Γενετική Μηχανική: Η συνθετική μορφολογία ίσως ανοίξει τον δρόμο για τη δημιουργία νέων μορφών ζωής

Τα μυθικά τέρατα, όπως οι γοργόνες, οι κένταυροι και οι χίμαιρες, δείχνουν ότι από την αρχαία εποχή ο άνθρωπος εντυπωσιαζόταν με την πλαστικότητα των βιολογικών μορφών, τη δυνατότητα οι φυσικοί οργανισμοί να μεταλλαχθούν ή να αναδιαταχθούν. Τόσο οι θρύλοι, όσο και η επιστημονική φαντασία, από τη νουβέλα «Το νησί του δόκτορα Μορό» του Χ. Τζ. Γουέλς, ως την ταινία «Splice» του 2009, τείνουν να θεωρούν τους ζωντανούς οργανισμούς ως συνθέσεις κομματιών, που μπορούν να ανακατευθούν και να αναδιαταχθούν κατά βούληση. Όμως, η απλή συνένωση εξαρτημάτων δεν παράγει έναν βιώσιμο οργανισμό. Τα σώματα δεν είναι συλλογές τυχαίων κομματιών. Ένα ανθρώπινο έμβρυο αναπτύσσεται σε ένα ον με τα τυπικά χαρακτηριστικά του ανθρώπινου σώματος, με όλα τα μέρη να λειτουργούν συγχρονισμένα. Οι βιολογικές μορφές φαίνεται να έχουν αναπότρεπτες, ιδιαίτερες το καθένα δομές – στόχους.

Ένας αναπτυσσόμενος επιστημονικός κλάδος, που ονομάζεται συνθετική μορφολογία, αμφισβητεί αυτήν την αντίληψη. Διερευνά πώς και μέχρι ποιο σημείο τα φυσικά σχήματα και οι συνθέσεις της ζωντανής ύλης μπορούν να τροποποιηθούν. Σκοπός της συνθετικής μορφολογίας δεν είναι να δημιουργήσει γκροτέσκα όντα, αλλά να κατανοήσει βαθύτερα τους νόμους της φυσικής μορφογένεσης (της ανάπτυξης της βιολογικής μορφής) και να κατασκευάσει χρήσιμες δομές και συσκευές, χρησιμοποιώντας κατάλληλα ζωντανούς ιστούς για εφαρμογές στην ιατρική, στη ρομποτική και αλλού.

Επόμενο επίπεδο

Η συνθετική μορφολογία μπορεί να θεωρηθεί ως το επόμενο στάδιο της συνθετικής βιολογίας. Η τελευταία έχει εντυπωσιακά επιτεύγματα στην επαναχρησιμοποίηση κυττάρων, ώστε να πραγματοποιούν λειτουργίες διαφορετικές από τις φυσικές τους, όπως να λάμπουν στην παρουσία ρύπων και άλλων χημικών. Μεγάλο μέρος της συνθετικής βιολογίας περιλαμβάνει γενετική μηχανική για την εισαγωγή δικτύων γονιδίων, που δίνουν στα κύτταρα νέες λειτουργίες, όπως η παρασκευή ενζύμων, τα οποία επιτρέπουν με τη σειρά τους την παρασκευή μορίων που δεν υπάρχουν στη φύση.

Η συνθετική μορφολογία εργάζεται στο επόμενο επίπεδο: Τον έλεγχο των σχημάτων και των μορφών που συνθέτουν τα κύτταρα, όταν βρεθούν πολλά μαζί. Χρησιμοποιώντας τα κύτταρα πολυκύτταρων οργανισμών (όπως ο άνθρωπος), η τεχνολογία αυτή μπορεί να επιτρέψει στους επιστήμονες να σχεδιάσουν τελείως νέους ιστούς, όργανα, σώματα, ακόμη και οργανισμούς, αξιοποιώντας την τεράστια προσαρμοστικότητα και πλαστικότητα μορφής και λειτουργίας, που φαίνεται να υπάρχει μέσα στη ζωντανή ύλη. Οι δυνατότητες περιορίζονται μόνο από τη φαντασία μας, λέει ο βιομηχανικός Ρότζερ Καμ, του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT). Μπορεί, για παράδειγμα, να σχεδιάσουμε ένα νέο όργανο, που θα εκκρίνει ένα συγκεκριμένο βιομόριο για τη θεραπεία μιας ασθένειας, παρόμοια με τον τρόπο που το πάγκρεας εκκρίνει ινσουλίνη. Μπορεί να φτιάξουμε ανιχνευτικά κύτταρα, που θα παρακολουθούν τους βιοχημικούς δείκτες της ασθένειας, όπως κάνουν οι ηλεκτρονικές συσκευές ελεγχόμενης απελευθέρωσης φαρμάκων, που τοποθετούνται χειρουργικά μέσα στο σώμα, αλλά αυτήν τη φορά θα είναι ζωντανές. Ωστόσο ο Καμ δεν παραλείπει από τα ενδεχόμενα και την κατασκευή «υπεροργάνων», όπως μάτια ικανά να βλέπουν το υπεριώδες φως, εφαρμογές βέβαιου στρατιωτικού ενδιαφέροντος και ταυτόχρονα εφαρμογές που δεν θα είναι προσβάσιμες παρά μόνο από τους πολύ πλούσιους, όσο υπάρχει το σύστημα που χωρίζει τους ανθρώπους σε πλούσιους και φτωχούς.

Ο βιολόγος Μάικλ Λέβιν, του Πανεπιστημίου Ταφτς, το προχωράει παραπέρα. Τελικά μπορούμε να φανταστούμε εντελώς νέα ζωντανά όντα, όντα που δεν έχουν πάρει μορφή από τη βιολογική εξέλιξη, αλλά από τα δικά μας σχέδια. «Μελετώντας τους φυσικούς οργανισμούς, αρχίζουμε μόλις να εξερευνούμε μια μικροσκοπική γωνίτσα του χώρου δυνατοτήτων όλων των πιθανών όντων», λέει. Η συνθετική μορφολογία θέτει ερωτήματα που αμφισβητούν τις καθιερωμένες ιδέες στη βιολογία: Από πού προέρχεται η μορφή; Ποιους κανόνες ακολουθεί η βιολογική εξέλιξη για να την ελέγχει; Τι συμβαίνει όταν τους παρακάμψουμε; Κάνοντας κάτι τέτοιο μπορεί να αναποδογυρίσουν οι παραδοσιακές απόψεις για το σώμα, τον εαυτό και τα είδη, ίσως και για την ίδια τη ζωή.

Σχέδιο από αλληλεπίδραση

Η αντίληψη των κυττάρων ως «δομικών στοιχείων» του σώματος, τα εμφανίζει μάλλον ως παθητικά στοιχεία, όπως τα τούβλα που χρησιμοποιούμε για να χτίσουμε έναν τοίχο. Αλλά τα κύτταρα είναι πολύ πιο «έξυπνα». Καθένα τους είναι με πολλούς τρόπους μια αυτόνομη ζωντανή μονάδα, ικανή να αναπαραχθεί, να «πάρει αποφάσεις» και να ανταποκριθεί και προσαρμοστεί στο περιβάλλον. Η πολυκύτταρη ζωντανή ύλη οργανώνεται με τον δικό της τρόπο, πράγμα που σημαίνει ότι τα κύτταρα δεν μένουν στην ίδια θέση ούτε στην ίδια κατάσταση. Αυτό είναι ιδιαίτερα φανερό κατά την ανάπτυξη ενός οργανισμού από το γονιμοποιημένο ωάριο. Καθώς το αρχικό κύτταρο διαιρείται και γίνεται δύο, μετά τέσσερα και τελικά δισεκατομμύρια, αλλάζει από αυτό που μοιάζει με μια μη δομημένη μπάλα από πανομοιότυπα κύτταρα, σε ένα σώμα με ευδιάκριτο σχήμα, το οποίο περιέχει διακριτούς ιστούς, που πραγματοποιούν διαφορετικές λειτουργίες, από την παραγωγή των ηλεκτρικών παλμών σύσπασης των ιστών της καρδιάς, έως την έκκριση της ινσουλίνης στο πάγκρεας.

Οι επιστήμονες και πριν απ΄ αυτούς οι φυσικοί φιλόσοφοι αναρωτιούνται χιλιάδες χρόνια τώρα από πού προέρχεται αυτό το σχέδιο του σώματος. Πώς το ομοιογενές σφαιρίδιο, που είναι το πρώιμο έμβρυο, ξέρει τι να φτιάξει και πού να το φτιάξει; Η απάντηση σύμφωνα με τα εγχειρίδια της βιολογίας είναι ότι το σχέδιο περιέχεται στο DNA των κυττάρων, στα γονίδια. Αλλά αυτή η αντίληψη καταρρίπτεται γρήγορα. Πράγματι, αυτό που φαίνεται να παίρνει ως οδηγίες ο ζυγώτης είναι το γονιδίωμά του, αλλά μέσα σε αυτό μάταια θα ψάξει να βρει κάποιος το σχέδιο για την καρδιά ή τον εγκέφαλο. Τα γονίδια απλώς κωδικοποιούν πρωτεΐνες και άλλα μόρια, που ρυθμίζουν την παραγωγή των πρωτεϊνών. Κανένα σχέδιο στο γονιδίωμα δεν θα μπορούσε να περιέχει τις οδηγίες για τα 100 τρισεκατομμύρια συνδέσεων μεταξύ των 100 δισεκατομμυρίων νευρώνων του εγκεφάλου μας. Η εξέλιξη αρκούσε να ορίσει τους βασικούς κανόνες επικοινωνίας και συμπεριφοράς των κυττάρων, που όταν τους δοθεί η δυνατότητα να εκδηλωθούν στο γόνιμο περιβάλλον της μήτρας ή του αυγού, παράγουν με αξιοπιστία μια συγκεκριμένη μορφολογία. Είναι πιο σκόπιμο να σκέφτεται κανείς τα μοριακά δίκτυα του κυττάρου ως κωδικοποίηση συγκεκριμένων συμπεριφορών και τάσεων, από τις οποίες προκύπτει η μορφολογία, όταν αυτές οι «παρορμήσεις» εκδηλώνονται μεταξύ πολλών κυττάρων. Για να κατανοήσουμε και ενδεχομένως να ελέγξουμε τις μορφές των πολυκύτταρων δομών, πρέπει να ανακαλύψουμε αυτούς τους νόμους συμπεριφοράς των κυττάρων.

Πολλαπλοί τρόποι επικοινωνίας

Τα κύτταρα παράγουν τάξη και μορφή επικοινωνώντας το ένα με το άλλο. Καθένα περιβάλλεται από μια μεμβράνη διάστικτη με ειδικά μόρια, συνήθως πρωτεΐνες. Αυτά τα μόρια είναι ικανά να λαμβάνουν σήματα, που φτάνουν στην επιφάνεια του κυττάρου και να τα μετατρέπουν σε μηνύματα προς τα εσωτερικά δίκτυα του κυττάρου, καταλήγοντας τελικά στην ενεργοποίηση ή κατάπνιξη συγκεκριμένων γονιδίων. Υπάρχουν τρεις κύριοι τρόποι επικοινωνίας. Ο ένας είναι χημικός: Ένα μόριο φτάνει στην επιφάνεια του κυττάρου και συνδέεται με μια πρωτεΐνη υποδοχέα, πυροδοτώντας κάποια αλλαγή σε αυτή, που ενεργοποιεί μια αλληλουχία σημάτων στο εσωτερικό του κυττάρου. Ο δεύτερος είναι μηχανικός. Το τέντωμα ή η συμπίεση μιας κυτταρικής μεμβράνης, όταν ένα άλλο κύτταρο κολλήσει πάνω του, μπορεί να αλλάξει τη συμπεριφορά πρωτεϊνών της κυτταρικής μεμβράνης, ώστε να δέχονται ευκολότερα ή να εμποδίζουν το πέρασμα στο εσωτερικό ηλεκτρικά φορτισμένων ιόντων από το περιβάλλον. Ο τρίτος τρόπος είναι ηλεκτρικός. Ιόντα που περνούν μέσα από διόδους στην κυτταρική μεμβράνη πολώνουν ηλεκτρικά το κύτταρο. Ετσι τα ηλεκτρικά σήματα μεταδίδονται μέσα στον μυϊκό ιστό της καρδιάς, ώστε να προκληθεί σύσπαση. Η ηλεκτρική σηματοδότηση είναι λειτουργικότητα που διαθέτουν τα περισσότερα κύτταρα και γι΄ αυτό ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν ότι δημιουργεί ισχυρές ικανότητες επεξεργασίας πληροφοριών, που μπορούν να επηρεάσουν τη μορφολογία.

Η μορφογένεση είναι μια ευαίσθητη διαδικασία, που περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση πληροφορίας στην κλίμακα ολόκληρου του οργανισμού, τη γενετική και μοριακή δραστηριότητα των κυττάρων του και όλων όσα βρίσκονται ενδιάμεσα – ένα πολύπλοκο μείγμα σηματοδότησης από κάτω προς τα πάνω, από πάνω προς τα κάτω και από τη μέση προς τα έξω. Αν τα κύτταρα πολλαπλασιάζονται πιο γρήγορα σε ένα μέρος του εμβρύου απ” ό,τι σε ένα άλλο, ο αναπτυσσόμενος ιστός μπορεί να λυγίσει και να διπλώσει. Αυτή η παραμόρφωση παράγει μηχανικές τάσεις, που ανατροφοδοτούνται πίσω στα κύτταρα, ώστε να τροποποιηθεί το επίπεδο ενεργοποίησης συγκεκριμένων γονιδίων, διαφοροποιώντας τα κύτταρα από άλλα που βρίσκονται κοντά και κατευθύνοντας την ανάπτυξη προς έναν συγκεκριμένο ιστό ή όργανο.

Επιμέλεια: Σταύρος Ξενικουδάκης – Πηγή: «Scientific America

(Αναδημοσίευση από τον Ριζοσπάστη του Σαββατοκύριακου 2-3 Σεπτέμβρη 2023)