Βακτήρια: πως μπορούν να γίνουν ρομπότ

Πηγή: The Daily Telegraph, 4 Μαίου 2005

Μηχανικοί προσπαθούν να προγραμματίσουν τα κύτταρα κάνοντας τους μικροσκοπικούς υπολογιστές, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν να επιδιορθώνουν βλάβες στους ιστούς ή για να ανιχνεύσουν τοξίνες. Αυτά τα προκλητικά σχέδια είναι το αποτέλεσμα των προσπαθειών που γίνονται σήμερα στα εργαστήρια για να βελτιωθεί η εξέλιξη τεσσάρων δισεκατομμυρίων ετών και να μετατραπούν τα βακτηρίδια σε ζωντανά ρομπότ.

Μηχανικοί της γενετικής έχουν προγραμματίσει τα αβλαβή βακτηρίδια Escherichia coli, που βρίσκονται μέσα στο έντερο για να μπορούν επικοινωνούν το ένα με το άλλο και να παραγάγουν διάφορα μοτίβα. Ο άθλος αυτός πραγματοποιήθηκε από μια ομάδα του πανεπιστημίου του Princeton στο Νιου Τζέρσευ και δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature. Ο τομέας αυτός της βιολογίας είναι γνωστός ως "συνθετική βιολογία" και σε αυτήν τα βακτήρια-ρομπότ θα έχουν δεσπόζοντα ρόλο.

Οι επιστήμονες στοχεύουν να κάνουν τα ζωντανά κύτταρα να λειτουργήσουν σαν να ήταν μικροσκοπικοί υπολογιστές για να μπορούν έτσι να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των τοξινών λάμποντας, είτε για την επιδιόρθωση των ιστών και των διαφόρων οργάνων μέσα στο σώμα.

Οι επιστήμονες έχουν ασχοληθεί με τα γονίδια εδώ και τρεις δεκαετίες, ενώ ο νέος τομέας είναι μια επέκταση της συμβατικής εφαρμοσμένης γενετικής μηχανικής (GM). Εντούτοις, η παραδοσιακή GM δεν προσφέρει τίποτα σαν την ακρίβεια της νέας ειδικότητας της εφαρμοσμένης μηχανικής. Εάν μπορεί να επιτευχθεί αυτό με τη συνθετική βιολογία, θα δώσει την ευκαιρία για να ερευνηθούν τα παλιά ζητήματα για το πώς ξεκίνησε η ζωή πάνω στη γη, ή πώς ένα γονιμοποιημένο ωάριο μετατρέπεται σε ένα τέλειο οργανισμό δισεκατομμυρίων κυττάρων, και ακόμη ποια ζωή μπορεί να υπάρχει σε άλλους κόσμους.

Οι πιο ενθουσιώδεις υποστηρικτές της συνθετικής βιολογίας ελπίζουν να φτιάξουν οργανισμούς που να μπορούν να συμπεριφερθούν προβλέψιμα, να τους σχεδιάσουν έτσι ώστε να μπορούν να τους τροποποιούν όποτε θέλουν, να χρησιμοποιήσουν ακόμη και έναν μεταβαλλόμενο γενετικό κώδικα, που θα επέτρεπε σε ένα μικρόβιο να εκτελέσει τέτοιες εργασίες που κανένας φυσικός οργανισμός δεν θα μπορούσε. Θέλουν, παραδείγματος χάριν να σχεδιάσουν ένα κύτταρο που θα 'κολυμπά' μέσα στα αιμοφόρα αγγεία και θα αφομοιώνει τις λιπαρές ουσίες στα τοιχώματα των αρτηριών (την αθηρωματική πλάκα), που συσσωρεύονται στα τοιχώματα των αρτηριών. Θα δρα δηλαδή σαν αθηρωματοφάγος. Ή να προσαρμοστούν έτσι τα βακτηρίδια που να προειδοποιούν για τους ρύπους ή όταν θα βρίσκονται μέσα σε φυτά θα τους αλλάζουν το χρώμα τους όταν ανιχνεύουν βιολογικά όπλα, όπως τα αέρια των νεύρων.

"Σκεφτόμαστε τώρα τα κύτταρα ως προγραμματίσημες συσκευές. Είμαστε στο στάδιο να προγραμματίσουμε μεμονωμένα κύτταρα ώστε να καθοδηγούν εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια άλλα κύτταρα για να κάνουν ενδιαφέροντα πράγματα", λέει ο Δρ Ron Weiss του Princeton. "Θέλουμε να επιτύχουμε περίπλοκες συμπεριφορές που να εξαρτώνται από περίπλοκα σύνολα οδηγιών."

Οι πρωτεΐνες μέσα στα κύτταρα παίζουν τον σπουδαιότερο ρόλο. Μεταφέρουν εντολές από το ένα μέρος ενός κυττάρου σε άλλο ή μεταξύ των κυττάρων, ή άλλες πάλι συνδυάζονται μεταξύ τους ή διασπούν μια πρωτεΐνη στα δύο. Πολλές παρεμποδίζουν τα γονίδια να δράσουν, ενώ άλλες χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν τα συστήματα ανατροφοδότησης πληροφοριών της δραστηριότητας, όπου η παρουσία μιας πρωτεΐνης επιταχύνει ή επιβραδύνει μια μεταβολική δράση. Εν γένει, υπάρχουν περίπου 4.000 πρωτεΐνες που διατρέχουν το ζωντανό 'δίκτυο' σε ένα E coli.

Πριν πέντε έτη, οι Michael Elowitz και Stanislas Leibler, στο Princeton, συνδύασαν τρία αλληλεπιδρώντα γονίδια με έναν τρόπο που έδωσε στο E coli ένα πράσινο αστράφτον χρώμα. Με αυτό τον τρόπο αναβόσβηναν σαν τα λαμπάκια των Χριστουγεννιάτικων δέντρων.

Μία ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Βοστόνης, James Collins, Charles Cantor και Timothy Gardner τροποποίησε ορισμένα βακτήρια έτσι ώστε να αποτελούν κάτι σαν γενετικό διακόπτη. Τα βακτήρια απέκτησαν μια παράξενη ιδιότητα - μια υποτυπώδη ψηφιακή μνήμη - και κάθε φορά που έπεφτε πάνω τους υπεριώδης ακτινοβολία, ο γενετικός τους διακόπτης «άναβε». Αμέσως, άρχιζαν ν' αλλάζουν συμπεριφορά και να προσεγγίζουν άλλα βακτήρια ώστε να σχηματίζουν όλα μαζί μια καινούργια κοινωνία.

Ο Weiss έχει υιοθετήσει μια παρόμοια μέθοδο για να δημιουργήσει με τη σειρά του ένα γενετικό κύκλωμα σε βακτήρια, τα οποία μπορούσαν πλέον να αλλάζουν το χρώμα τους κάθε φορά που αντιλαμβάνονταν ότι μια άγνωστη χημική ουσία - στόχος, εμφανιζόταν να μην ήταν πάρα πολύ υψηλής συγκέντρωσης ή πολύ μικρότερη της κανονικής.

Στις αρχές του τρέχοντος έτους, συνεργάστηκε με τους Sara Hooshangi και Stephan Thiberge, και άλλαξε το γενετικό κώδικα των βακτηριδίων ώστε με την εισαγωγή μιας πρωτεΐνης να δρουν κατά διαφορετικό τρόπο, ανάλογα αν η συγκέντρωση της ήταν υψηλή ή χαμηλή, Δηλαδή, κάτι σαν το 1 ή το 0 ενός ψηφιακού ηλεκτρονικού κυκλώματος. Τα βακτηρίδια, παραδείγματος χάριν, θα μπορούσαν να προγραμματιστούν για να εκτελέσουν τις βασικές μαθηματικές λειτουργίες των λογικών κυκλωμάτων, σαν τα τσιπ του πυριτίου.

Στη νέα ερευνητική δουλειά, που δημοσιεύτηκε, εφαρμόζει παρόμοιες τεχνικές σε έναν μεγάλο πληθυσμό κυττάρων. Βρήκε δε έναν τρόπο ώστε να κάνει το γνωστό βακτήριο Ε coli να εκπέμπει ένα κόκκινο ή πράσινο αμυδρό φως κάθε φορά που αντιλαμβάνεται ότι ένα αντίστοιχο βακτήριο κάνει το ίδιο.

"Διαπιστώνουμε ότι τα κύτταρα έχουν την ικανότητα να στέλνουν μηνύματα σε άλλα κύτταρα και αυτά να αντιδρούν μόλις λάβουν το μήνυμα".

Το πείραμα αυτό ίσως αποτελέσει πολύτιμο εργαλείο στα χέρια ειδικών που κινούνται στο χώρο της αναπτυξιακής βιολογίας και οι οποίοι προσπαθούν να κατανοήσουν το πώς τα κύτταρα ενός εμβρύου έχουν την έμφυτη ιδιότητα να επιμερίζονται σε ομάδες καθεμία από τις οποίες σχηματίζει αργότερα τα ζωτικά όργανα του σώματος.

Από τη στιγμή που οι επιστήμονες θα καταφέρουν να προγραμματίσουν τα κύτταρα με τον τρόπο που αυτοί θέλουν, θα μπορούν να τα κατευθύνουν μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό σαν να είναι ρομπότ. Θα μπορούν να τους δίνουν εντολές ώστε να ελέγχουν την επισκευή ή την κατασκευή ιστών. Αυτό ίσως να το καταφέρουν με το να θέσουν υπό την καθοδήγησή τους βλαστικά κύτταρα σε περιοχές που απαιτούνται για την ανάπτυξη καινούργιων νεύρων, μυώνων ή οστικών κυττάρων.

Ταυτόχρονα οι επιστήμονες προσπαθούν να φτιάξουν στους ηλεκτρονικούς τους υπολογιστές ορισμένα μοντέλα που να τους προσφέρουν μια ιδέα για το πώς μπορούν τα τροποποιημένα βακτήρια να συμπεριφερθούν μέσα στον οργανισμό. Επιχειρώντας στον ψηφιακό τους κόσμο να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά αυτή, οι ειδικοί οραματίζονται τη δημιουργία βακτηρίων που θα υπακούν σε εντολές για να σχηματίζουν μεγαλύτερες κοινωνίες βακτηρίων, κάτι σαν ομάδες «κρούσης», οι οποίες θα αποδομούν διάφορες επικίνδυνες ουσίες ή θα επιτίθενται σε καρκινικά κύτταρα.

Το ζητούμενο είναι να υπάρξει μια ψηφιακή ταυτότητα για κάθε τέτοιο λιλιπούτειο τροποποιημένο οργανισμό, ώστε οι ειδικοί προτού τού αναθέσουν κάποια εξειδικευμένη εργασία μέσα ή έξω από το ανθρώπινο σώμα, να μπορούν να απεικονίσουν τη δράση του στον ηλεκτρονικό υπολογιστή και να ξέρουν αν είναι ικανός να διεκπεραιώσει τις εντολές που θα λάβει.

Home