Live τώρα    
25°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Αίθριος καιρός
25 °C
22.8°C26.3°C
3 BF 32%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Αίθριος καιρός
24 °C
22.6°C26.2°C
3 BF 34%
ΠΑΤΡΑ
Αίθριος καιρός
21 °C
19.0°C24.8°C
2 BF 50%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Ελαφρές νεφώσεις
21 °C
20.8°C21.8°C
2 BF 65%
ΛΑΡΙΣΑ
Ελαφρές νεφώσεις
24 °C
23.9°C24.5°C
2 BF 33%
Ο πλανήτης, εμείς και το μικροβίωμα
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Ο πλανήτης, εμείς και το μικροβίωμα

των Νίκου Κυρπίδη και Γιώργου Παυλόπουλου

Αλληλούχιση γονιδιώματος και Βιοπληροφορική

Οι σύγχρονες τεχνικές αλληλούχισης και χαρτογράφησης γονιδιώματος σε συνδυασμό με την παράλληλη μείωση του κόστους, έχουν φέρει μια επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζουμε την σύγχρονη έρευνα στις βιοεπιστήμες και επιστήμες υγείας. Πλέον, η αλληλούχιση ενός γονιδιώματος μπορεί να γίνει σε μερικές ημέρες και με λίγες χιλιάδες ευρώ σε αντίθεση με μια δεκαπενταετία πριν όπου η χαρτογράφηση του πρώτου ανθρώπινου γονιδιώματος κόστισε περίπου 3 δισεκατομμύρια ευρώ ενώ χρειάστηκαν 13 ολόκληρα χρόνια για την αποκωδικοποίησή του. Σήμερα οι διευκολύνσεις που παρέχουν οι σύγχρονες αυτές τεχνικές έχουν οδηγήσει σε μία εκθετική αύξηση του όγκου των δεδομένων τα οποία απαιτούν μεγάλους αποθηκευτικούς χώρους καθώς και περαιτέρω ανάλυση με τη χρήση υπερσύγχρονων υπολογιστών. Τομείς όπως η Γενετική, η Εξατομικευμένη Ιατρική, η Γενομική και Μεταγονιδιωματική, η Περιβαλλοντολογία αλλά και άλλοι, έχουν πλέον σήμερα πάρει μια πιο σύγχρονη μορφή εφόσον μπορεί κανείς να μελετήσει ταυτόχρονα και σε μεγάλη κλίμακα πολλαπλά δείγματα κάτι που ίσως φαινόταν επιστημονική φαντασία αρκετά χρόνια πριν.

Μεταγονιδιωματική

H Μεταγονιδιωματική είναι η μελέτη του γενετικού υλικού που μπορεί ανακτηθεί άμεσα από περιβαλλοντικά δείγματα. Το ευρύτερο πεδίο μπορεί επίσης να αναφέρεται ως Περιβαλλοντική Γονιδιωματική ή Οικογενομική. Η Μεταγονιδιωματική έχει αναδειχθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για την ανάλυση μικροβιακών κοινοτήτων, ανεξάρτητα από την ικανότητα των οργανισμών μελών να καλλιεργηθούν στο εργαστήριο. Αυτή η τεχνολογία Γονιδιωματικής σε τεράστια κλίμακα, επιτρέπει την μαζική έρευνα των διαφόρων μικροοργανισμών που υπάρχουν σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον, όπως το νερό, ο αέρας, το έδαφος, τα φυτά ή ακόμα και μικροοργανισμών που ζουν σε έναν ξενιστή οργανισμό όπως ένα ζώο ή έναν άνθρωπο. Με την ενσωμάτωση των πληροφοριών που μπορούν να συγκεντρωθούν σχετικά με τις βιολογικές λειτουργίες και τις συσχετίσεις μεταξύ των μικροοργανισμών που ζουν σε μία κοινότητα, ανοίγει ένας μεγάλος δρόμος τόσο για την εύρεση νέων βιοτεχνολογικών εφαρμογών όσο και την εύρεση νέων θεραπειών.

Πρωτεΐνες, δομές και Μεταγονιδιωματική

Όσον αφορά στις πρωτεΐνες, η τρισδιάστατη δομή τους στο χώρο είναι σημαντική. Αυτά τα σημαντικά μόρια αποτελούν σε μεγάλο βαθμό τις δομές του κυττάρου για την εκτέλεση των λειτουργιών του. Οι πρωτεΐνες ελέγχουν την ανάπτυξη και την κινητικότητα, λειτουργούν ως καταλύτες, είναι υπεύθυνες για τη μεταφορά ή αποθήκευση άλλων μορίων και αποτελούνται από μακριές αλυσίδες αμινοξέων.

