Η φαντασία στην επιστήμη: Βιολιστική

Η φαντασία στην επιστήμη: Βιολιστική
Ένα επιτραπέζιο "γονιδιακό όπλο" που χρησιμοποιείται στην βιολιστική!

Την προηγούμενη βδομάδα σου σέρβιρα ένα αρθράκι το οποίο έσπασε κάθε ρεκόρ αναγνωσιμότητας του Texnologia.Net: αφορούσε έξυπνες πατέντες στον χώρο της χημείας που τις χαρακτηρίζει η φαντασία και που, μέσω της σχετικής απλότητάς τους, έδιναν απάντηση σε “καθημερινά” τεχνικα προβλήματα εργαστηρίου, αλλάζοντας μια για πάντα τον τρόπο που δουλεύει ένας χημικός. Η έξαψη του αναγνωστικού μου κοινού ήταν κάτι παραπάνω από έκδηλη!

Τους περισσότερους τους βρήκε η μάνα τους ή το συντρόφι τους νεκρούς από ηλεκτροπληξία όταν εν μέσω ύπνου πάνω στο πληκτρολόγιο γειώθηκαν λόγω σάλιου που βρήκε πλακέτα κυλώντας ανάμεσα στα πλήκτρα. Άλλοι εξερράγησαν όταν το χέρι τους έπιασε ταχύτητες άνω του c πηγαίνοντας προς το back button του browser τους, ενώ οι μαστούρηδες της παρέας -προστατευμένοι λόγω έλλειψης λειτουργικών νευρώνων- το εκτύπωσαν σε πολλές κόπιες και το μοσχοπούλησαν στην πιάτσα καλύτερα και από τα “μπούμπλε” που κλέβουν από τον παππού τους.

Το μόνο πρόβλημα εδώ ήταν ότι δεν άργησαν να αρχίσουν να ζητάν τα λεφτά τους πίσω, επειδή το προϊόν “δεν τους έκλασε μία“, πράγμα λογικότατο άπαξ και… υστερούν κάπως στην ανάγνωση. Βλέποντας όλα τούτα δεν μπόρεσα παρα να κάνω ότι θα έκανε κάθε έξυπνος άνθρωπος που έπιασε το νόημα των παραπάνω αντιδράσεων: να σας δώσω το δεύτερο μέρος του άρθρου! Σήμερα το μενού έχει μια πανέξυπνη πατέντα από τον χώρο της βιολογίας.

Η βασικη διαφορά χημειας και βιολογίας σε θέματα “πατεντών” του εξοπλισμού είναι πως η χημεία έχει πιο “φαινομενικά απλό” εξοπλισμό στην καθημερινή της τέλεση: κυριαρχούν φλάσκες, υαλικά και κάθε λογής “περιέκτες”, οι οποίοι διακρίνονται κυρίως για την έξυπνη κατασκεύη τους, αλλα αυτό που ουσιαστικά βλέπεις είναι το γυαλί καμωμένο σε έξυπνα και λειτουργικά σχήματα. Αν εξαιρεθούν πολυαντιδραστήρες, δηλαδή σχετικά σπάνιες για το μέσο εργαστήριο μηχανές, που τις προγραμματίζεις να τρέχουν αντιδράσεις ρυθμίζοντας θερμοκρασία και προσθήκη αντιδραστηρίων την κατάλληλη στιγμή, ο πιο “σύνθετος” και “δυσνόητος” εξοπλισμός που παίζει να βρείς σε ένα εργαστήριο χημείας είναι οι πάσης φύσεως “χρωματογράφοι” (υπέρυθροι φασματογράφοι, φωτόμετρα, HPLC, NMR κτλ).

Η “απλότητα” του καθημερινού χημικού εξοπλισμού κάνει εν μέρει την εφεύρεση καινούργιων απλών συσκεύων δυσκολότερη: πόσο παραπάνω να απλουστεύσεις το ήδη απλό; Τούτο φυσικά μέχρι κάποιος με αρκετά έξυπνο τρόπο να βελτιώσει το ήδη απλό! Αυτό έχει ως άμεσο απότέλεσμα πως πλέον για να διακριθείς στην χημεία πρέπει να ανακαλύψεις κάποιον μηχανισμό αντίδρασης ή μια νέα σύνθεση που θα πάρει το όνομά σου.

