Της Βάσως Μιχοπούλου
Τι σχέση έχει η μουσική με τα ριβοσώματα, αυτή τη μικροσκοπική μοριακή μηχανή που είναι υπεύθυνη για τη σύνθεση των πρωτεϊνών, των δομικών και λειτουργικών συστατικών κάθε κυττάρου κάθε οργανισμού, από τα βακτήρια ως τον άνθρωπο; Καμία θα έλεγα αν δεν έβλεπα το βίντεο που παρουσίασε ο Νομπελίστας Thomas Steitz κατά τη διάρκεια του 67ου Lindau Nobel Laureates Meeting που πραγματοποιήθηκε στη βαυαρική πόλη την τελευταία εβδομάδα του Ιουνίου.
Στο συγκεκριμένο βίντεο τα δομικά συστατικά της πρωτεΐνης συναρμολογούνται «χορεύοντας» υπό τους ρυθμούς του σαξοφώνου, παραπέμποντας στην αρχική καριέρα του Καθηγητή, αυτή του σαξοφωνίστα (!). Ναι, καλά διαβάσατε, ο Νομπελίστας ως ένας δυνατός χορευτής και σαξοφωνίστας είχε επιλέξει να κάνει καριέρα στη μουσική, μέχρι τη στιγμή που επισκέφτηκε το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) όπου πήρε την πρώτη του γεύση από την επιστήμη της Βιοφυσικής και αργότερα μια υποτροφία για σπουδές στη Βιοχημεία. Ο Thomas Steitz είναι ο βιοχημικός που το 2009 μοιράστηκε με την ισραηλινή χημικό Αda Ε. Υonath και τον αμερικανο-ινδικής καταγωγής φυσικό Venkatraman Ramakrisnhnan το βραβείο Νομπέλ Χημείας για τη διαλεύκανση του ρόλου του ριβοσώματος, ενός οργανιδίου που χωρίς αυτό δεν νοείται η ζωή.
Ο θαυμαστός κόσμος των ριβοσωμάτων
Τα ριβοσώματα παρομοιάζονται με ένα εργοστάσιο παραγωγής πρωτεϊνών που λειτουργεί σε 24ωρη βάση για να διατηρηθεί το κύτταρο ζωντανό. Η διαρκής τους λειτουργία είναι απαραίτητη για σχεδόν κάθε ανθρώπινη δραστηριότητα από την αναπνοή ως τη σκέψη. Αν και ο σημαντικός ρόλος αυτών των οργανιδίων ήταν σαφής από πολύ νωρίς στους κυτταρικούς βιολόγους, η μελέτη τους δεν ήταν εύκολη κυρίως λόγω του απαγορευτικού, για την εφαρμογή κλασικών μεθόδων διερεύνησης, μεγέθους τους. Και θα παρέμενε έτσι αν οι τρεις παραπάνω Νομπελίστες τη δεκαετία του 1970 δεν αξιοποιούσαν την κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ για να προσδιορίσουν τις θέσεις των ατόμων του ριβοσώματος και για να δημιουργήσουν τρισδιάστατα μοντέλα που δείχνουν τον τρόπο που διαφορετικά αντιβιοτικά συνδέονται με το ριβόσωμα. Κι αυτό γιατί τα ριβοσώματα των μολυσματικών μικροοργανισμών αποτελούν στόχους για τα αντιβιοτικά. Η κατανόηση της δομής και της λειτουργίας τους επέτρεψε στους βιοχημικούς να αναπτύξουν νέα αντιβιοτικά που διαταράσσουν τα βακτηριακά ριβοσώματα και που μπορούν να καταπολεμήσουν τα ανθεκτικά στα υπάρχοντα αντιβιοτικά βακτήρια.
