Ένα καινοτόμο εργαλείο που επιταχύνει την έρευνα αλλάζει τα δεδομένα στον επιστημονικό χώρο. Πρόκειται για μια νέα τεχνολογία που επιτρέπει την πραγματοποίηση χιλιάδων πειραμάτων σε ένα τσιπ, ενώ ταυτόχρονα και σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα καθιστά εφικτή τη λεπτομερή μελέτη των ενζύμων με εντυπωσιακά γρήγορο και απλό τρόπο.
Τα ένζυμα είναι οι καταλύτες των χημικών αντιδράσεων που πραγματοποιούνται στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών. Από τον μεταβολισμό και την αύξηση των κυττάρων μέχρι την αναπαραγωγή, ο ρόλος των ενζύμων είναι καθοριστικός για την επιβίωση. Η έρευνα σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία τους είναι μια δύσκολη και χρονοβόρα διαδικασία που συνήθως απαιτεί πολλά χρόνια εντατικής εργαστηριακής δουλειάς.
Ένζυμα: οι καταλύτες των χημικών αντιδράσεων
Οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούνται από κύτταρα. Μέσα σε αυτά επιτελούνται συνεχώς χημικές αντιδράσεις που έχουν σαν αποτέλεσμα τις μοναδικές λειτουργίες των κυττάρων. Όλες αυτές οι πολύπλοκες αντιδράσεις, που υπό άλλες συνθήκες θα χρειάζονταν πάρα πολύ χρόνο για να πραγματοποιηθούν, λαμβάνουν χώρα μέσα στα κύτταρα, αδιάκοπα, με τη βοήθεια των ενζύμων. Συνεπώς, τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που λειτουργούν σαν καταλύτες: επιταχύνουν, δηλαδή, τις χημικές αντιδράσεις, μετατρέποντας τα μόρια από τη μια μορφή σε μια άλλη. Τα ένζυμα είναι απαραίτητα για χιλιάδες αντιδράσεις ζωτικής σημασίας, όπως για τη διάσπαση μορίων κατά την πέψη ή για τη σύνθεση άλλων μορίων. Έχουν συνήθως πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή πάνω στην οποία προσδένεται το υπόστρωμα, το μόριο, δηλαδή, που παίρνει μέρος στη χημική αντίδραση. Η πρόσδεση αυτή είναι τόσο εξειδικευμένη, που θυμίζει το ταίριασμα του κλειδιού στην κλειδαριά. Το υπόστρωμα- κλειδί προσδένεται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του ενζύμου, που ονομάζεται ενεργό κέντρο, η οποία διαδραματίζει το ρόλο της κλειδαριάς. Μόλις πραγματοποιηθεί η αντίδραση, το προϊόν αποδεσμεύεται από το ένζυμο, το οποίο καθίσταται ξανά διαθέσιμο για να προσδέσει κάποιο άλλο υπόστρωμα.
Μεταβολές στην τρισδιάστατη δομή των ενζύμων, που μπορεί να προκύψουν από μεταλλάξεις στο αντίστοιχο γονίδιο που τα κωδικοποιεί, έχουν σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση ασθενειών. Ένα από τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελεί η φαινυλοκετονουρία, μια ασθένεια που προκαλείται από την έλλειψη ενός ενζύμου που διασπά το αμινοξύ φαινυλαλανίνη. Μεταλλάξεις στο γονίδιο που κωδικοποιεί το συγκεκριμένο ένζυμο, έχουν ως αποτέλεσμα να καταστρέφεται η δομή του και να χάνεται η λειτουργικότητά του. Σε αυτήν την περίπτωση η φαινυλαλανίνη συσσωρεύεται στον ανθρώπινο οργανισμό προκαλώντας σοβαρά προβλήματα.
Ένα τσιπ, χιλιάδες αντιδράσεις
Παρόλο που αρκετές πληροφορίες είναι πλέον γνωστές για τη δομή πολλών ενζύμων και για τις αντιδράσεις τις οποίες διευκολύνουν, σημαντικό μέρος της γνώσης σχετικά με τη σχέση ανάμεσα στη δομή και τη λειτουργία τους παραμένει ανεξερεύνητο. Η μελέτη της επίδρασης των μεταλλάξεων στη δομή και κατ’ επέκταση στη λειτουργία των ενζύμων, που αποτελούν αιτία για την εμφάνιση ασθενειών, αποτελούσε μέχρι πρόσφατα χρονοβόρα και κοστοβόρα διαδικασία. Για να μελετηθεί ένα ένζυμο, οι ερευνητές έπρεπε να χρησιμοποιήσουν γενετικά τροποποιημένα βακτήρια που παράγουν το επιθυμητό ένζυμο σε επαρκείς ποσότητες, να το απομονώσουν από τα υπόλοιπα κυτταρικά συστατικά, να αλλάξουν τα εκατοντάδες αμινοξέα που αποτελούν τα δομικά υλικά του ένα προς ένα, προκειμένου εν τέλει να κατανοήσουν τις συνέπειες της κάθε αλλαγής στη λειτουργία του.