Αντίθετα οι βιολοεπιστήμες συνήθως έχουν εξοπλισμό σαν αυτόν που φοβάσαι και φαντάζεσαι: φωτάκια, κουμπάκια, μπόλικο ηλεκτρονιλίκι και πλαστικά καλύματα να κρύβουν το “μυστήριο” που τελείται καθώς η συσκεύη επεξεργάζεται το δείγμα σου. Εδώ τα πράματα ξεκινάνε ίσως αντίστροφα απ’ ότι στην κατασκευή έξυπνων υαλικών για χημικά εργαστήρια: συνήθως η όλη πατέντα βρίσκεται σε έξυπνη ή πρωτότυπη χρήση βασικότατων βιοφυσικών/βιοχημικών “αρχών”.

Γαμάτες ιδέες που όταν τις συλλαμβάνεις έρχεσαι σε νοητική στύση λόγω του πώς πήρες έναν μηχανισμό της φύσης και τον “έβαλες” να σε εξυπηρετεί, οι οποίες όμως ίσως σου βγάλουν την πίστη για να τις εφαρμόσεις, να τις αυτοματοποιήσεις και πόσο μάλλον να τις τελειοποιήσεις, κυνηγώντας όλες εκείνες τις “μικρές” αλλά τόσο ουσιαστικές λεπτομέρεις που εμποδίζουν την ιδέα σου από το να δουλέψει. Σήμερα, θα σε εξιτάρω δίνοντάς σου μια μικρή, απαλή γεύση μιας τέτοιας περίπτωσης… Της βιολιστικής!

Βιολιστική; Πρέπει να πάω στο δύο για να την μάθω;

Καμία σχέση με τα βιολιά, αλλά εσύ εκεί, το βιολί σου. Σκέψου το σαν να συνδυάζεις την λέξη βιολογία με την λέξη βαλλιστική και έχεις την λέξη… βιολιστική! Πάμε να το δούμε τόσο απλά, σαν να το εξηγώ σε άτομο με νοητική υστέρηση — αν και ακόμα και μια τέτοια εξήγηση ίσως είναι υπερβολικά σύνθετη για εσένα, τουλάχιστον ένα άτομο με νοητική υστέρηση δεν είναι μανιασμένο με το Facebook, άρα σου ρίχνει από νιονιό.

Σου έχει τύχει ποτέ να προσπαθείς να χωρέσεις κάτι, με αρκετά εξευγενισμένο τρόπο όπως αρμόζει στην παιδεία σου, σε ένα μέρος ή σε μια τρύπα και αυτό να μην μπορεί να μπει; Δεν είσαι ο μόνος! Το ίδιο πρόβλημα συνάντησε και ο φίλος μας ο Παπαχρόνης, αλλά το έλυσε αποφασιστικά όπως θα έκανες και εσύ! Ξεχνάς τα γαλλικά σου, το πιάνο και την ιππασία και το βαράς, το κλωτσάς σαν να σου χρωστάει δέκα νοίκια, μέχρι να μπεί — έτσι, ζοριλίκι και βία! Όσο παράξενο και να σου φανεί, το ίδιο πρόβλημα συναντούν και πολλοί βιολόγοι, ασχέτως που συνήθως το μόριό τους είναι πολύ μικρό και κανονικά θα έπρεπε -αντίθετα με ότι σου ούρλιαζε κάποτε ο Αγγελάκας- να χωράει παντού.

Όχι, δεν αναφέρομαι στα πέη τους (αν και αληθεύει πως γενικά τα μόριά τους είναι μικρά), αναφέρομαι στο DNA και τα γονίδια με τα οποία παίζουν. Υπάρχουν πανέξυπνες τεχνικές για να βάλεις το DNA που θες μέσα σε ένα κύτταρο και αυτό να κάνει τα “μαγικά” του που τόσο πολύ φοβάσαι όταν στα βάζουν στην τροφή, οι οποίες τεχνικές είναι κυρίως μίμηση της φύσης.

Μπορείς π.χ. να βάλεις το DNA που θες σε έναν ιό και να αφήσεις αυτόν να κάνει την βρωμοδουλειά σου, μπορείς να το βάλεις σε ένα βακτηρίδιο και να αφήσεις αυτό να το μεταφέρει στο φυτικό κύτταρο της επιλογής σου, μπορείς επίσης να χρησιμοποιήσεις και χημικές ουσίες που κάνουν τα κύτταρά πιο “δεκτικά” στις ανήθικές σου προτάσεις — όπως ακριβώς με τις γυναίκες και το χλωροφόρμιο, το GHB ή τα roofies (το αλκοόλ είναι τόσο passè για τους connoisseur του είδους!).

Υπάρχουν όμως ορισμένες φορές και ορισμένοι τύποι κυττάρων που, όσο και να χτυπάς τον κώλο σου κάτω, αρνούνται πεισματικά να συνεργαστούν μαζί σου και να βάλουν μέσα τους με χαρά το μόριό σου. Τι κάνεις; Τα πληρώνεις με το ίδιο νόμισμα, αφού σου κάνουν ζοριλίκα, θα τους κάνεις και εσύ ζοριλίκια, θυμούμενος την προϋπηρεσία σου στην πιάτσα: πυροβόλησέ τα, να μάθουν να σου κάνουν μαγκιές!

Ποιος παρανοϊκός εγκέφαλος σκέφτηκε κάτι τέτοιο;

Ο John, μαζί με τον καινούργιο φιλαράκο του τον Ed! Η ιδεά του πυροβολισμού και της όλης “βιολιστικής”, ξημέρωσε στον John C. Sanford, στις αρχές της τρελούτσικης δεκαετίας του ’80 όταν με το διδακτορικό του άρχισε να ασχολείται με την διασταύρωση φυτών. Εκείνη την εποχή η γενετική μηχανική -τουλάχιστον όπως υπάρχει σήμερα- φάνταζε σχεδόν επιστημονική φαντασία και ο John είπε να δοκιμάσει την τύχη του εκεί.

Στην αρχή δοκίμασε με μικρολεϊζερ και άλλες τέτοιες συσκεύες να ανοίξει “τρύπες”στα κύτταρα και να βάλει μέσα το DNA αλλά δεν άργησε να ανακαλύψει πως κάτι τέτοιο δεν ήταν καθόλου πρακτικό. Βλέποντας την δουλειά του οι συνάδελφοί του, τον συμβούλεψαν να έρθει σε επαφή με τον Ed Wolf, τον διευθυντή της “Submicron” ο οποίος ασχολούταν με χρήση επιταχυντών σωματιδίων για την τροποποίηση της επιφάνειας διαφόρων υλικών. Το ωραίο με αυτόν τον τύπο ήταν πως το πεδίο του γνώριζε άνθηση, διότι τέτοιες τεχνικές ήταν πολύ χρήσιμες στην δημιουργία μικροκυκλωμάτων και κατα συνέπεια είχε αρκετό εξοπλισμό και χρηματοδότηση: ότι πρέπει δηλαδή για μεγαλεπήβολα σχέδια που θέλουν τρελούς εξοπλισμούς με λέιζερ και άλλα τέτοια κουλά.

Η γνωριμία τους ήταν αρκετά ενδιαφέρουσα, όπως συνήθως συμβαίνει σε άτομα που δεν έχουν πολλά κοινά στα χόμπυ τους, φίλε αναγνώστη. (Να μην ξεχάσεις: να βγείς έξω και να γνωρίσεις άτομα διαφορετικά από εσένα, μην κάνεις παρέα μόνο με νοητικούς/ιδεολογικούς κλώνους σου!). Ο Ed δεν είχε ιδέα από βιολογία — καραγούσταρε όμως την ιδέα να χρησιμοποιήσει τα ακριβά του παιχνίδια πάνω σε κάτι καινούργιο και ο John κοίταζε με διεσταλμένες κόρες όλο αυτό το high tech τσίρκο από παράξενα και ακατανόητα μηχανήματα.

Εν μέσω αμοιβαίας περιέργειας άρχισαν να συζητούν για το πως θα κάνουν το “θαύμα”. Δεν άργησε ο Εd να επιβεβαιώσει στον John πως το να ανοίγεις τρύπες στα κύτταρα μάλλον δεν ήταν τόσο πρακτικό, διότι είχε πολλούς περιορισμούς από πλευράς καθαρά φυσικής και έτσι άρχισαν ένα διαολεμένο brainstorming πάνω σε άλλες χρήσεις αυτών των μηχανών, με τις οποίες μπορούσαν να παίξουν. Η κεντρική ιδέα του Ed ήταν “κάπως” να φορτώσουν σε μια ακτίνα σωματιδίων το DNA και με αυτήν να χτυπήσουν τα κύτταρα ώστε αυτό να μπεί μέσα, ουσιαστικά να πυροβολίσουν τα κύτταρα με ένα super “ενεργειακό όπλο”!

Ενεργειακό όπλο που θα μεταφέρει το DNA στα φυτά σου

“Stand back“, αναγνωστάκο, “they are going to try science!“. Κάπου εδώ ο μόνος παρανοημένος εγκέφαλος της παρέας, δηλαδή ο δικός σου, τους φαντάζεται να έχουν προετοιμάσει το μηχάνημα φορώντας τις λευκές ποδιές τους και τα σουτιέν κάποιας ελαφριούτσικης φοιτήτριας στο κεφάλι. Το μεγαλειώδες μηχάνημα είναι ένα μεγάλο κιβώτιο με μια λεπτή και μακριά κάνη σαν κεραία, που στην μια του πλευρά έχει μια κονσόλα χειρισμού με πολλά κουμπάκια και άλλα τόσα λαμπιόνια.