Ενώ η αλληλουχία (σειρά των αμινοξέων) μιας πρωτεΐνης σημειωμένη σε ένα χαρτί τετραδίου ή ένα αρχείο κειμένου μπορεί να μην είναι τόσο σημαντική, όταν αυτή προβάλλεται σε τρεις διαστάσεις γίνεται πολύ σημαντική εφόσον οι ερευνητές παρατηρώντας της, μπορούν να υποθέσουν τόσο από τη δομή της όσο και τον τρόπο που αυτή διπλώνει στο χώρο το ποιες είναι οι πιθανές λειτουργίες της. Υπάρχουν σχεδόν 15.000 οικογένειες πρωτεϊνών - ομάδες που μοιράζονται μια εξελικτική προέλευση - στη βάση δεδομένων Pfam. Για σχεδόν το ένα τρίτο (4.752) αυτών των οικογενειών, υπάρχει τουλάχιστον μια πρωτεΐνη σε κάθε οικογένεια της οποίας η δομή έχει ήδη προσδιοριστεί πειραματικά. Για το άλλο ένα τρίτο (4.886) των οικογενειών, θα μπορούσαν να κατασκευαστούν έμπιστα μοντέλα πρόβλεψης της δομής μιας πρωτεΐνης ενώ για το τελευταίο τρίτο (5.211) των οικογενειών δεν υπάρχει καμία πληροφορία.

Στις 20 Ιανουαρίου του 2017 στo άρθρο του έγκριτου περιοδικού Science με τίτλο Protein structure determination using metagenome sequence data, αναφέρονται πρότυπα διαρθρωτικά τρισδιάστατα μοντέλα έχουν έχουν δημιουργηθεί για 614 ή αλλιώς για το 12 τοις εκατό των οικογενειών για τις οποίες δεν έχουμε καμία πληροφορία. Αυτό έχει επιτευχθεί με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων μοντελοποίησης, κάτι το οποίο δεν ήταν καθόλου προφανές 5 χρόνια πριν. Το γεγονός ότι μεγάλος αριθμός οικογενειών πρωτεϊνών (σε Pfam) έχουν χαμηλό αριθμό αλληλουχιών οδήγησε σε δύο συνέπειες: 1) κανείς δεν ενδιαφέρθηκε να μελετήσει αυτές τις οικογένειες λόγω μικρού μεγέθους 2) οι μέθοδοι συνεξέλιξης δεν θα μπορούσαν να εφαρμοστούν για τη μελέτη τους. Μέσω της Μεταγονιδιωματικής, διαπιστώσαμε ότι ορισμένες από αυτές τις παραμελημένες οικογένειες που αποτελούνται από μόνο μια χούφτα ακολουθιών, μπορούν να αναλυθούν εξίσου καλά με άλλες για τις οποίες έχουμε πολλή περισσότερη πληροφορία όταν λαμβάνονται τα δεδομένα μεταγονιδιωματικής υπόψη. Έτσι, προσφέροντας ένα υποθετικό τρισδιάστατο δομικό μοντέλο για μια αντιπροσωπευτική πρωτεϊνική ακολουθία που χαρακτηρίζει την κάθε οικογένεια, κάνουμε ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση της λειτουργίας της και ελπίζουμε ότι κάτι τέτοιο θα προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον για περαιτέρω έρευνα.

Το πλανητικό ίωμα και η Μεταγονιδιωματική

Ο αριθμός των μικροβίων στον πλανήτη μας είναι της τάξης του 1030 ή αλλιώς εκτιμάται ότι ξεπερνάει κατά πολύ τα αστέρια του Σύμπαντος, που υπολογίζονται σε 1024. Τα μικρόβια είναι γνωστό ότι παίζουν κρίσιμους ρόλους στη ρύθμιση όλων των βιοχημικών κύκλων που διατηρούν την ζωή στον πλανήτη μας, όπως αυτών της δέσμευσης του άνθρακα, του αζώτου, του θείου, του φωσφόρου καθώς και άλλων στοιχείων. Ωστόσο, παρά τον αδιαμφισβήτητο ρόλο τους στην διατήρηση της ζωής, στην πλειοψηφία τους η ταυτότητα και η δράση τους παραμένουν άγνωστες. Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) στοχεύει στην αποκωδικοποίηση αυτής της "μικροβιακής σκοτεινής ύλης" με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της μικροβιακής ποικιλότητας του πλανήτη στα πλαίσια της αντιμετώπισης νέων αλλά και υπαρχόντων ενεργειακών και περιβαλλοντικών προκλήσεων.