Αυτά τα 3D μοντέλα που καθορίζουν τις θέσεις δέσμευσης πολλών αντιβιοτικών στα βακτηριακά ριβοσώματα που «οικοδομήθηκαν» από την ομάδα του Steitz το 2000, ήταν και η αφορμή για το βραβείο Νομπέλ Χημείας. «Στόχος μας είναι να κατανοήσουμε την παραμικρή λεπτομέρεια στη λειτουργία του DNA, του RNA και της διαδικασίας της πρωτεΐνοσύνθεσης. Τα καινούργια αντιβιοτικά θα στοχεύουν αποκλειστικά στο βακτηριακό ριβόσωμα, ήδη το 50% αυτών που παράγονται στις μέρες το κάνουν. Πιστεύουμε ότι η επόμενη γενιά αντιβιοτικών θα είναι πολύ αποτελεσματική εναντίον των Gram(+)βακτηρίων», συμπληρώνει ο Νομπελίστας, ο οποίος είναι συνιδρυτής της εταιρείας Rib-X Pharmaceuticals που έχει την έδρα της στο New Haven του Κονέκτικατ. Η εταιρεία δημιουργήθηκε για να εφαρμόσει την έρευνα για τα ριβοσώματα και κατά συνέπεια για να αναπτύξει και να βγάλει στο εμπόριο νέα φαρμακευτικά σκευάσματα για τη θεραπεία μολυσματικών μικροβιακών λοιμώξεων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά. Ήδη η εταιρεία διενεργεί κλινικές δοκιμές με κάποια από αυτά.
Κάθε χρόνο περισσότεροι από δύο εκατομμύρια ασθενείς μολύνονται από ανθεκτικά στα αντιβιοτικά βακτήρια. Μόνο στις ΗΠΑ περισσότεροι από 90.000 χάνουν τη ζωή τους εξαιτίας τους. «Σήμερα έχουμε αποκτήσει αρκετή γνώση σχετικά με τη δομική βάση της λειτουργίας των ριβοσωμάτων κατά την πρωτεϊνοσύνθεση από τις μελέτες μας πάνω στο βακτηριακό ριβόσωμα 70S και τα σύμπλοκά του με υποστρώματα, πρωτεϊνικούς παράγοντες ή αντιβιοτικά. Αυτά έχουν διασαφηνίσει τον μηχανισμό με τον οποίο αυτό το ριβόζυμο καταλύει τον σχηματισμό πεπτιδικού δεσμού (η πρωτεΐνη αποτελείται από πεπτίδια ή αλλιώς ομάδες αμινοξέων ενωμένα μεταξύ τους με πεπτιδικό δεσμό). Έχουμε αποσαφηνίσει τη δομή του συμπλέγματος του βακτηριακού ριβοσώματος 70S με tRNAs (μεταφορικό RNA, δηλ. μια μικρή αλυσίδα RNA που μεταφέρει αμινοξέα στο εσωτερικό του οργανιδίου για να γίνει η πρωτεινοσύνθεση) και με τον παράγοντα επιμήκυνσης EF–G (ένας μοριακός διακόπτης που βοηθάει στη σωστή τοποθέτηση των αμινοξέων στο πεπτίδιο) σε μια παλιότερη συμπαγή μορφή. Και προχωράμε. Ωστόσο, έχουμε ακόμη πολύ δρόμο να διανύσουμε όπως πώς επιλέγεται ένα συγκεκριμένο tRNA, πού μετακινείται μετά τον σχηματισμό του πεπτιδίου, πώς ρυθμίζεται…», συμπληρώνει ο καθηγητής.
Ο ίδιος πηγαίνοντας προς τα πίσω θυμάται τα προβλήματα που είχε όταν ξεκινούσε την κρυσταλλογραφία. Η διαδικασία ήταν επίπονη, έπρεπε να συλλέξει μέχρι 5.000 αντανακλάσεις ακτίνων Χ σε μια εβδομάδα και να χρησιμοποιήσει έναν υπολογιστή IBM 32K για να χαρτογραφήσει τη δομή των πρωτεϊνών – οι σημερινές εγκαταστάσεις συλλογής δεδομένων στα σύγχροτρα μπορούν να μετρήσουν τα εκατομμύρια των ανακλάσεων που χρειάζονται για τις δομές ριβοσωμάτων μέσα σε 10 λεπτά.
Σαν μια συλλογή από πεταλούδες…
Ο Νομπελίστας το 1962 επέλεξε το Χάρβαρντ, σκοπεύοντας να μελετήσει τα νουκλεϊνικά οξέα, αλλά μετά από την πρώτη προβολή 3D διαφανειών της κρυσταλλικής δομής της πρωτεΐνης μυοσφαιρίνης που παρουσίασε ο Max Perutz (Nobel, 1962), ο Steitz προσχώρησε σε μια ομάδα υπό τον William Lipscomb (Nobel, 1976) που μελετούσε την κρυσταλλογραφία πρωτεϊνών. Κι από εκεί άρχισαν όλα: «Θυμάμαι ακόμα εκείνη την ημέρα της άνοιξης του 1963, όταν είδα για πρώτη φορά σε 3D την ατομική δομή της μυοσφαιρίνης. Μου άλλαξε τη ζωή. Από εκείνη τη στιγμή αποφάσισα τον τρόπο με τον οποίο ήθελα να διερευνήσω και να κατανοήσω τα βιολογικά ερωτήματα», έγραψε το 2007 στο περιοδικό “Structure” ο αμερικανός μοριακός βιολόγος και βιοχημικός και συνέχισε: «Το ερώτημα είναι (όπως συμβαίνει πάντα) στην επιστήμη: “Ποιο είναι το ζητούμενο”; Ήταν σαφές από την αρχή ότι το ζήτημα μείζονος σημασίας για τη βιολογία δεν ήταν μόνο “ποια είναι η δομή της πρωτεΐνης Χ”, η οποία εξακολουθούσε να έχει κάποιο γενικό ενδιαφέρον για αρκετά χρόνια, αλλά “πώς μπορούμε να κατανοήσουμε τη δομική βάση της λειτουργίας μιας πρωτεΐνης μέσα σε μια βιολογική διαδικασία “; Το 1965 προσδιορίστηκε η δομή μιας δεύτερης πρωτεΐνης, της λυσοζύμης και του συμπλόκου της με ένα υπόστρωμα, παρέχοντας έτσι τις πρώτες πληροφορίες για τη δομική βάση της κατάλυσης. Ήταν σαφές. Η δομή θα μπορούσε να εξηγήσει τη βιολογική λειτουργία!»
Ο Νομπελίστας με τα χρόνια ανέπτυξε ένα βιολογικό δόγμα, σύμφωνα με το οποίο για να μπορέσουν οι επιστήμονες να κατανοήσουν μια βιολογική διαδικασία μελετώντας τις δομές, πρέπει να τις γνωρίζουν σε κάθε βήμα αυτής της διαδικασίας. Οι δομές των κομματιών ενός ρολογιού δεν μας δείχνουν το πώς λειτουργεί ένα ρολόι. Ακόμη και η δομή ολόκληρου του ρολογιού – σε μία μόνο κατάσταση – δεν μας δείχνει πώς εκείνο λειτουργεί. Η κατανόηση του πώς τρέχει ένα άλογο απαιτεί μια σειρά στιγμιότυπων που συλλαμβάνουν το άλογο σε κάθε στάδιο της διαδικασίας, έτσι ώστε να μπορούν να συνδυαστούν για να φτιαχτεί ένα φιλμ. «Συχνά ρωτάω: Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να γνωρίζουμε (όπως θα γίνει κάποια μέρα) τη δομή κάθε πρωτεΐνης (και RNA) που κωδικοποιείται στο ανθρώπινο γονιδίωμα και να τα καρφιτσώναμε σε έναν τοίχο σαν μια συλλογή πεταλούδων; Θα μας έδειχνε αυτό πώς λειτουργούν; Θα μπορούσαμε να συγκρίνουμε τα κοινά και τα διαφορετικά χαρακτηριστικά τους και να αντλήσουμε τις εξελικτικές σχέσεις τους, αλλά ακόμη και αυτή η ταξινόμηση δεν θα μας έλεγε πώς πετάει μια πεταλούδα, το οποίο θεωρώ πιο ενδιαφέρον…». Αυτά ακριβώς διαβάζει κάποιος στο άνοιγμα της ιστοσελίδας του εργαστηρίου του Καθηγητή Thomas Steitz στο Πανεπιστήμιο Yale, στην οποία διακρίνεται και η φωτογραφία με τα στιγμιότυπα του αλόγου δρομέα που περιγράφει ο ίδιος παραπάνω.
Εθισμένος στον ανταγωνισμό
Ο Thomas Arthur Steitz γεννήθηκε στο Milwaukee του Ουισκόνσιν τον Αύγουστο του 1940 μέσα σε μια οικογένεια που του καλλιέργησε πνευματικές ανησυχίες. Ήταν το μεγαλύτερο από τα πέντε παιδιά και στο γυμνάσιο υπερηφανευόταν πως ήταν διανοούμενος μέχρι να αντιμετωπίσει τον ανταγωνισμό από τα μικρότερα αδέλφια του. Ο πατέρας του, Arthur Steitz ήταν δικηγόρος και η μητέρα του Catherine Steitz, ήταν μια γυναίκα με κολεγιακή μόρφωση που επέλεξε το ρόλο της μητέρας αντί της εργαζόμενης. Τα βράδια γύρω από το οικογενειακό τραπέζι πραγματοποιούνταν συζητήσεις υψηλού επιπέδου και τα αδέρφια έκαναν επίδειξη γνώσης ο ένας στον άλλο.
