Οι πρωτεΐνες είναι πολύπλοκες νανομηχανές που πραγματοποιούν τις περισσότερες λειτουργίες των ζωντανών οργανισμών, αλληλεπιδρώντας συνεχώς η μια με την άλλη.

Πραγματοποιούν την πέψη των τροφών, πολεμούν τους εισβολείς, επιδιορθώνουν τις βλάβες, ανιχνεύουν το περιβάλλον τους, μεταφέρουν σήματα, ασκούν δύναμη, συμμετέχουν στη λειτουργία του εγκεφάλου και αναπαράγονται. Αποτελούνται από μακριές αλυσίδες απλούστερων μορίων, των αμινοξέων και τυλίγονται και διπλώνονται σε εξαιρετικά πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές. Το σχήμα τους προσδιορίζεται από την ακολουθία και τον αριθμό των αμινοξέων από τα οποία απαρτίζονται και τα οποία έχουν διαφορετικές ελκτικές και απωστικές δυνάμεις. Η πολυπλοκότητα αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι τόσο μεγάλη και η κλίμακα που εκδηλώνονται τόσο μικρή (το μέσο κύτταρο περιέχει 42 εκατομμύρια πρωτεΐνες), που ποτέ δεν μπορέσαμε έως τώρα να ανακαλύψουμε όλους τους κανόνες που επηρεάζουν την αυθόρμητη και πάντα με το ίδιο αποτέλεσμα μετατροπή τους από νήματα σε τρισδιάστατα αντικείμενα.

Νέες θεωρίες και η ραγδαία πρόοδος της Τεχνητής Νοημοσύνης ανοίγουν δρόμους, ώστε οι πρωτεΐνες να αποκαλύψουν τα μυστικά τους. Οι επιστήμονες δημιουργούν τώρα βιοχημικά εργαλεία που θα μπορούσαν να έχουν μεγάλο αντίκτυπο. Με αυτά είναι δυνατή η κατασκευή βιολογικών νανορομπότ που μπορούν να αντιμετωπίσουν μολυσματικές ασθένειες σε μάχη «ένας προς έναν», η αποστολή σημάτων σε ολόκληρο το σώμα, η καταστροφή τοξικών μορίων, ή ακόμη και η ενεργειακή αξιοποίηση του φωτός όπως κάνουν τα φυτά με τη φωτοσύνθεση. Η βιολογία έχει περάσει από την παθητική στην ενεργητική φάση, της σχεδίασης και συνθετικής παραγωγής των επιθυμητών βιολογικών παραγόντων.

Αιχμή

Τα χρησιμοποιούμενα εμβόλια για τον SARS-CoV-2 χρησιμοποιούν ολόκληρη την πρωτεΐνη ακίδα του ιού, για να παρακινήσουν τον οργανισμό να παράγει αντισώματα. Το νέου τύπου εμβόλιο κρεμάει από νήματα μόνο το κρίσιμο τμήμα της ακίδας (RBD), επιτρέποντας στο ανοσοποιητικό να το «δει» καλύτερα

Όπως κι άλλοι κορονοϊοί, ο SARS-CoV-2 που προκάλεσε την τρέχουσα πανδημία μοιάζει με μπάλα που καλύπτεται από πρωτεΐνες ακίδες. Κάθε ακίδα τελειώνει σε μια συστοιχία αμινοξέων, το τμήμα της πρωτεΐνης που συνδέεται με κάποιον συμβατό υποδοχέα στο κύτταρο που μολύνει ο ιός. Η μορφή και τα ηλεκτρικά φορτία αυτού του τμήματος, που είναι γνωστό ως RBD από τα αγγλικά αρχικά της ονομασίας του, ταιριάζουν απόλυτα με εκείνα μιας πρωτεΐνης στην επιφάνεια των κυττάρων του ανθρώπου. Η πρωτεΐνη του ιού συνδέεται στον υποδοχέα και ο ιός χρησιμοποιεί αυτόν τον σύνδεσμο για να εισχωρήσει μέσα στο κύτταρο και να αναπαραχθεί.

