5 προκλήσεις που θα αντιμετωπίζαμε σχεδιάζοντας νέες πρωτεΐνες

Οι πρωτεΐνες είναι αξιοθαύμαστες μοριακές μηχανές: χωνεύουν το φαγητό σας, πυροδοτούν τους νευρώνες σας, ενδυναμώνουν το ανοσοποιητικό σας σύστημα και πολλά άλλα. Πώς θα σας φαινόταν αν μπορούσαμε να σχεδιάσουμε καινούργιες, με λειτουργίες που δεν υπήρχαν ποτέ στη φύση; Σε αυτή την καταπληκτική προοπτική του μέλλοντος, ο Ντέιβιντ Μπέικερ μοιράζεται μαζί μας πώς η ομάδα του στο Ινστιτούτο Σχεδιασμού Πρωτεΐνης δημιουργεί νέες πρωτεΐνες από την αρχή -- και δείχνει πώς θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να αντιμετωπίσουμε πέντε μαζικές προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. (Αυτό το φιλόδοξο σχέδιο αποτελεί μέρος του Audacious Project, της πρωτοβουλίας του TED να εμπνεύσει και να χρηματοδοτήσει την παγκόσμια αλλαγή.)

Θα σας πω για τις πιο καταπληκτικές
μηχανές στον κόσμο

και τι μπορούμε να κάνουμε τώρα με αυτές.

Οι πρωτεΐνες,

μερικές από τις οποίες
βλέπετε εδώ μέσα σε ένα κύτταρο,

διεκπεραιώνουν όλες τις σημαντικές
λειτουργίες στο σώμα μας.

Οι πρωτεΐνες κάνουν πέψη των τροφών,

συστέλλουν τους μύες σας,

πυροδοτούν τους νευρώνες σας

και ενδυναμώνουν το ανοσοποιητικό σας.

Ό,τι συμβαίνει στη βιολογία --

σχεδόν --

συμβαίνει λόγω των πρωτεϊνών.

Οι πρωτεΐνες είναι γραμμικές αλυσίδες
δομικών στοιχείων που λέγονται αμινοξέα.

Η φύση χρησιμοποιεί
ένα αλφάβητο από 20 αμινοξέα,

μερικά από τα οποία
μπορεί να έχετε ακούσει.

Σε αυτή την εικόνα, υπό κλίμακα,
κάθε προεξοχή αναπαριστά ένα άτομο.

Οι χημικές δυνάμεις ανάμεσα στα αμινοξέα
κάνουν αυτά τα μακροσκελή μόρια

να αναδιπλώνονται σε μοναδικές,
τρισδιάστατες δομές.

Η διαδικασία αναδίπλωσης,

παρόλο που φαίνεται τυχαία,

είναι καθορισμένη με μεγάλη ακρίβεια.

Κάθε πρωτεΐνη αναδιπλώνεται
στο ίδιο χαρακτηριστικό σχήμα κάθε φορά

και η διαδικασία αναδίπλωσης
γίνεται σε ένα κλάσμα δευτερολέπτου.

Είναι αυτό το σχήμα των πρωτεϊνών

που τους δίνει τη δυνατότητα

να διεκπεραιώνουν τις καταπληκτικές
βιολογικές τους λειτουργίες.

Για παράδειγμα,

η αιμοσφαιρίνη μέσα στους πνεύμονες
είναι τέλεια σχηματισμένη

για τη δέσμευση ενός μορίου οξυγόνου.

Όταν η αιμοσφαιρίνη μπαίνει στους μύες,

το σχήμα της αλλάζει ανεπαίσθητα

και το οξυγόνο απελευθερώνεται.

Το σχήμα των πρωτεϊνών,

και επομένως
οι καταπληκτικές τους λειτουργίες,

καθορίζονται απόλυτα από την αλληλουχία
των αμινοξέων στην πρωτεϊνική αλυσίδα.

Σε αυτή τη φωτογραφία,
κάθε γράμμα στην κορυφή είναι ένα αμινοξύ.

Πώς δημιουργούνται οι αλληλουχίες αυτές;

Τα γονίδια του γονιδιώματός σας
καθορίζουν τις αλληλουχίες των αμινοξέων

μέσα στις πρωτεΐνες.

Κάθε γονίδιο κωδικοποιεί την αλληλουχία
των αμινοξέων κάθε πρωτεΐνης ξεχωριστά.

Η μετάφραση ανάμεσα
στις αλληλουχίες και τα αμινοξέα

σε δομές και λειτουργίες των πρωτεϊνών

είναι γνωστή ως το
«πρόβλημα πρωτεϊνικής αναδίπλωσης».

Είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα,

επειδή υπάρχουν πολλά διαφορετικά
σχήματα που μπορεί να πάρει μια πρωτεΐνη.

Εξαιτίας αυτής της πολυπλοκότητας,

οι άνθρωποι μπόρεσαν να εκμεταλλευτούν
το δυναμικό των πρωτεϊνών

κάνοντας μόνο πολύ μικρές αλλαγές
στις αλληλουχίες των αμινοξέων

των πρωτεϊνών που έχουμε βρει στη φύση.

Όπως οι πρόγονοί μας στη Λίθινη εποχή

έφτιαχναν εργαλεία και άλλα σκεύη
από τα ξύλα και τις πέτρες

που βρήκαν στη φύση γύρω μας.

Αλλά οι άνθρωποι δεν έμαθαν
να πετούν τροποποιώντας πουλιά.

(Γέλια)

Αντί γι' αυτό, οι επιστήμονες,
αντλώντας έμπνευση από τα πουλιά,

ανακάλυψαν τις αρχές της αεροδυναμικής.

Οι μηχανικοί μετά
χρησιμοποίησαν αυτές τις αρχές

για να σχεδιάσουν
προσαρμοσμένες ιπτάμενες μηχανές.

Με παρόμοιο τρόπο,

δουλεύουμε εδώ και μερικά χρόνια

για να ανακαλύψουμε
τις αρχές της πρωτεϊνικής αναδίπλωσης

και να κωδικοποιήσουμε αυτές τις αρχές
σε ένα λογισμικό που λέγεται Rosetta.

Πριν από μερικά χρόνια
πετύχαμε μια σημαντική πρόοδο.

Μπορούμε τώρα να σχεδιάσουμε νέες
πρωτεΐνες από το μηδέν στον υπολογιστή.

Μόλις σχεδιάσουμε μια νέα πρωτεΐνη,

κωδικοποιούμε την αλληλουχία των
αμινοξέων της σε ένα συνθετικό γονίδιο.

Πρέπει να δημιουργήσουμε
ένα συνθετικό γονίδιο

εφόσον η πρωτεΐνη είναι εντελώς καινούρια,

δεν υπάρχει γονίδιο
σε οποιοδήποτε οργανισμό στη Γη

που μπορεί να την κωδικοποιήσει.

Η πρόοδός μας στην κατανόηση
της αναδίπλωσης πρωτεϊνών

και της σχεδίασης των πρωτεϊνών,

σε συνδυασμό με τη μείωση του κόστους
της σύνθεσης γονιδίων

και τον νόμο του Μουρ για την αύξηση
της υπολογιστικής δύναμης των υπολογιστών,

μας δίνουν τώρα τη δυνατότητα

να σχεδιάσουμε δεκάδες
χιλιάδες νέες πρωτεΐνες,

με νέα σχήματα και λειτουργίες,

στον υπολογιστή,

και να κωδικοποιήσουμε κάθε μία
από αυτές, σε ένα συνθετικό γονίδιο.

Μόλις φτιάξουμε αυτά τα συνθετικά γονίδια,

τα βάζουμε σε βακτήρια

για να τα προγραμματίσουμε να φτιάξουν
αυτές τις καινούριες πρωτεΐνες.

Μετά, παίρνουμε τις πρωτεΐνες

και εξετάζουμε αν λειτουργούν
όπως τις σχεδιάσαμε

και αν είναι ασφαλείς.

Είναι συναρπαστικό να μπορείς
να φτιάχνεις νέες πρωτεΐνες,

διότι παρά τη βιοποικιλότητα της φύσης,

η εξέλιξη έχει δημιουργήσει
μόνο ένα απειροελάχιστο

του συνολικού αριθμού πρωτεϊνών
που μπορούν να δημιουργηθούν.

Σας είπα ότι η φύση χρησιμοποιεί
ένα αλφάβητο από 20 αμινοξέα

και μια τυπική πρωτεΐνη είναι
μια αλυσίδα από περίπου 100 αμινοξέα,

έτσι ο αριθμός πιθανών συνδυασμών
είναι 20 επί 20 επί 20, 100 φορές,

που είναι ένας αριθμός
στην 130η δύναμη του 10

που είναι εξαιρετικά μεγαλύτερος
από τον συνολικό αριθμό πρωτεϊνών

που έχουν υπάρξει από τότε
που η ζωή άρχισε στη Γη.

Και είναι αυτό το πέρα
από κάθε φαντασίας εύρος

που μπορούμε τώρα να εξερευνήσουμε
με τον σχεδιασμό πρωτεϊνών με υπολογιστές.

Οι πρωτεΐνες που υπάρχουν στη Γη

εξελίχτηκαν για να λύσουν
τα προβλήματα της εξέλιξης της φύσης.

