασία με κέντρα όπως το Ινστιτούτο Leibniz DSMZ στη Γερμανία και το ATCC Global Bioresource Center στις ΗΠΑ ήταν αποφασιστικής σημασίας για την πραγματοποίηση αυτής της προσπάθειας. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε αυτό το έργο συμπεριλαμβάνονται επίσης ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Γεωργίας, το Πανεπιστήμιο του Michigan, το Πανεπιστήμιο Queensland στην Αυστραλία και το Πανεπιστήμιο Newcastle στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Η πορεία της έρευνας
Η δημοσιοποίηση των γονιδιωμάτων είναι το αποκορύφωμα της δουλειάς σχεδόν μιας δεκαετίας, με τα πρώτα 56 γονιδιώματα της μελέτης να δημοσιεύονται το 2009. Οι μικροοργανισμοί απομονώθηκαν από περιβάλλοντα που κυμαίνονται από το θαλασσινό νερό και το έδαφος μέχρι τα φυτά και τα έντερα αγελάδων και τερμιτών. Η αλληλούχιση και η ανάλυση γονιδιωμάτων έγινε στο DOE-JGI των ΗΠΑ. Τα 1.003 γονιδιώματα είναι ελεύθερα διαθέσιμα στο κοινό μέσω του συστήματος Integrated Microbial Genomes with Microbiomes (IMG/M) μαζί με όλα τα συναφή μεταδεδομένα. Σκοπός είναι η μεγιστοποίηση της χρήσης τους από τη μεγαλύτερη επιστημονική κοινότητα σύμφωνα με την πρακτική του DOE-JGI για άμεση δημοσιοποίηση δεδομένων.
Η σημασία της αποκωδικοποίησης του γονιδιώματος των βακτηρίων
Οι επιστήμονες μόλις τώρα έχουν αρχίσει να ανακαλύπτουν το κρυμμένο δυναμικό που υπάρχει μέσα στην ευρεία γενετική ποικιλότητα των βακτηριακών και αρχαιοβακτηριακών φυλών. Τα νέα αυτά γονιδιώματα υψηλής ποιότητας εμπλουτίζουν υπολογιστικά εργαλεία και βάσεις δεδομένων που στηρίζονται σε αυτά τα δεδομένα αναφοράς, όπως τον «Άτλα Συστάδων Βιοσυνθετικών Γονιδίων (IMG-ABC)», ο οποίος αναπτύχθηκε από τον δρ Χατζηθωμά και ο οποίος επιτρέπει στους επιστήμονες να ανακαλύψουν και να χαρακτηρίσουν βακτηριακούς δευτερογενείς μεταβολίτες. Οι δευτερογενείς μεταβολίτες είναι μικρά μόρια τα οποία έχουν ευρεία βιολογική δράση και, επομένως, βιοτεχνολογικές χρήσεις ως φάρμακα, αντιβιοτικά και εντομοκτόνα.
Τα δεδομένα αυτά θα καθοδηγήσουν την ανακάλυψη νέων οικογενειών πρωτεϊνών και χρησίμων ενζύμων, μια προσπάθεια της οποίας ηγείται ο δρ Παυλόπουλος. Οι ενζυματικοί μηχανισμοί των βακτηρίων έχουν ήδη αποτελέσει μια σημαντική πηγή βιοτεχνολογικών μηχανισμών όπως, για παράδειγμα, το σύστημα CRISPR-Cas9, το οποίο χρησιμοποιείται ως εργαλείο επεξεργασίας και κοπτοραπτικής του DNA σε ζωντανά κύτταρα, κάτι που υπόσχεται να φέρει επανάσταση στην εξατομικευμένη Ιατρική καθώς και την αντιμετώπιση ή και ακόμα και εξαφάνιση γενετικών ασθενειών.
Επίσης, ο εμπλουτισμός του Δέντρου της Ζωής με νέα «κλαδιά» θα δώσει στους ερευνητές ένα πλαίσιο αναφοράς με το οποίο θα μπορούν πιο εύκολα να κατανοήσουν τα δικά τους αποτελέσματα. «Το πλαίσιο αναφοράς είναι εξαιρετικά χρήσιμο για την ερμηνεία περιβαλλοντικών δεδομένων. Για παράδειγμα, αν βρίσκαμε ένα μέρος με τόνους απολιθωμένων οστών, δεν θα μας χρησίμευαν σε κάτι αν δεν είχε ποτέ κανείς συναρμολογήσει ή δεν ήξερε πώς μοιάζει ένας σκελετός» αναφέρει ο Jonathan Eisen. «Διαθέτοντας έναν συναρμολογημένο σκελετό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αναφορά, μπορούμε να πούμε ότι αυτό μοιάζει με ένα θηλαστικό». Το ίδιο ισχύει και για τα μεταγονιδιωματικά δεδομένα. Αν έχουμε γονιδιώματα αναφοράς από όλο το Δέντρο της Ζωής, μπορούμε να μελετήσουμε τα περιβαλλοντικά δεδομένα με μεγαλύτερη ακρίβεια.