Λόγω αυτού του επικίνδυνου ρόλου της, η RBD είναι ο κύριος στόχος των αντισωμάτων του ανοσοποιητικού συστήματος. Και τα αντισώματα είναι πρωτεΐνες, που δημιουργούνται από τον οργανισμό για να προσδεθούν πάνω στο RBD, ώστε να το βγάλουν εκτός παιχνιδιού. Αλλά χρειάζεται αρκετός χρόνος, ώστε τα εξειδικευμένα ανοσοποιητικά κύτταρα να παράγουν αρκετά αποτελεσματικά αντισώματα και μέχρι τότε ο ιός έχει κάνει σημαντική ζημιά.

Η πρώτη γενιά εμβολίων για την COVID, συμπεριλαμβανομένων των εμβολίων mRNA, έχει σώσει εκατομμύρια ζωές, εισάγοντας ολόκληρη την πρωτεΐνη ακίδα του ιού, χωρίς τον ίδιο τον ιό, έτσι ώστε το ανοσοποιητικό σύστημα να μάθει να αναγνωρίζει το RBD του και να κινητοποιηθεί έγκαιρα, πριν εμφανιστεί ο ίδιος ο ιός. Αλλά το RBD περιοδικά κρύβεται από άλλα τμήματα της πρωτεΐνης ακίδας, εμποδίζοντας την πλήρη γνωριμία του ανοσοποιητικού με αυτό. Επιπλέον, ολόκληρη η πρωτεΐνη ακίδα δεν προκαλεί πάντα επαρκώς ισχυρή αντίδραση του ανοσοποιητικού, εκτός αν χορηγηθεί μεγάλη δόση του εμβολίου. Ομως οι μεγάλες δόσεις πέρα από αυξημένο οικονομικό κόστος μπορούν να προκαλέσουν και ισχυρές παρενέργειες.

Πώς θα μπορούσε να δοθεί στο ανοσοποιητικό μόνο η αιχμή της ακίδας, δηλαδή το RBD; Με βιολογικές διαδικασίες κάτι τέτοιο δεν είναι δυνατό, αλλά και αν τα καταφέρναμε, αυτό το πρωτεϊνικό τμήμα είναι τόσο μικρό και άγνωστο στο ανοσοποιητικό, που ίσως δεν τραβούσε την προσοχή του. Οι επιστήμονες σκέφτηκαν ότι η λύση ίσως ήταν η αξιοποίηση μιας συνθετικά κατασκευασμένης πρωτεΐνης ως σημείο πρόσδεσης των RBD του κορονοϊού. Το Ινστιτούτο Πρωτεϊνικού Σχεδιασμού της πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον γνωρίζει πια αρκετά για το δίπλωμα των πρωτεϊνών ώστε να σχεδιάσει και να κατασκευάσει μερικές εκατοντάδες πολύ απλές μικρές πρωτεΐνες, διαφορετικές από αυτές που μπορεί να συναντήσει κανείς σε οποιονδήποτε ζωντανό οργανισμό, οι οποίες θα διπλωθούν σε κατάλληλα σχήματα με τις επιθυμητές ιδιότητες. Το είχε ήδη κάνει το 2019 προσκολλώντας πάνω στα πρωτεϊνικά νανοσωματίδια 20 πρωτεϊνικές ακίδες του συγκυτιακού ιού – δεύτερης αιτίας θανάτου των νεογνών παγκοσμίως – πετυχαίνοντας εντυπωσιακή ανταπόκριση του ανοσοποιητικού.

Σχεδιαστές

Η προσκόλληση του RBD του νέου κορονοϊού στα πρωτεϊνικά νανοσωματίδια θα μπορούσε να γίνει φτηνά και γρήγορα, συγκριτικά με τα εμβόλια που χρησιμοποιούν νεκρούς ή αδρανοποιημένους ιούς ως φορείς. Το νέου τύπου εμβόλιο θα ήταν επίσης σταθερό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και γι’ αυτό εύκολα μεταφέρσιμο, σε αντίθεση με τα ευαίσθητα εμβόλια mRNA, που πρέπει να διατηρούνται σε βαθιά κατάψυξη. Οι ερευνητές πέτυχαν την πρόσδεση 60 αντιγράφων του RBD του κορονοϊού σε κάθε νανοσωματίδιο και μάλιστα επέλεξαν να μην το προσδέσουν απευθείας σ’ αυτό, αλλά να το αφήσουν να αιωρείται κοντά του, αγκυρωμένο μέσω μιας κοντής αλυσίδας αμινοξέων. Έτσι θεώρησαν ότι το ανοσοποιητικό θα μπορέσει να γνωρίσει το RBD απ’ όλες τις πλευρές του και να παράγει πιο αποτελεσματικά αντισώματα. Πράγματι, το εμβόλιο έδειξε σε ποντίκια και στη συνέχεια και σε πιθήκους δεκαπλάσια αποτελεσματικότητα συγκριτικά με τα εμβόλια ολόκληρης ακίδας. Πριν από λίγους μήνες άρχισε να δοκιμάζεται και σε ανθρώπους. Όμως έτσι κι αλλιώς, ο σχεδιασμός πρωτεϊνών, κάτι μέχρι τώρα άπιαστο, έχει γίνει πραγματικότητα. Μάθαμε να σμιλεύουμε τις πρωτεΐνες, τον ζωντανό «πηλό» από τον οποίο είμαστε φτιαγμένοι.

Η σχεδίαση πρωτεϊνών δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση. Για αρκετό καιρό ερευνητικές ομάδες συναγωνίζονταν κάθε δύο χρόνια στην εκτίμηση της μορφής και των δομικών συνδέσμων μιας πρωτεΐνης, χωρίς σημαντική πρόοδο. Χρειάζεται ένα έτος και 120.000 δολ. για να παραχθεί υψηλής ανάλυσης εικόνα μιας πρωτεΐνης σε εξειδικευμένα μηχανήματα. Γι’ αυτό γνωρίζουμε σήμερα μόνο τη δομή του 0,1% των πρωτεϊνών. Για τις υπόλοιπες κάνουμε απλώς εκτιμήσεις και υποθέσεις. Όμως, συστήματα Τεχνητής Νοημοσύνης που αναπτύχθηκαν στο μεταξύ και δοκιμάστηκαν με επιτυχία σε άλλους τομείς, άρχισαν από το 2017 έως το 2020 να πετυχαίνουν πολύ υψηλή, έως άριστη αποτύπωση ακόμη και των λεπτομερειών πολύπλοκων πρωτεϊνών. Οι βιολόγοι ξεκίνησαν να αξιοποιούν την ΤΝ στα μοντέλα τους και ελπίζουν ότι σύντομα θα μπορούν να έχουν αποτελέσματα χρήσιμα όχι μόνο για νίκη σε διαγωνισμούς, αλλά και για πρακτικές εφαρμογές.

Ταχυφάρμακο

Τα αντισώματα δεν είναι τέλεια. Ο οργανισμός δεν μπορεί να κατασκευάσει εκ των προτέρων ένα αντίσωμα για κάποιο παθογόνο που δεν γνωρίζει και γι’ αυτό φτιάχνει πολλές παραλλαγές. Όταν εμφανιστεί ένας νέος εισβολέας, τα κύτταρα του ανοσοποιητικού αρχίζουν να παράγουν πολλά αντίγραφα του αντισώματος που ταιριάζει καλύτερα για την αντιμετώπισή του, αλλά η πρόσδεση του αντισώματος στο παθογόνο συχνά δεν είναι τόσο ισχυρή όσο χρειάζεται για να το σταματήσει. Τα φυσικά αντισώματα είναι σχετικά μεγάλες πρωτεΐνες, που δεν είναι πάντα ικανές να αγκαλιάσουν το RBD ενός ιού. Γι’ αυτό ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν ότι συνθετικές πρωτεΐνες, σχεδιασμένες αμινοξύ το αμινοξύ, ώστε να ταιριάζουν τέλεια στο RBD κάποιου ιού, θα είναι αρκετά μικρές και ευκίνητες, ώστε να μπορούν να χορηγηθούν και ως σπρέι από τη μύτη, αντί με ένεση. Αν αυτό γίνει πραγματικότητα, τότε το σπρέι θα μπορούσε να χρησιμοποιείται είτε προληπτικά, είτε με την πρώτη ένδειξη μόλυνσης. Πέρα από τη μακρά διάρκεια ζωής του, θα μπορούσε να τροποποιείται εύκολα, για να αντιμετωπιστεί κάποιο νέο παθογόνο και το φάρμακο να φτάνει γρήγορα στους υγειονομικούς, τους εκπαιδευτικούς και όλους όσοι εκτίθενται πρώτοι στον κίνδυνο μιας επιδημίας. Θα μπορούσε να λειτουργήσει σαν ένα είδος κεντρικά σχεδιασμένου ανοσοποιητικού συστήματος.