Μελετώντας την βιοποικιλότητα στον πλανήτη καθώς και τις σχέσεις μεταξύ των μικροβίων και των ιών που τους μολύνουν, μπορούμε να καταλάβουμε πολλά πράγματα σε ότι αφορά τη ρύθμιση των κύκλων που αναφέραμε. Αν και ο αριθμός των ιών υπολογίζεται ότι είναι τουλάχιστον δύο τάξεις μεγέθους περισσότερος από τα μικροβιακά κύτταρα στον πλανήτη, υπάρχουν επί του παρόντος λιγότερο από 3,000 γονιδιώματα ιών καταγεγραμμένα, σε σύγκριση με τα περίπου 100.000 βακτηριακά γονιδιώματα. Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 17 Αυγούστου του 2016 στο έγκριτο περιοδικό Nature με τίτλο Uncovering Earth’s Virome, ερευνητές από το ινστιτούτο Joint Genome Institute DOE (JGI) του Lawrence Berkeley National Laboratory στις ΗΠΑ παρέθεσαν τη μεγαλύτερη συλλογή δεδομένων από όλο τον κόσμο και αποκάλυψαν πάνω από 125.000 ιικά γονιδιώματα, η συντριπτική πλειονότητα των οποίων αντιπροσώπευε νέες μορφές ιών που δεν είχε παρατηρήσει ή καταγράψει κανείς μέχρι τότε. Αυτή η προσπάθεια έχει υπερπολλαπλασιάσει τον αριθμό των γνωστών ιικών γονιδίων που ξέρουμε μέχρι σήμερα καθώς ανοίγει νέους χώρους για έρευνα στον τομέα. Η ομάδα ανέλυσε δεδομένα μεγέθους πάνω από 5.000 δισεκατομμύρια βάσεις (Terabases) από ~3.000 μικροβιακά δείγματα σε όλο τον κόσμο, καλύπτοντας 10 διαφορετικούς τύπους οικοσυστημάτων. Η προσπάθεια αυτή απέδωσε πάνω από 125.000 νέες ιογενείς ακολουθίες που αντιστοιχούν σε ~2.800.000 πρωτεΐνες. Από την αρχή της ανάλυσης των 3.000 δειγμάτων μέχρι σήμερα, αξίζει να σημειωθεί ότι ο αριθμός των δειγμάτων έχει πενταπλασιασθεί οπότε μια εκ νέου ανάλυση αναμένεται να αποκαλύψει πολύ περισσότερες μορφές ιών.

Μεταξύ άλλων, ένα χαρακτηριστικό εύρημα από αυτή τη μελέτη είναι η ανακάλυψη μιας ιογενούς ομάδας που βρέθηκε στο 95 τοις εκατό του συνόλου των δειγμάτων στη “ζώνη του λυκόφωτος των ωκεανών” - μια περιοχή που βρίσκεται μεταξύ 200 και 1.000 μέτρων κάτω από την επιφάνεια του ωκεανού, όπου το ηλιακό φως είναι ανεπαρκές για τη φωτοσύνθεση των μικροοργανισμών που ζουν εκεί.

Οι προκλήσεις

Η Μεταγονιδιωματική είναι ένα πολύ μοντέρνο, και σύνθετο πεδίο. Τόσο οι τεχνικές δυσκολίες που αφορούν την δειγματοληψία, την σωστή αλληλούχιση καθώς και τη σύνθεση γονιδιωμάτων όσο και οι υπολογιστικές απαιτήσεις σε ότι αφορά την αποθήκευση, την ανάλυση και την οπτικοποίηση του τεράστιου όγκου δεδομένων, είναι πραγματικές προκλήσεις που απαιτούν την συνεργασία επιστημόνων από διαφορετικά θεματικά αντικείμενα.

Η ομάδα

Ο Δρ. Γεώργιος Παυλόπουλος είναι Βιοπληροφορικός, απόφοιτος του τμήματος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Πανεπιστημίου Αθηνών και Διδάκτωρ του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας (EMBL) της Χαϊδελβέργης στην Γερμανία. Συμμετέχει στις παραπάνω έρευνες υπό την επίβλεψη του Δρ. Νίκου Κυρπίδη, βιολόγου, ερευνητή και επικεφαλής του μεγαλύτερου Προγράμματος Προκαρυωτικής Γονιδιωματικής παγκοσμίως, στο Joint Genome Institute του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Δρ. Νίκος Κυρπίδης είναι απόφοιτος του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και Διδάκτωρ του Πανεπιστημίου Κρήτης, έχει τιμηθεί με πολλά διεθνή βραβεία και είναι στη λίστα των 25 Ελλήνων επιστημόνων με τη μεγαλύτερη επιρροή παγκοσμίως.

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL