Ανακαλύπτοντας τον μηχανισμό της αυτοφαγίας

Για να αποτιμήσει κανείς την πραγματική γνωστική και πρακτική αξία των φετινών Νόμπελ, οφείλει να εξετάσει το πώς προέκυψαν και γιατί τελικά επιλέχθηκαν, τη συγκεκριμένη ιστορική στιγμή, οι συγκεκριμένες έρευνες. Σήμερα θα παρουσιάσουμε τα φετινά Νόμπελ στην Ιατρική και τη Χημεία. Θα ήταν αφελές να πιστεύει κανείς ότι η επικράτηση και η ευρύτερη αποδοχή μιας νέας επιστημονικής ιδέας είναι μια αμιγώς ορθολογική διεργασία, όπου η «αλήθεια» επιβάλλεται αυτομάτως λόγω κάποιων επαρκών πειραματικών ή εμπειρικών επιβεβαιώσεων.

Πώς λοιπόν δικαιολογείται η ετήσια επιλογή επιβράβευσης με Νόμπελ ορισμένων ερευνών και όχι κάποιων άλλων που θεωρούνται εξίσου ενδιαφέρουσες ή καλά τεκμηριωμένες;

Η απάντηση δεν είναι πάντοτε σαφής, επειδή ο επιστημονικός ανταγωνισμός είναι εξίσου λυσσαλέος με τον οικονομικό-πολιτικό ανταγωνισμό.

Με τη διαφορά όμως ότι ο επιστημονικός ανταγωνισμός διέπεται από πιο αυστηρούς κανόνες και αποτιμάται (συνήθως) με πιο αντικειμενικά κριτήρια. Κάτι που επιβεβαιώνεται και από την απονομή των φετινών βραβείων Νόμπελ σε πρωταγωνιστές των λεγόμενων «σκληρών» επιστημών: Ιατρική, Φυσική, Χημεία. Στο σημερινό άρθρο παρουσιάζουμε τα φετινά Νόμπελ στην Ιατρική και τη Χημεία, ενώ στο επόμενο θα εξετάσουμε αναλυτικά την επιβράβευση των συγκεκριμένων ερευνών στη Φυσική.

♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Το φετινό βραβείο Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας κέρδισε επάξια ο κορυφαίος Ιάπωνας κυτταρικός βιολόγος Γιοσινόρι Οσούμι (Yoshinori Ohsumi) από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο για τις πολυετείς έρευνές του που τον οδήγησαν στην αποκάλυψη του θεμελιώδους κυτταρικού μηχανισμού της αυτοφαγίας.

Πρόκειται για μια ζωτικής σημασίας –αλλά παραγνωρισμένη μέχρι πρόσφατα– βιολογική λειτουργία που επιτρέπει στα κύτταρα να «αποδομούν» και να «ανακυκλώνουν» τα διάφορα κυτταρικά «απορρίμματα», π.χ. μη λειτουργικές πρωτεΐνες, κατεστραμμένα κυτταρικά οργανίδια, βλαπτικές χημικές ουσίες, επικίνδυνους μικροοργανισμούς κ.ο.κ.

Οι πρώτες υποψίες για την ύπαρξη ενός κυτταρικού μηχανισμού αυτο-αποδόμησης και ανακύκλωσης διατυπώθηκαν κατά τη δεκαετία του 1960.

Κυρίως χάρη στις πρωτοποριακές ανακαλύψεις του Βέλγου Christian de Duve για τη λειτουργία των «λυσοσωμάτων»: τα ενδοκυτταρικά κυστίδια που περιβάλλονται από μια μεμβράνη και περιέχουν ισχυρά υδρολυτικά ένζυμα για την αποδόμηση τόσο των μεγαλομορίων (π.χ. πρωτεΐνες, κυτταρικά απόβλητα) όσο και των κυτταρικών οργανιδίων ή μικροοργανισμών που θα βρεθούν μέσα στα λυσοσώματα.

Ο Christian de Duve, ο οποίος το 1974 κέρδισε το Νόμπελ για την ανακάλυψη των λυσοσωμάτων, ήταν ο πρώτος που υπέθεσε ότι όλα τα κύτταρα πρέπει να διαθέτουν μια λειτουργία αυτο-αποδόμησης και ανακύκλωσης την οποία ονόμασε «αυτοφαγία», από τις ελληνικές λέξεις «εαυτόν» και «τρώω».

Ομως, τις επόμενες τρεις δεκαετίες ελάχιστη πρόοδος έγινε στην κατανόηση αυτής της περίπλοκης κυτταρικής-βιοχημικής διεργασίας.

Η κατάσταση άλλαξε στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ο Γιοσινόρι Οσούμι πραγματοποίησε τις πρώτες σημαντικές ανακαλύψεις του σχετικά με τα γονίδια που ρυθμίζουν την αυτοφαγία στον μονοκύτταρο ζυμομύκητα και κατόπιν στα πολυκύτταρα θηλαστικά.

Με τα πρωτοποριακά του πειράματα, ο Ιάπωνας κυτταρολόγος κατάφερε να αποκαλύψει, σταδιακά, τους περίπλοκους κυτταρικούς μηχανισμούς της αυτοφαγίας.

Πράγματι, όποτε τα κύτταρα ενός οργανισμού βρίσκονται υπό πίεση ή σε καταστάσεις stress, λόγω έλλειψης τροφής, μόλυνσης ή τραυματισμού, τότε ενεργοποιούν τον μηχανισμό της αυτοφαγίας και μάλιστα είναι γενετικά προγραμματισμένα να το κάνουν!

Γιατί κέρδισε η αυτοφαγία;

Οι περισσότεροι ειδικοί στο πεδίο των βιοϊατρικών ερευνών ήταν βέβαιοι ότι το φετινό Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας θα το κερδίσουν οι πρωταγωνιστές της ανακάλυψης του «CRISPR/Cas9», του πανίσχυρου νέου εργαλείου της γενετικής μηχανικής που επιτρέπει την εστιασμένη, αποτελεσματικότατη και πάμφθηνη «κοπτική-ραπτική» όλων των γονιδίων.

Αντίθετα με όλες τις προβλέψεις, η επιτροπή του βραβείου Νόμπελ επέλεξε φέτος να βραβεύσει τις κυτταρολογικές μελέτες του Γιοσινόρι Οσούμι για την αυτοφαγία.

Από το 1993, αυτός ο ερευνητής μελέτησε στο εργαστήριό του στο Τόκιο τις γονιδιακές, βιοχημικές και κυτταρολογικές προϋποθέσεις του περίπλοκου κυτταρικού μηχανισμού της αυτοφαγίας, αναδεικνύοντας την αποφασιστική λειτουργία που αυτή επιτελεί στη φυσιολογική ζωή αλλά και την παθολογία των κυττάρων μας.

Γεννημένος στην Ιαπωνία το 1945, ο Γιοσινόρι Οσούμι σπούδασε βιολογία στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Αφού ειδικεύτηκε στο περίφημο Ινστιτούτο Rockefeller στη Νέα Υόρκη επέστρεψε στο Τόκιο, όπου μέχρι σήμερα διευθύνει τη Μονάδα Κυτταρικής Βιολογίας.

Σε μια εποχή όπου το κυρίαρχο βιοϊατρικό Παράδειγμα επιτάσσει ολοένα και πιο γονιδιοκεντρικές και εξατομικευμένες ιατρικές-θεραπευτικές πρακτικές, η επιλογή να επιβραβεύσουν με το Νόμπελ Ιατρικής μια τόσο βασική και όχι άμεσα εφαρμόσιμη έρευνα μοιάζει σχεδόν προκλητική.

Η αρχική, όμως, έκπληξη ή η καχυποψία μας υποχωρεί μόλις συνειδητοποιήσουμε τη θεμελιώδη λειτουργία που επιτελεί η αυτοφαγία στη φυσιολογική ζωή και την παθολογία των κυττάρων.

Για παράδειγμα, θεωρείται πλέον βέβαιο ότι εμπλέκεται άμεσα στην εμφάνιση νευροεκφυλιστικών παθήσεων (όπως η νόσος του Πάρκινσον) αλλά και στην ανάπτυξη διαφόρων μορφών καρκίνου.

Επομένως, αν μάθουμε να ενεργοποιούμε ή να απενεργοποιούμε επιλεκτικά τον κυτταρικό μηχανισμό της αυτοφαγίας, τότε ίσως καταφέρουμε να αντιστρέψουμε τις παθολογικές συνέπειες διάφορων ασθενειών!