Ο Ed πατάει τα κουμπιά του μηχανήματος με τρόπο που μόνο ένας “ειδικός”, ένας “επιστήμων” μπορεί να τα πατήσει και ο John κάνει τους τελικούς ελέγχους στο δείγμα του DNA προτού το φορτώσει στην θαλάμη. Ακούγεται ένας ήχος που αυξάνει σε τονικότητα και πιάνει τελικό επίπεδο που τρυπάει τύμπανα, και τότε ο Ed πληροφορεί τον John πως είναι έτοιμοι να αρχίσουν την πρώτη τους δοκιμή!

Στρέφουν το όπλο, στοχεύοντας την κάνη προς ένα πρόβατο που έκλεψαν από κάποιον κακομοίρη Ουαλό που τώρα πνίγει τον καημό του στα βίσκια και ο Ed πατάει το μεγάλο-και-κόκκινο-όπως-επιβάλλεται-σε-τέτοια-εγχειρήματα κουμπί και τότε… τότε ξυπνάς με το κυλοτάκι σου λούτσα! Ναι, ψάρακλά μου, ήταν ακόμα μια από τις ονειρώξεις σου για πράματα που δέν γνωρίζεις, δεν ψάχνεις για να μάθεις διότι δεν σε ενδιαφέρουν, αλλά παρ’ ολ’ αυτά είτε τα θεοποιείς, είτε τα καταδικάζεις μέσα στο μικρό σου κεφαλάκι!

Το “NRG WEAPON OMG” δεν φτιάχτηκε ποτέ, διότι μιλώντας το παραπάνω και οι δύο είχαν αμφιβολίες ως προς το αν το DNA θα μπορούσε να επιταχυνθεί “ως έχει” και εκτός αυτού, τα μηχανήματα που είχαν δεν ήταν αρκετά ισχυρά ώστε να κάνουν ένα τόσο μικρό μόριο να απόκτήσει ορμή (ταχύτητα επί μάζα = στην φυσική κοίταζες τα βυζιά της Μαιρούλας) ώστε να τρυπήσει το τοίχωμα του κυττάρου.

Εκεί πάνω την είδαν αλλιώς, και σκέφτηκαν, αντί να χρησιμοποιήσουν μεγαλύτερη ταχύτητα για να πιάσουν την απαιτούμενη ορμή, να χρησιμοποιήσουν κάτι με μεγαλύτερη μάζα το οποίο θα σπρώξει το DNA μαζί του μέσα στο κύτταρο. Επισκεύτηκαν το τότε Google/Wikipedia (διάβαζε: “βιβλιοθήκη“) και διάλεξαν ένα πυκνό μέταλλο το οποίο σε διαμέτρημα μερικών μικρόμετρων να έχει την απαιτούμενη μάζα: το βολφράμιο (tungsten). Ναι, εκείνο το παράξενο μέταλλο που έχουν μέσα τους ορισμένες λάμπες! Εκει πάνω ήρθε και το κρίσιμο ερώτημα του Ed το οποίο θα τον βοηθούσε να επιλέξει το κατάλληλο μηχάνημα : “Με τι ταχύτητα λες να το στείλουμε πάνω στον στόχο;“. O John, επηρεασμένος από το πρόσφατο καλοκαίρι που κυνηγούσε ενοχλητικούς σκίουρους στην αυλή, απάντησε “ξέρω ‘γω… ταχύτητα αεροβόλου; Μια χαρά φαίνεται να τρυπάει κύτταρα!” και… εγένετο φώς!

Οι επόμενες μέρες τους βρήκαν να πυροβολάνε κρεμμύδια. Το κρεμμύδι έχει μεγάλα κύτταρα, αποτελεί καλό στόχο για ένα τέτοιο πείραμα. Και τα πυροβολούσαν με ένα ελαφρώς τροποποιημένο αεροβόλο γεμάτο βολφράμιο, καταμεσής μιας αίθουσας τίγκα σε high tech εξοπλισμό, λερώνοντας τα πάντα και κάνοντας τους πάντες να νομίζουν πως… μάλλον τα sixties επανήλθαν στην μόδα. Η μέθοδος είχε πετύχει, όταν κοίταζαν τα κρεμμύδια στο μικροσκόπιο έβλεπαν τα μικροσκοπικά σωματίδια του βολφραμίου να έχουν μπει μέσα στα κύτταρα του κρεμμυδιού, τουλάχιστον στα κύτταρα που δεν είχαν καταλήξει πελτές.

