Μικροβιακή Γονιδιωματική και Μεταγονιδιωματική : Η δύναμη της αόρατης ζωής

ΝΙΚΟΣ ΚΥΡΠΙΔΗΣ,

Επικεφαλής της Επιστήμης Δεδομένων του Μικροβιώματος, Εθνικό Εργαστήριο του Μπέρκλεϊ

Φέτος συμπληρώνονται 30 χρόνια από τότε που ξεκινήσαμε να διαβάζουμε τον γενετικό κώδικα των μικροβίων με συστηματικό τρόπο (γονιδιωματική), και περίπου 20 χρόνια από την απαρχή της μεγάλης επανάστασης της μεταγονιδιωματικής. Η τελευταία μάς επέτρεψε να αρχίσουμε να μελετούμε το συνολικό γενετικό υλικό (DNA) όλων των μικροοργανισμών που υπάρχουν μέσα σε ένα περιβαλλοντικό δείγμα, χωρίς να απαιτείται η καλλιέργειά τους στο εργαστήριο.

Από τότε μέχρι σήμερα, η εικόνα μας για τον μικροβιακό κόσμο έχει αλλάξει ριζικά. Η μικροβιακή γονιδιωματική μάς επέτρεψε να αποκωδικοποιήσουμε πλήρως το DNA μεμονωμένων μικροοργανισμών και να μελετήσουμε τη γενετική τους βάση και τις λειτουργίες τους με ακρίβεια. Η τεχνολογική επανάσταση που κατέστησε αυτό εφικτό συνεχίζεται μέχρι σήμερα, με πάνω από 1.5 εκατομμύριο γονιδιώματα να έχουν αλληλουχηθεί, καλύπτοντας περίπου 20,000 διαφορετικά είδη βακτηρίων και αρχαίων (μικρόβια προκαρυωτικά, δηλαδή χωρίς κυτταρικό πυρήνα). Η μελέτη τους έχει ήδη οδηγήσει σε μεγάλες βιοτεχνολογικές εφαρμογές.

Είναι ενδεικτικό, ότι η μικροβιακή βιοτεχνολογία, αποτελεί έναν από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τομείς της βιομηχανίας, με εφαρμογές που εκτείνονται από τη φαρμακευτική και τη γεωργία έως τα τρόφιμα, τα καύσιμα και τα βιομηχανικά ένζυμα. Η παγκόσμια αγορά προϊόντων μικροβιακής προέλευσης εκτιμάται ότι ανήλθε σε περίπου 210 δισεκατομμύρια δολάρια το 2024 και προβλέπεται να φτάσει τα 351 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2034, με ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 5,3%

Όμως, ενώ η γονιδιωματική μας έδωσε τα εργαλεία για να διαβάσουμε το DNA και να μελετήσουμε μεμονωμένα είδη, η μεταγονιδιωματική ήταν αυτή που πραγματικά μας επέτρεψε να δούμε τα μικρόβια στο φυσικό τους περιβάλλον, μέσα σε κοινότητες, όπως ακριβώς υπάρχουν στη φύση. Ετσι η έρευνα έγινε πιο ολιστική, πιο περιβαλλοντική, πιο πολυδιάστατη, αλλά και πολύ πιο συναρπαστική. Η μεταγονιδιωματική μάς αποκάλυψε ότι ζούμε σε έναν μικροβιακό πλανήτη, για τον οποίο γνωρίζουμε ακόμη ελάχιστα. Η πλειοψηφία των μικροοργανισμών γύρω μας και μέσα στο σώμα μας, παραμένει αχαρτογράφητη. Δεν γνωρίζουμε τι γονίδια φέρουν, ποιες είναι οι λειτουργίες τους, πώς επηρεάζουν την υγεία μας ή τα οικοσυστήματα στα οποία ζούνε.