«Σε μια εποχή που βλέπουμε τις δημόσιες βάσεις δεδομένων να πλημμυρίζουν από χαμηλής ή αμφισβητήσιμης ποιότητας γονιδιώματα ή ακόμη και από γονιδιώματα που είναι μολυσμένα η κατακερματισμένα, η σημασία τού να έχουμε υψηλής ποιότητας γονιδιώματα από στελέχη από διαφορετικά ταξινομικά σημεία του Δέντρου της Ζωής είναι ανεκτίμητη» επισήμανε ο δρ Κυρπίδης.
«Μετά την προσπάθειά μας να αναγνωρίσουμε πάνω από μισό εκατομμύριο καινούργιες οικογένειες πρωτεϊνών, η τωρινή μας αυτή προσπάθεια έχει υπερδιπλασιάσει την κάλυψη της φυλογενετικής ποικιλομορφίας για μικροβιακούς οργανισμούς» ανέφερε ο Supratim Mukherjee, από τους κύριους συγγραφείς του άρθρου στο περιοδικό «Nature Biotechnology».
Δεδομένου ότι ένα μεγάλο μέρος της έρευνας στη μικροβιακή γονιδιωματική έχει επικεντρωθεί σε παθογόνους οργανισμούς γύρω από τον άνθρωπο, η GEBA είναι μια προσπάθεια σε παγκόσμιο επίπεδο να επιχειρήσει να γεμίσει το κενό γνώσης της φυλογενετικής κάλυψης που αφορά μια μεγάλη ποικιλία καλλιεργημένων, αλλά κακώς χαρακτηρισμένων στελεχών μικροβιακού τύπου σε περιβαλλοντικό επίπεδο. «Το ξέραμε ότι δεν δειγματοληπτούσαμε πολλούς οργανισμούς από πολλά σημεία του Δέντρου της Ζωής. Και αν το κάναμε αυτό, τότε σίγουρα θα ανακαλύπταμε πολύ περισσότερες λειτουργίες σε βιολογικά συστήματα που θα οδηγούσαν σε νέα βιοτεχνολογικά επιτεύγματα» λέει η Rekha Seshadri, υπολογιστική βιολόγος και από τους κύριους συγγραφείς του άρθρου στο περιοδικό «Nature Biotechnology.
Οι προκλήσεις
Μια τέτοια προσπάθεια είναι συλλογική και διαθεματική, καθώς απαιτείται γνώση και εμπειρία από κορυφαίους επιστήμονες, που έρχονται από πολλά διαφορετικά πεδία, με ειδικότερη έμφαση σε αυτά της Μικροβιολογίας, της Γενομικής και της Βιοπληροφορικής. Η διαδικασία από τη στιγμή της δειγματοληψίας μέχρι τη στιγμή της διαθεσιμότητας των γονιδιωμάτων αυτών στην τελική τους μορφή είναι ιδιαίτερα επίπονη διαδικασία και έχει πολλά ενδιάμεσα στάδια. Κάτι τέτοιο μπορεί να πάρει ακόμα και μια δεκαετία, όπως άλλωστε έγινε σε αυτή την περίπτωση. «Τεχνικές δυσκολίες υπάρχουν και θα υπάρχουν πάντα, αλλά η υπομονή, η επιμονή και η συνεχής εποικοδομητική επικοινωνία είναι οι βασικότεροι σύμμαχοι σε ένα τέτοιο ταξίδι» αναφέρουν οι δρ Γεώργιος Παυλόπουλος και Μιχάλης Χατζηθωμάς, συν-συγγραφείς του άρθρου.
Σύνδεσμος για την επιστημονική δημοσίευση:
Η ομάδα
Ανάμεσά στους συγγραφείς είναι ο δρ Γεώργιος Παυλόπουλος, ο δρ Μιχάλης Χατζηθωμάς και ο επικεφαλής δρ Νίκος Κυρπίδης.
Ο δρ Γεώργιος Παυλόπουλος είναι βιοπληροφορικός, απόφοιτος του τμήματος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Πανεπιστημίου Αθηνών και διδάκτωρ Βιοπληροφορικής του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας (EMBL) της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία. Διετέλεσε μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πολυτεχνείο της Λουβένης στο Βέλγιο καθώς και στο Τμήμα Ιατρικής του Πανεπιστημίου Κρήτης.
Ο δρ Μιχάλης Χατζηθωμάς, κυπριακής καταγωγής, είναι απόφοιτος του Πανεπιστημίου του Κάνσας (ΗΠΑ) και διδάκτωρ Βιολογίας του Πανεπιστημίου Johns Hopkins (ΗΠΑ). Διετέλεσε υπότροφος του Ιδρύματος Φουλμπράιτ και ερευνητής στο Ινστιτούτο J. Craig Venter (JCVI) στις ΗΠΑ.
Και οι δύο παραπάνω συμμετείχαν στην έρευνα υπό την επίβλεψη του δρ Νίκου Κυρπίδη, βιολόγου, ερευνητή και επικεφαλής του μεγαλύτερου Προγράμματος Προκαρυωτικής Γονιδιωματικής παγκοσμίως στο Joint Genome Institute του Lawrence Berkeley National Laboratory και του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο δρ Νίκος Κυρπίδης είναι απόφοιτος του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και διδάκτωρ Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης. Έχει τιμηθεί με πολλά διεθνή βραβεία και είναι στη λίστα των 25 Ελλήνων επιστημόνων με τη μεγαλύτερη επιρροή παγκοσμίως.