Ως επόμενο βήμα έβαλαν DNA πάνω στο βολφράμιο και παρατήρησαν ότι όντως μαζί με το βολφράμιο έμπαινε και αυτό μέσα στα κύτταρα. Bingo! Μετά από αυτό το proof of concept -δηλαδή ότι αυτή η κουλαμάρα όντως δουλεύει-άρχισε η δύσκολη διαδικασία, που οδήγησε στα σύγχρονα “γονιδιακά πιστόλια” (gene guns), αυτή η επίπονη διαδικασία υλοποίησης και τελειοποίησης που μετατρέπει μια εμπνευσμένη ιδέα σε πρακτική λύση.

Γονιδιακό πιστόλι

Στα επόμενα πειράματα χρησιμοποίησαν κανονικά πιστόλια και βρήκαν πως οι μεγαλύτερες ταχύτητες που παρείχαν αυτά έκαναν καλύτερη την διείσδυση των σωματιδίων. Τα σημερινά gene gun έχουν σχεδιαστεί εξυπνότερα. Πρώτα το βολφράμιο επιστρώθηκε με άλλα ευγενή μέταλλα (π.χ. χρυσό ή πλατίνα), διότι το βολφράμιο ήταν ελαφρώς τοξικό για τα κύτταρα, με απότέλεσμα πολλά από αυτά να πεθαίνουν λόγω του μετάλλου.

Μια άλλη έξυπνη ιδέα ήταν το DNA να μην αναμιχθεί απλά με το μέταλλο, αλλά να επιστρωθεί/απλωθεί πάνω του έτσι όπου πάει το μέταλλο σίγουρα να πηγαίνει και το DNA. Βελτιώθηκε επίσης πολύ ο τρόπος προώθησης του υλικού: δεν χρησιμοποιούνται εκρηκτικές ύλες που μπορεί να γίνουν επικίνδυνες (μπαρούτι…), αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν αέρια όπως ήλιο σε υψηλές πιέσεις.

Τα γονιδιακά όπλα, ξεκίνησαν σαν ένα πιστόλι, αργότερα έγιναν μεγαλύτερες κουμούτσες που τις είχες πάνω σε πάγκο αλλά είχαν καλύτερη απόδοση από τα αρχικά μοντέλα, και πλέον με όλες αυτές τις βελτιώσεις κατέληξαν πάλι σε πιστόλια, διατηρώντας όμως την υψηλή απόδοσή τους. “ΟΚ, και τι με όλα αυτά, υπάρχουν τόσοι τρόποι να βάλεις γονίδια σε έναν οργανισμό” θα μου πεις αν γνωρίζεις το όλο σκηνικό της γενετικής μηχανικής.

Το πλεονέκτημα που κάνει την βιολιστική μοναδική είναι ότι με αυτή μπορείς να εισαγάγεις DNA σε οποιοδήποτε κύτταρο θέλεις (χωρίς περιορισμούς ανά είδος που έχουν όλες οι άλλες μέθοδοι) αλλά κυρίως το ότι μπορείς να κάνεις κάτι που δεν μπορείς με καμία άλλη: να βάλεις το DNA συγκεκριμένα σε οργανίδια του κυττάρου όπως τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες, οργανίδια που πολλαπλασιάζονται σχεδόν “αυτόνομα” και που είναι δύσκολο να παρεμβληθείς σε αυτά θεραπευτικά! Αυτά τα οργανίδια έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον πολλών επιστημόνων, για πάρα πολλούς λόγους, όπως το ότι τα κληρονομείς μόνο από τον έναν γονιό (της μάνας σου τα μιτοχόνδρια, αλήτη!) και το ότι πολλές ασθένειες, ιδίως νευροεκφυλιστικές (alzheimer, parkinson) φαίνεται εν μέρη να οφείλονται σε βλάβες στο DNA των μιτοχονδρίων. Γνωρίζοντας πως να παρεμβληθείς σε αυτά, έρχεσαι ένα βήμα πιο κοντά στην μελέτη τους αλλά και σε πιθανές θεραπείες.

Την επόμενη βδομάδα θα σας πάω τσάρκα να δούμε ακόμα μια ενδιαφέρουσα πατέντα στον τομέα της βιολογίας. Είμαι ανοιχτό σε προτάσεις, ανήθικες και μη, περί της πατέντας που θέλετε να δείτε… Ως τότε, παίξε με το αεροβόλο που έχεις στο πατάρι και αν καταφέρεις να τυφλωθείς, να κουφαθείς ή να μεταλλαχθείς μην ξεχάσεις να κατηγορήσεις το Texnologia.Net.