Σε μια προσπάθεια διευκόλυνσης της έρευνας γύρω από τα ένζυμα, ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής την Polly Fordyce, καθηγήτρια γενετικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ των ΗΠΑ, κατόρθωσε να κατασκευάσει ένα γυάλινο τσιπ με πολλά μικροσκοπικά κανάλια και πηγαδάκια μέσα στα οποία μπορούν να πραγματοποιηθούν ταυτόχρονα πάρα πολλές χημικές αντιδράσεις με ένζυμα. Το τσιπ είναι αποτέλεσμα εντατικής ερευνητικής δουλειάς έξι ετών. Έχει μέγεθος μόλις 7 τετραγωνικά εκατοστά και περιέχει 1.568 μικροσκοπικά πηγαδάκια. Τα πηγαδάκια επικοινωνούν με ένα δίκτυο εξίσου μικροσκοπικών σωλήνων μέσα στο οποίο κυκλοφορούν και διαχέονται τα αντιδραστήρια ταυτόχρονα σε πολλά σημεία. Σε κάθε πηγαδάκι μπορεί να πραγματοποιηθεί μια χημική αντίδραση χρησιμοποιώντας διαφορετικές μεταλλαγμένες μορφές ενός ενζύμου. Έτσι μπορούν να μελετηθούν οι επιδράσεις πολλών διαφορετικών μεταλλάξεων σε ένα ένζυμο και να προκύψουν συμπεράσματα που υπό άλλες συνθήκες θα χρειάζονταν πολλές μέρες εντατικής εργαστηριακής προσπάθειας για να εξαχθούν.
Το «πάντρεμα» διαφορετικών επιστημονικών πεδίων
Η σπουδαία εφεύρεση τους συνδυάζει δύο ειδών τεχνολογικά και επιστημονικά επιτεύγματα: τη μικρορευστομηχανική, που αφορά τον χειρισμό πολύ μικρών ποσοτήτων ρευστών μέσα και μικροσκοπικά κανάλια και τη σύνθεση πρωτεϊνών εκτός κυττάρου, χρησιμοποιώντας μόνο τα απαραίτητα μόρια για αυτή τη διαδικασία, σε ένα αυστηρά ελεγχόμενο χημικό περιβάλλον. Αυτό το «πάντρεμα» των διαφορετικών επιστημονικών πεδίων, της μηχανικής και της ενζυμολογίας, είχε ως αποτέλεσμα να λυθούν προβλήματα ετών και να αντιμετωπιστούν εμπόδια στην επιστημονική έρευνα που μέχρι πρότινος φάνταζαν ανυπέρβλητα.
Η επιστημονική ομάδα, σε πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Science, περιγράφει λεπτομερώς το πρωτοποριακό σύστημα που ανέπτυξε καθώς και τις νέες δυνατότητες που αυτό θα προσφέρει στην έρευνα. Από τη μελέτη της επίδρασης των μεταλλάξεων σε ένζυμα που μπορεί να οδηγούν στην εμφάνιση νοσημάτων, μέχρι την τροποποίηση ενζύμων που διασπούν τοξίνες από περιβαλλοντικά επιβαρυμένες περιοχές, η συγκεκριμένη τεχνολογία ενδέχεται να έχει πληθώρα εφαρμογών. Σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα θα επηρεάσει ακόμα και τον τρόπο με τον οποίο μελετώνται οι εξελικτικές σχέσεις ανάμεσα στα είδη. Διευκολύνοντας τον τρόπο που διεξάγεται η έρευνα, αναμένεται να συντελέσει στην εμβάθυνση της γνώσης σε πολλά επιστημονικά πεδία, οδηγώντας σε νέες εφευρέσεις και σε πρωτοπόρα επιστημονικά επιτεύγματα.
Πηγή:
Markin C. J. et al, Revealing enzyme functional architecture via high-throughput microfluidic enzyme kinetics. Science 23 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6553, eabf8761