Μεγάλο μέρος της έρευνάς μου επικεντρώνεται στην ανακάλυψη και κατηγοριοποίηση αυτών των “αόρατων” και άγνωστων ακόμα οργανισμών. Μέσω μεγάλων διεθνών προγραμμάτων αποκρυπτογράφησής τους, αλλά και μέσα από την ανάπτυξη νέων πρωτοπόρων υπολογιστικών εργαλείων προσπαθούμε να καταγράψουμε αυτή τη “σκοτεινή ύλη” της μικροβιολογίας, με στόχο την ανακάλυψη νέων λειτουργιών όπως π.χ. νέα ένζυμα και βιοκαταλύτες, μέχρι νέα CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) συστήματα και θεραπευτικά μόρια.
Αυτό που με ενδιαφέρει περισσότερο δεν είναι μόνο ποιοι μικροοργανισμοί υπάρχουν, αλλά και τι κάνουν. Πώς συνεργάζονται; Πώς επηρεάζουν το περιβάλλον ή τον ξενιστή τους; Τι γονίδια και τι λειτουργίες κωδικοποιούν; Αυτή η λειτουργική ποικιλότητα βρίσκεται στο επίκεντρο της έρευνάς μας. Με τη βοήθεια σύγχρονων τεχνικών και μαζικής ανάλυσης δεδομένων, μπορούμε πλέον να αναλύουμε δισεκατομμύρια γονίδια, να εντοπίζουμε νέες πρωτεΐνες, και να προβλέπουμε τις λειτουργίες τους.

Σε αυτό το πλαίσιο, είχα την τύχη να συνεργαστώ με δύο εμβληματικά εργαστήρια που έχουν τιμηθεί με το Νόμπελ τα τελευταία 5 χρόνια: της Jennifer Doudna στο UC Berkeley, με την οποία ανακαλύψαμε νέα CRISPR συστήματα από το φυσικό περιβάλλον· και του David Baker στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. Εδώ, σε συνεργασία με το εργαστήριο του Δρ Γιώργου Παυλόπουλου από το Ίδρυμα Φλέμιγκ, ανακαλύψαμε χιλιάδες νέες οικογένειες πρωτεϊνών και προβλέψαμε τις δομές τους, ανοίγοντας νέους δρόμους στη συνθετική βιολογία.

Γιατί αυτό αφορά την Ελλάδα;
Αυτό είναι ένα κομμάτι που με ενδιαφέρει ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια. Αντί να εισάγουμε διαρκώς τεχνολογίες από το εξωτερικό, μπορούμε να δημιουργήσουμε νέα γνώση εδώ, και να την εξάγουμε. Αυτό απαιτεί στοχευμένες επενδύσεις σε υποδομές, ανθρώπινο δυναμικό, δίκτυα, υπολογιστικά εργαλεία και προγράμματα που να στηρίζουν τη μετάβαση από τη βασική έρευνα στην εφαρμογή.
Η Ελλάδα έχει εξαιρετικό επιστημονικό δυναμικό. Αν συνδέσουμε την έρευνα με την επιχειρηματικότητα, και δημιουργήσουμε δομές που διευκολύνουν αυτή τη σύνδεση (όπως το BioInnovation Greece και το πρόγραμμα BioSTART), μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα ζωντανό και εξωστρεφές βιοτεχνολογικό οικοσύστημα. Η μικροβιακή γονιδιωματική και μεταγονιδιωματική είναι η γλώσσα με την οποία μπορούμε να διαβάσουμε και να κατανοήσουμε τη βιολογία της υγείας μας αλλά και του πλανήτη μας, ώστε να μετατρέψουμε αυτή τη γνώση σε καινοτομία, και οικονομική ανάπτυξη.
Το ερώτημα δεν είναι αν θα ακολουθήσουμε αυτή την πορεία, αλλά αν η Ελλάδα θα είναι και πάλι απλός θεατής ή πρωταγωνιστής των παγκόσμιων εξελίξεων. Πιστεύω ότι μπορούμε να είμαστε το δεύτερο.