Διόλου περίεργο που αρκετοί ερευνητές περιγράφουν την αυτοφαγία ως «ουροβόρο όφι», δηλαδή το φίδι ή ο δράκος που τρώει την ουρά του αποτελεί ένα προεπιστημονικό (αλχημιστικό) σύμβολο που αναπαριστά ικανοποιητικά -αλλά μονοδιάστατα!- αυτήν την πολυεπίπεδη ομοιοστατική διεργασία «αυτο-αποδόμησης» και ταυτόχρονα «αυτο-ανακύκλωσης» που ρυθμίζει τη φυσιολογική λειτουργία και την υγεία των κυττάρων μας.

ΠΟΙΟΣ ΕΙΝΑΙ

Γεννημένος στην Ιαπωνία το 1945, ο Γιοσινόρι Οσούμι σπούδασε βιολογία στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Αφού ειδικεύτηκε στο περίφημο Ινστιτούτο Rockefeller στη Νέα Υόρκη επέστρεψε στο Τόκιο, όπου μέχρι σήμερα διευθύνει τη Μονάδα Κυτταρικής Βιολογίας.

Από το 1993 μελετά εκεί τις γονιδιακές, βιοχημικές και κυτταρολογικές προϋποθέσεις του περίπλοκου κυτταρικού μηχανισμού της αυτοφαγίας, αναδεικνύοντας την αποφασιστική λειτουργία που αυτή επιτελεί στη φυσιολογική ζωή αλλά και την παθολογία των κυττάρων μας.

♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Το Νόμπελ Χημείας στις πρώτες «μοριακές νανομηχανές»

Tο βραβείο Νόμπελ Χημείας για το 2016 μοιράστηκαν τρεις διεθνούς φήμης σχεδιαστές και δημιουργοί στο εργαστήριο των πρώτων νανομετρικών διαστάσεων «μοριακών συστημάτων» τα οποία, εφόσον διαθέτουν την αναγκαία ενέργεια, μπορούν να εκτελούν κάποιες σχετικά απλές, αλλά προκαθορισμένες από τον άνθρωπο, «λειτουργίες».

Με άλλα λόγια, συστήματα μορίων που σχεδιάστηκαν στο εργαστήριο για να εκτελούν μια εντελώς «αφύσικη» σειρά από κινήσεις.

Οι τρεις πρωτοπόροι «νανομηχανικοί» είναι ο Γάλλος Ζαν-Πιερ Σοβάζ (Jean-Pierre Sauvage), ο Σκοτσέζος Ζ. Φρέιζερ Στόνταρτ (J. Fraser Stoddart) και ο Ολλανδός Μπέρναρντ Λ. Φερίνγκα (Bernard L. Feringa).

Με τις πολυετείς μελέτες τους αυτοί οι τρεις οραματιστές συνέβαλαν στην ανάδυση μιας κυριολεκτικά νέας νανοτεχνολογίας, που είναι σε θέση όχι μόνο να σχεδιάζει αλλά και να κατασκευάζει στο εργαστήριο τις πιο μικροσκοπικές μηχανές που υπήρξαν ποτέ!

Ο κορυφαίος Αμερικανός θεωρητικός φυσικός Ρίτσαρντ Φέιμαν έθεσε, ήδη από το 1984, στο ακροατήριό του το ερώτημα «πόσο μικροσκοπική μπορεί να είναι μια μηχανή;», για να απαντήσει προφητικά ότι «υπάρχει ένα σωρό χώρος εκεί κάτω!».

Με αυτόν τον σκωπτικό τρόπο ήθελε να εκφράσει τη βαθύτατη πεποίθησή του ότι ο μικρόκοσμος προσφέρει τεράστιες δυνατότητες για την ανάπτυξη της έρευνας και της τεχνολογίας.

Και αυτή η «προφητεία» του επαληθεύτηκε ποικιλοτρόπως από τις μετέπειτα εξελίξεις στην κβαντική μικροφυσική και τη μοριακή νανοτεχνολογία.

Το πρώτο αποφασιστικό βήμα για τη νέα μοριακή νανοτεχνολογία έγινε στη Γαλλία όταν ο Ζαν-Πιερ Σοβάζ και η ομάδα του κατάφεραν -εκμεταλλευόμενοι τις φωτοχημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ μορίων και φωτεινής ακτινοβολίας- να δημιουργήσουν στο εργαστήριο έναν μοριακό δακτύλιο σε σχήμα ημισελήνου.

Κατόπιν, δημιουργώντας το κατάλληλο χημικό υπόστρωμα κατάφεραν να ενώσουν δύο και περισσότερους τέτοιους μοριακούς δακτυλίους σε μια αλυσίδα.

