Οι «απαγορευμένοι καρποί» της... Συνθετικής Βιολογίας.
Η νέα βιοτεχνολογική επανάσταση της Συνθετικής Βιολογίας προπαγανδίζεται συνήθως από τα ΜΜΕ ως η «εκ θαύματος» τεχνολογική σωτηρία της οικολογικά, οικονομικά και κοινωνικά πτωχευμένης ανθρωπότητας. Αραγε, υπάρχει τεχνολογική «έξοδος» από την απελπιστική κατάσταση του ανθρώπινου είδους τον 21ο αιώνα;
Με τη βοήθεια του Κώστα Ματθιόπουλου, καθηγητή Μοριακής Βιολογίας και έμπειρου βιοτεχνολόγου, θα εξετάσουμε τις σημερινές δυνατότητες της Συνθετικής Βιολογίας, καθώς και τη ζωτική ανάγκη για την ανάπτυξή της στον τόπο μας
O νέος και πολλά υποσχόμενος τομέας της Συνθετικής Βιολογίας, χάρη στις εκπληκτικές προόδους της Μοριακής Βιολογίας και τα νέα εργαλεία της γενετικής μηχανικής και της βιοτεχνολογίας, επιχειρεί όχι μόνο να τροποποιήσει εργαστηριακά τις γενετικές προδιαγραφές και τις λειτουργίες των ζωντανών οργανισμών, αλλά και να δημιουργήσει νέους «συνθετικούς» μικροοργανισμούς οι οποίοι, ενώ διαθέτουν τις τρεις βασικές ιδιότητες κάθε μορφής ζωής (μεταβολισμό, αναπαραγωγή, εξέλιξη μέσω προσαρμογής), μπορούν επιπρόσθετα να αποκτούν αφύσικες ιδιότητες και λειτουργίες επωφελείς για τους ανθρώπους.
Στο σημερινό και το επόμενο άρθρο μας θα διερευνήσουμε, με τη βοήθεια δύο Ελλήνων ειδικών, την ορατή πλέον δυνατότητα της ανθρωπότητας να δημιουργεί (σήμερα) και να απελευθερώνει (αύριο) στο γήινο περιβάλλον «συνθετικούς μικροοργανισμούς», που θα είναι ικανοί να παράγουν βιολογικά καύσιμα, φαρμακευτικές ουσίες, τροφές υψηλής διατροφικής αξίας ή γενετικά τροποποιημένους μικροοργανισμούς και φυτά που θα αφομοιώνουν διοξείδιο του άνθρακα και άλλες ουσίες βλαπτικές.
● 1. Πώς θα περιγράφατε τη Συνθετική Βιολογία και ποιες μεθοδολογικές και πρακτικές αλλαγές επιφέρει αυτή η πρόσφατη αλλά πολύ ισχυρή βιοτεχνολογία;
Η Συνθετική Βιολογία (Σ.Β.) αποτελεί την τελευταία εξέλιξη της βιοτεχνολογίας και αφορά τον επαναπρογραμματισμό και τη σύνθεση βιολογικών συστημάτων τα οποία δεν υφίστανται ως τέτοια στη φύση, με στόχο την παραγωγή νέων προϊόντων ή διεργασιών επωφελών για τον άνθρωπο.
Η Σ.Β. προέκυψε από τον συνδυασμό των λεγόμενων τεχνολογιών «-ομικς» (γενωμική, πρωτεομική, μεταβολομική κ.λπ.), δηλαδή των μεθοδολογικών προσεγγίσεων της Μοριακής Βιολογίας και των τεχνικών της βιοτεχνολογίας με ορισμένες τεχνικές από τον χώρο της Μηχανικής (μοντελοποίηση, τυποποίηση, προτυποποίηση).
Πρόκειται δηλαδή για έναν συνδυασμό ετερογενών τεχνολογιών που αποβλέπει στη δημιουργία στο εργαστήριο νέων «βιολογικών συστημάτων», ικανών να παράγουν επιμέρους βιολογικές δομές και λειτουργίες.
Τα «συστήματα» που θα εκτελούν ολοκληρωμένα καθήκοντα (π.χ. μετρήσεις και λειτουργίες ελέγχου) προκύπτουν από τη συναρμολόγηση «βιομερών», που είναι κωδικοποιημένες βιολογικές λειτουργίες, και «διατάξεων» που κατασκευάζονται από μια συλλογή διαφορετικών βιομερών και κωδικοποιούν προκαθορισμένες από τον κατασκευαστή λειτουργίες (π.χ. βιοαισθητήρες, λογικές πύλες).
Μια έννοια που εμφανίζεται πρώτη φορά είναι αυτή του βιολογικού «σασί»: περιλαμβάνει τη χρήση ενός κυττάρου-ξενιστή στο οποίο εισάγεται το τροποποιημένο ή συνθετικό DNA.
Ο ξενιστής, που μπορεί να είναι βακτήριο, ζύμη, φυτικό ή ευκαρυωτικό κύτταρο, προσφέρει το βασικό κυτταρικό περιβάλλον το οποίο εμπλουτίζεται με νέες ιδιότητες που εισάγονται μέσω του νέου DNA.
Ο σχεδιασμός και η πρόβλεψη της συμπεριφοράς αυτού του «κυττάρου εργοστασίου» στηρίζονται στη μοντελοποίηση των λειτουργιών του, δηλαδή στον συνδυασμό της γνώσης των βιολογικών λειτουργιών με τις αρχές της Μηχανικής.
Οταν εισαχθεί, το σύστημα ενδέχεται να μη συμπεριφερθεί με τον αναμενόμενο και επιθυμητό τρόπο. Για τον λόγο αυτόν, οι ερευνητές εργάζονται πάνω στα αποκαλούμενα «ελάχιστα κύτταρα» (τα επονομαζόμενα «σασί»), τα οποία διατηρούν μόνο τις ελάχιστες απαραίτητες βιολογικές λειτουργίες για την επιβίωσή τους. Συνεπώς, η προσέγγιση αυτή συνεισφέρει στην κατανόηση των ελάχιστων προϋποθέσεων και απαιτήσεων αυτού που θεωρείται «ζωή».
Το 2008 ο Κρεγκ Βέντερ (Craig Venter) μαζί με τον Αριστείδη Πατρινό, διαπρεπή Ελληνα μηχανικό από το ΕΜΠ, πέτυχαν την αλληλούχιση και ανασύνθεση ολόκληρου του γονιδιώματος (583.000 ζευγών βάσεων) ενός απλού βακτηρίου (Mycoplasmagenitalium).
Πιο πρόσφατα, μάλιστα, πραγματοποίησαν τη σύνθεση ενός γονιδιώματος το οποίο όταν εισάγεται σε κύτταρο «σασί» μπορεί να αναπαράγεται, ανοίγοντας έτσι το ιδιαίτερο πεδίο έρευνας της συνθετικής ζωής.
● 2. Σε ποιους τομείς, όμως, βρίσκουν άμεση εφαρμογή οι τεχνικές της Συνθετικής Βιολογίας;
Οι βασικοί τομείς όπου ήδη εφαρμόζεται η Σ.Β. είναι:
Υγεία: Παραγωγή ενός μεγάλου αριθμού φαρμάκων. Ανάπτυξη βιολογικών νανομηχανών με επιθυμητές ιδιότητες, π.χ. βιοαισθητήρες, που μπορούν να ανιχνεύουν ουσίες ή παράγοντες μόλυνσης και να χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικά ή θεραπευτικά μέσα μεγάλης ακρίβειας.
Ενέργεια: Κατασκευή βιολογικών μηχανισμών για την παραγωγή βιοκαυσίμων.
Περιβάλλον: Βιοαισθητήρες έχουν ήδη εφαρμοστεί στην ανίχνευση μολυσματικών παραγόντων και συγκεκριμένα για την ανίχνευση αρσενικού στο πόσιμο νερό, αλλά και στην ανίχνευση επικίνδυνων χημικών ουσιών ή εκρηκτικών. Επίσης νέες μέθοδοι διάσπασης πολύπλοκων ρύπων.
Γεωργία/κτηνοτροφία: Αποτελεί ένα ευρύτατο πεδίο, όπου οι εφαρμογές της Σ.Β. στοχεύουν στη γενετική τροποποίηση των καλλιεργειών, στην κατασκευή συνθετικών βιοχημικών μονοπατιών σε βιολογικά συστήματα/κυτταρικά εργοστάσια, στη μαζική παραγωγή ποιοτικής διατροφής, εμβολίων, νέων διαγνωστικών μεθόδων σε ζώα κ.λπ.
Ενας άλλος πολύ σημαντικός τομέας είναι η δημιουργία «νέων υλικών». Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η παραγωγή συνθετικού μεταξιού από αράχνη (goldenorbspider).
Το μετάξι αυτής της αράχνης είναι γνωστό για τη μεγάλη ανθεκτικότητά του σε συνδυασμό με το πολύ χαμηλό βάρος του. Η συνθετική παραγωγή του επιτεύχθηκε μέσω της ανασύστασης εργαστηριακά (in vitro) ολόκληρου του βιοχημικού μονοπατιού για την παραγωγή του.
Παρόμοιες τεχνικές βρίσκονται υπό ανάπτυξη για την παραγωγή χημικών ουσιών υψηλής αξίας, όπως μη φυσικοί μονοσακχαρίτες, νέα πολυμερή, συνθετικά αμινοξέα κ.ά.