Στο γυμνάσιο του Wauwatosa, ο Thomas Steitz ήταν πρώτος μαθητής και αποφοίτησε 8ος σε μια τάξη περισσότερων από 300 μαθητών. Αλλά ήταν και ταλαντούχος σαξοφωνίστας, που μάλιστα έπαιξε σαξόφωνο κατά την τελετή αποφοίτησης. Ονειρευόταν να γίνει μουσικός μέχρι τη στιγμή που πήγε στο Lawrence College, τώρα γνωστό ως Πανεπιστήμιο Lawrence και ανακάλυψε τη Χημεία. Ο Νομπελίστας μετά από μεταδιδακτορικές έρευνες στο Cambridge επέστρεψε στις ΗΠΑ και εργάστηκε για λίγο στο πανεπιστήμιο Berkeley πριν μετακινηθεί στο Πανεπιστήμιο του Γέιλ, στο Κονέκτικατ, όπου παραμένει μέχρι σήμερα.
Ο Steitz συνέβαλε στη δημιουργία του Κέντρου Δομικής Βιολογίας (Structural Biology) του Yale και τώρα είναι καθηγητής Μοριακής Βιοφυσικής και Βιοχημείας και ερευνητής στο Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes στο ίδιο πανεπιστήμιο. Ο ερευνητής εμπνεύστηκε πολύ από το έργο των Νομπελιστών Watson και Crick (βραβείο Νομπέλ 1953 για την ανακάλυψη της δομής του DNA) και τελικά κατάφερε να βάλει τον τελικό κρίκο στο «κεντρικό δόγμα» του Crick (από το DNA παράγεται DNA που παράγει RNA που δημιουργεί πρωτεΐνη), που ήταν η δομή του ριβοσώματος.
Ο Νομπελίστας είναι ένας πολύ γλυκός άνθρωπος που φαίνεται ήρεμος, αλλά ουσιαστικά ανησυχεί για τα πάντα. Αυτό τον καιρό έχει δυσαρεστηθεί με την απόφαση του Αμερικανού προέδρου να προχωρήσει σε μείωση δαπανών για την έρευνα. Πιο πολύ όμως από όλα τον ανησυχεί η στάση του απέναντι στην κλιματική αλλαγή. Επίσης, τον προβληματίζει που η κοινωνία δεν έχει αντιληφθεί το ρόλο της Επιστήμης και δεν διστάζει να βγει στους δρόμους για να διαδηλώσει για αυτή, παρά το προχωρημένο της ηλικίας του. «Οι άνθρωποι γνωρίζουν μόνο απλά πράγματα, για παράδειγμα, ότι πρέπει να πάρουν ένα αντιβιοτικό και τίποτε παραπέρα. Τι μπορεί να κάνει η Επιστήμη παραπάνω για αυτό; Εκπαίδευση σε όλα τα επίπεδα. Αυτό είναι το “κλειδί”!»
Δεν θα μπορούσε να ολοκληρωθεί αυτή η συνέντευξη χωρίς μια αναφορά στη βραδιά που ανακοινώθηκε η βράβευση του κορυφαίου αυτού επιστήμονα με Νομπέλ. Ένας από τους αδερφούς του Νομπελίστα, ο William Steitz, αστυνομικός στο Germantown, έλεγε πάντα και πίστευε ότι ο αδελφός του έπρεπε να κερδίσει το Νομπέλ. Παρόλα αυτά, κάθε χρόνο γίνονταν οι απονομές χωρίς να αναφέρεται το όνομα του αδελφού, ώσπου κάποια στιγμή κι εκείνος έχασε την ελπίδα του. Την βραδιά της απονομής το 2009, χτύπησε το τηλέφωνο στο σπίτι του αστυνομικού στο Germantown και απάντησε η γυναίκα του. Είδε τα δάκρυα στα μάτια της συζύγου του και το χαμόγελο στο πρόσωπό της και κατάλαβε τι ήταν. Η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία έψαχνε τον αδελφό του. Ο Thomas Steitz είχε επιτέλους αποσπάσει το βραβείο Νομπέλ Χημείας.