Ο Ζαν-Πιερ Σοβάζ κατάλαβε από πολύ νωρίς ότι η επιτυχία των πειραμάτων του τον οδηγούσε αναπόφευκτα στην επινόηση μοριακών μηχανών.

Αξίζει να σημειωθεί ότι συνήθως στη φύση τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, σ’ αυτή την περίπτωση όμως τα μόρια συνδέονται με πιο χαλαρούς χημικούς δεσμούς.

Αυτό είναι απαραίτητο για να κατασκευαστεί μια μοριακή μηχανή που αποτελείται από μόρια-τμήματα που είναι σε θέση να κινούνται το ένα σε σχέση με το άλλο, εφόσον εκτεθούν σε επαρκή φωτεινή ενέργεια.

Ετσι, το 1994 σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε στη Γαλλία το νανομετρικών διαστάσεων «μοριακό ασανσέρ».

Οι πρωταγωνιστές της μοριακής νανοτεχνολογίας που μοιράστηκαν το φετινό Νόμπελ Χημείας. Από αριστερά, ο Γάλλος Ζαν-Πιερ Σοβάζ (Jean-Pierre Sauvage), ο Ολλανδός Μπέρναρντ Λ. Φερίνγκα (Bernard L. Feringa) και ο Σκοτσέζος Ζ. Φρέιζερ Στόνταρτ (J. Fraser Stoddart). Με τις πολυετείς μελέτες τους αυτοί οι τρεις οραματιστές συνέβαλαν στην ανάδυση μιας κυριολεκτικά νέας νανοτεχνολογίας, που είναι σε θέση όχι μόνο να σχεδιάζει αλλά και να κατασκευάζει στο εργαστήριο τις πιο μικροσκοπικές μηχανές που υπήρξαν ποτέ

Το επόμενο βήμα στην εξέλιξη των μικροσκοπικών μοριακών μηχανών έγινε το 1991 από τον Φρέιζερ Στόνταρτ.

Αυτός δημιούργησε ένα ανοιχτό από τις δύο πλευρές κυκλικό μόριο που μπορούσε να εκτελεί μικρές κινήσεις ανάμεσα στα δύο άκρα μιας πολύ λεπτής μοριακής μπάρας ή άξονα.

Οταν τα δύο μόρια που βρίσκονταν μέσα σε ειδικό διάλυμα απορροφούσαν επαρκή φωτεινή ενέργεια από το περιβάλλον, τότε το κυκλικό μόριο άρχιζε να κινείται μπρος και πίσω γύρω από την μπάρα.

Αυτό το σύστημα ονομάστηκε «rotaxane» και, τα επόμενα χρόνια, αποτέλεσε το πρότυπο για μια σειρά από πολύ πιο εξελιγμένες μοριακές μηχανές: μοριακοί «ανελκυστήρες», μοριακοί «μύες», μικροσκοπικά τσιπάκια μοριακής μνήμης χωρητικότητας 20 kB (chilobyte) κ.ά.

Το 1999 δημιουργήθηκε στην Ολλανδία από τον Μπέρναρντ Λ. Φερίνγκα και τους συνεργάτες του ο πρώτος μοριακός κινητήρας: μια λεπτή μοριακή λεπίδα ικανή, όσο τροφοδοτείται με ενέργεια, να περιστρέφεται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση.

Τελειοποιώντας αυτές τις μοριακές μηχανές, η ομάδα του Φερίνγκα κατάφερε το 2011 να δημιουργήσει το πρώτο «μοριακό αυτοκίνητο» με τέσσερις «ρόδες», κάθε μία από τις οποίες είχε έναν ξεχωριστό μοριακό κινητήρα, σχεδιασμένο να εργάζεται από κοινού με τους άλλους.

Πιο πρόσφατα, μάλιστα, ο Φερίνγκα παρουσίασε το 2014 έναν μοριακό κινητήρα ικανό να εκτελεί 12 εκατομμύρια περιστροφές το δευτερόλεπτο.

Από την αρχική μοριακή και γραμμική αλυσίδα η εξέλιξη των μοριακών μηχανών είναι πραγματικά εντυπωσιακή και μάλιστα σε τόσο λίγα χρόνια! Ποιος μπορεί να φανταστεί τις μελλοντικές εφαρμογές αυτών των εντυπωσιακών υπερμοριακών τεχνημάτων, δηλαδή των μικρότερων μοριακών μηχανών που συγκροτούν ολοένα και μεγαλύτερα μοριακά τεχνήματα;