Μεγάλο ενδιαφέρον για τη Συνθετική Βιολογία έχει δείξει η ΝΑSΑ, κυρίως λόγω των δυνατοτήτων που ανοίγονται για την αξιοποίηση πρώτων υλών π.χ. από μη γήινα περιβάλλοντα στην ανάπτυξη βιολογικών διεργασιών.
Και όπως είναι αναμενόμενο, όλες οι τεχνολογικά αναπτυγμένες χώρες έχουν στρέψει το ενδιαφέρον τους σε αυτόν τον πολύ νέο αλλά πολλά υποσχόμενο κλάδο της Βιοτεχνολογίας.
● 3. Στην Ελλάδα υπάρχουν η απαραίτητη επιστημονική παιδεία και οι κατάλληλες υποδομές για την αξιοποίηση της Συνθετικής Βιολογίας;
Η Ελλάδα διαθέτει εξαιρετικούς επιστήμονες, βιολόγους, βιοτεχνολόγους και μηχανικούς. Επομένως υπάρχει το αναγκαίο υπόβαθρο και η κρίσιμη «επιστημονική μάζα» για να στηριχτεί η ανάπτυξη της Συνθετικής Βιολογίας.
Πρόσφατα μάλιστα, στο πλαίσιο της ενίσχυσης των μεγάλων ερευνητικών υποδομών από τη Γενική Γραμματεία Ερευνας και Τεχνολογίας της χώρας, επελέγη να υποστηριχτεί η υποδομή «OMIC-ENGINE» για τη Συνθετική Βιολογία.
Σκοπός της συγκεκριμένης υποδομής είναι η ανάπτυξη μιας διεπιστημονικής τεχνολογικής πλατφόρμας για τη Συνθετική Βιολογία, που θα είναι ικανή να υποστηρίζει τις εφαρμογές της σε διεργασίες και προϊόντα του αγροτο-βιομηχανικού τομέα της χώρας και να συντονίζει πολλές από τις κατακερματισμένες σήμερα προσπάθειες, στην προοπτική μιας εθνικής στρατηγικής για τη Συνθετική Βιολογία.
Πρόκειται για μια κοινοπραξία που αποτελείται από το Τμήμα Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας (συντονιστής της υποδομής), τη Σχολή Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ, το Τμήμα Φαρμακευτικής του Πανεπιστημίου Πατρών, το Τμήμα Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης, το Τμήμα Βιολογικών Εφαρμογών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων, το Τμήμα Χημείας του ΑΠΘ, το Ινστιτούτο Βιολογικών Ερευνών/Βιοτεχνολογίας του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών, το Φαρμακευτικό και το Βιολογικό Τμήμα του ΕΚΠΑ και το Τμήμα Βιοτεχνολογίας του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών.
Η κάθε ομάδα θα συνεισφέρει με την εργαστηριακή υποδομή της και την εξειδικευμένη γνώση της στη συνεργιστική προσπάθεια που θα περιλαμβάνει δράσεις όπως:
(1) αναλύσεις «-ομικών» δεδομένων,
(2) βιοπληροφορική ανάλυση και μοντελοποίηση,
(3) σύνθεση DNA,
(4) παραγωγή των νέων προϊόντων σε κλίμακα μεγέθους, και
(5) την ανάπτυξη μοριακών μεθοδολογιών διαλογής και πρωτοκόλλων εκτίμησης κινδύνου όσον αφορά την ποιότητα τροφίμων αλλά και τη βιομηχανική παραγωγική διαδικασία.
Η υποδομή θα υποστηρίζει τις ερευνητικές δραστηριότητες στην κατεύθυνση της ανάπτυξης των εργαλείων της Συνθετικής Βιολογίας και την παραγωγή προϊόντων ή υπηρεσιών που θα υποστηρίζουν την αγροτο-βιομηχανική ανάπτυξη. Επιπλέον, θα υποστηρίζει την επιστημονική κοινότητα αλλά και τους παραγωγικούς φορείς στην αξιοποίηση της Συνθετικής Βιολογίας μέσα από μικρά ερευνητικά έργα που θα επιλέγονται ανάλογα με το επιστημονικό και τεχνολογικό τους επίπεδο.
Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι το Τμήμα Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας εισήγαγε πέρυσι, για πρώτη φορά, ως προπτυχιακό μάθημα επιλογής τη Συνθετική Βιολογία.
● 4. Ποιοι είναι οι άμεσοι στόχοι που θέτετε και ποιες οι δυσκολίες που αντιμετωπίζετε για την υλοποίησή τους;
Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια οι ραγδαίες εξελίξεις στη βιοτεχνολογία που αφορούν τη διαχείριση του βιολογικού υλικού αποτελούν έναν από τους πιο σημαντικούς πυλώνες οικονομικής ανάπτυξης, τόσο στην Ευρώπη όσο και παγκόσμια.
Από την άλλη, υπάρχουν βιοτεχνολογικές εφαρμογές που προβληματίζουν την κοινή γνώμη και εγείρουν συζητήσεις που αφορούν την υγεία και την ασφάλεια του ανθρώπου και του περιβάλλοντος.
Δεδομένων των επιπρόσθετων δυνατοτήτων που προσφέρει η Συνθετική Βιολογία για τη δημιουργία τεχνητών μορφών ζωής, είναι λογικό οι εφαρμογές της να προκαλούν όχι μόνο μεγάλο ενδιαφέρον αλλά και έντονη ανησυχία, τόσο στους ειδικούς όσο και στους απλούς πολίτες.
Ο πρώτος λοιπόν από τους στόχους της ερευνητικής υποδομής OMIC-ENGINE είναι η ενημέρωση των επιστημόνων αλλά και ευρύτερα της κοινωνίας μέσα από σεμινάρια, διαλέξεις, βίντεο, συνέδρια κ.λπ. σχετικά με το τι ακριβώς μπορεί να προσφέρει η Συνθετική Βιολογία και, εν γένει, η Βιοτεχνολογία στην οικονομική ανάπτυξη της χώρας, καθώς και τι θα πρέπει να προσέξουμε ώστε οι εφαρμογές της να είναι προς όφελος του συνόλου.
Ενα άλλο σημείο που έχουμε θέσει ως προτεραιότητα είναι η οικονομική επιβίωση της OMIC-ENGINE. Στο πλαίσιο αυτό θα πρέπει να προσφέρει εκτός από την υψηλή επιστημονική κατάρτιση ή τεχνογνωσία και υπηρεσίες σε παραγωγικούς φορείς που θα έχουν ανάγκη επιστημονική υποστήριξη σε τομείς όπως π.χ. έλεγχος ποιότητας σπόρων, εδαφών καλλιέργειας, ζωοτροφών, διάγνωση ασθενειών ζώων κ.λπ.
Αρα, ακόμη ένας στόχος μας είναι η άμεση επικοινωνία με τους παραγωγικούς φορείς και παίκτες-κλειδιά του τομέα της αγροτο-βιομηχανίας, ώστε να προσδιοριστούν από κοινού τα προβλήματα που χρήζουν άμεσα τεχνολογικών λύσεων και να δρομολογηθούν οι στρατηγικές για την επίλυσή τους.
Τέλος, η βάση δεδομένων της υποδομής που θα δημιουργηθεί θα μπορεί να συνδυάζει και να καλύπτει διαφορετικές πληροφορίες -από την καταγραφή των βιολογικών πρώτων υλών έως τις απαραίτητες πληροφορίες βιοτεχνολογικής παρέμβασης για την ποιοτική και ποσοτική αξιοποίησή τους- και να χρησιμοποιηθεί από τον κάθε ενδιαφερόμενο.
Ποιος είναι
Ο Κώστας Ματθιόπουλος είναι καθηγητής Μοριακής Βιολογίας στο Τμήμα Βιοχημείας και Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας και επιστημονικός υπεύθυνος της ερευνητικής υποδομής της Συνθετικής Βιολογίας «OMIC-Engine».
Τελείωσε το Χημικό Τμήμα του ΕΚΠΑ και στη συνέχεια έκανε διδακτορικό στη Μοριακή Βιολογία και Μικροβιολογία στο Πανεπιστήμιο Tufts της Βοστόνης και Μάστερ στη Δημόσια Υγεία στο Πανεπιστήμιο Harvard.
Η μετέπειτα ερευνητική του δραστηριότητα στο Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας των ΗΠΑ (NationalInstitutesofHealth, NIH) και στο Πανεπιστήμιο La Sapienza της Ρώμης επικεντρώθηκε στα ανωφελή κουνούπια-φορείς της ελονοσίας.
Με την επιστροφή του στην Ελλάδα, ο κ. Ματθιόπουλος ασχολείται με ζητήματα Μοριακής Βιολογίας και γονιδιωματικής ανάλυσης εντομολογικών εχθρών της γεωργίας, όπως ο δάκος της ελιάς και η μύγα της Μεσογείου, με στόχο την ανάπτυξη εναλλακτικών και φιλικότερων προς το περιβάλλον μεθόδων ελέγχου τους.
Εχει περισσότερες από 50 δημοσιεύσεις σε διεθνή περιοδικά και πάνω από εκατό παρουσιάσεις σε διεθνή και εθνικά συνέδρια.
17.03.2018