Για την περίπτωση του νέου κορονοϊού, καλύτερα σχέδια αποδείχτηκαν εκείνα που είχαν τρεις έλικες συνδεδεμένες με μικρές αλυσίδες αμινοξέων, όπως συνδέονται τα λουκάνικα με σχοινί. Κάθε τμήμα πρόσδεσης αποτελούνταν από 60 αμινοξέα και είχε μέγεθος μικρότερο από το ένα δέκατο ενός αντισώματος και ένα εικοστό της ακίδας του κορονοϊού. Το πέρασμα από το σχέδιο στην παρασκευή της πρωτεΐνης είναι πια απλό, καθώς υπάρχουν μηχανήματα, που λειτουργούν όπως οι εκτυπωτές υγρής μελάνης και μπορούν να φτιάξουν DNA με ακριβώς την κατάλληλη αλληλουχία. Το DNA αυτό ενσωματώνεται σε κύτταρα μαγιάς ζύμης, τα οποία θα παράγουν μαζί με τις δικές τους και τις επιθυμητές πρωτεΐνες, που απομονώνονται και δοκιμάζονται.

Στις δοκιμές με πειραματόζωα, αυτά τα συνθετικά αντισώματα αποδείχτηκε ότι προσδένονταν στο RBD του κορονοϊού 6 φορές ισχυρότερα απ’ ό,τι τα καλύτερα αντισώματα. Καθώς 7 δισεκατομμύρια άνθρωποι στον κόσμο συνεχίζουν να περιμένουν εμβόλιο για τον κορονοϊό, το νέου τύπου εμβόλιο θεωρείται από πολλούς ιδιαίτερα ελπιδοφόρο. Τον Γενάρη άρχισε τις πρώιμες κλινικές δοκιμές του στην πολιτεία της Ουάσιγκτον στις ΗΠΑ και στην Νότια Κορέα.

Παράλληλα, ερευνητές προχώρησαν στη σχεδίαση ενός βελτιωμένου νανοσωματιδίου, στο οποίο προσκόλλησαν το RBD όχι μόνο του SARS-CoV-2, αλλά και του SARS καθώς και 2 εκ των κορονοϊών που προκαλούν κοινό κρυολόγημα. Οι δοκιμές στο εργαστήριο έδειξαν ισχυρή παραγωγή αντισωμάτων απέναντι σε όλες τις παραλλαγές αυτών των κορονοϊών.

Στον καπιταλιστικό κόσμο, οι περισσότερες επιστημονικές πρόοδοι σύντομα, συχνά ακόμη και πριν τη θετική τους για την κοινωνία εφαρμογή, βρίσκουν στρατιωτική εφαρμογή για την ενίσχυση ενός ιμπεριαλιστή απέναντι στους άλλους. Οι κατά παραγγελία συνθετικές πρωτεΐνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και ως βιολογικό όπλο. Για παράδειγμα, τα πριόνια, πρωτεΐνες που ευθύνονται για τη «νόσο των τρελών αγελάδων» και άλλες νευρολογικές ασθένειες, είναι λαθεμένα διπλωμένες πρωτεΐνες που κάνουν άλλες πρωτεΐνες να διπλωθούν επίσης λάθος, οδηγώντας σε μια μεταδοτική θανατηφόρα αλυσίδα αντιδράσεων. Αυτές οι άλλες επικίνδυνες πρωτεΐνες μπορούν να γίνουν αεροζόλ και να μεταδοθούν με τον αέρα. Ανεξαρτήτως πόσο τηρείται στην πραγματικότητα η Συνθήκη για τα Βιολογικά Οπλα, δεν περιέχει καμιά πρόβλεψη για πρωτεΐνες που δεν είναι μέρος κάποιου βιολογικού οργανισμού, όπως συμβαίνει με τις σχεδιασμένες.

Επιμέλεια: Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ

Πηγή: «Scientific American», Ριζοσπάστης