Για παράδειγμα,
ο διπλασιασμός του γονιδιώματος.

Αλλά σήμερα
αντιμετωπίζουμε νέες προκλήσεις.

Ζούμε περισσότερο,
άρα νέες αρρώστιες είναι σημαντικές.

Θερμαίνουμε και μολύνουμε τον πλανήτη,

οπότε αντιμετωπίζουμε
πολλές οικολογικές προκλήσεις

Αν είχαμε ένα εκατομμύριο
χρόνια περιθώριο,

μπορεί να εξελίσσονταν νέες πρωτεΐνες
για αυτές τις προκλήσεις.

Όμως, δεν έχουμε εκατομμύρια
χρόνια να περιμένουμε.

Αντί γι' αυτό, με την υπολογιστική
σχεδίαση πρωτεϊνών

μπορούμε να σχεδιάσουμε νέες πρωτεΐνες

για να αντιμετωπίσουμε
αυτές τις προκλήσεις σήμερα.

Η τολμηρή μας ιδέα είναι να βγάλουμε
τη βιολογία από τη Λίθινη εποχή

με την τεχνολογική εξέλιξη
στη σχεδίαση πρωτεϊνών.

Ήδη αποδείξαμε ότι μπορούμε
να σχεδιάσουμε νέες πρωτεΐνες

με νέα σχήματα και λειτουργίες.

Για παράδειγμα, τα εμβόλια λειτουργούν
διεγείροντας το ανοσοποιητικό σύστημα,

ώστε να έχει ισχυρότερη ανταπόκριση
εναντίον ενός παθογόνου.

Για να φτιάξουμε καλύτερα εμβόλια,

σχεδιάσαμε μόρια πρωτεϊνών

στα οποία μπορούμε να συγχωνεύσουμε
πρωτεΐνες από παθογόνα,

όπως αυτή εδώ η μπλε πρωτεΐνη,
από τον αναπνευστικό ιό RSV.

Για να φτιάξουμε υποψήφια εμβόλια

που είναι γεμάτα από την ιογενή πρωτεΐνη,

βρίσκουμε ότι τα υποψήφια
εμβόλια αυτού του είδους

προκαλούν πολύ ισχυρότερη
ανοσοποιητική απόκριση στον ιό

από όλα τα προηγούμενα εμβόλια
που έχουν δοκιμαστεί.

Αυτό είναι σημαντικό επειδή ο RSV είναι
τώρα μια από τις σημαντικότερες αιτίες

της βρεφικής θνησιμότητας παγκοσμίως.

Επίσης, έχουμε σχεδιάσει νέες πρωτεΐνες
που διασπούν τη γλουτένη στο στομάχι σας

για την αντιμετώπιση της κοιλιοκάκης

και άλλες πρωτεΐνες
που διεγείρουν το ανοσοποιητικό

για να πολεμήσει τον καρκίνο.

Αυτές οι πρόοδοι είναι η αρχή
της επανάστασης της πρωτεϊνικής σχεδίασης.

Εμπνευστήκαμε από την προηγούμενη
τεχνολογική επανάσταση:

την ψηφιακή επανάσταση,

που συνέβη στο μεγαλύτερο μέρος της
λόγω επιστημονικών προόδων σε ένα μέρος.

Τα εργαστήρια Bell.

Τα εργαστήρια Bell ήταν ένα μέρος
με ανοιχτό συνεργατικό περιβάλλον,

που μπόρεσε να ελκύσει
τα κορυφαία ταλέντα από όλο τον κόσμο.

Το γεγονός αυτό οδήγησε σε
μια αξιοθαύμαστη σειρά από καινοτομίες --

το τρανζίστορ, το λέιζερ,
τη δορυφορική επικοινωνία

και τα θεμέλια του διαδικτύου.

Σκοπός μας είναι να χτίσουμε τα εργαστήρια
Bell της πρωτεϊνικής σχεδίασης.

Επιδιώκουμε να προσελκύσουμε
ταλαντούχους επιστήμονες από όλο τον κόσμο

για να επιταχύνουμε την επανάσταση
της πρωτεϊνικής σχεδίασης,

και θα εστιάζουμε
σε πέντε μεγάλες προκλήσεις.

Κατ΄ αρχάς, παίρνοντας πρωτεΐνες
από στελέχη της γρίπης από όλο τον κόσμο

και βάζοντας τα πάνω
σε σχεδιασμένα πρωτεϊνικά μόρια

όπως σας έδειξα πριν,

σκοπεύουμε να φτιάξουμε
ένα παγκόσμα καθολικό εμβόλιο γρίπης

που μία δόση του θα δίνει
ισόβια προστασία από τη γρίπη.

Η ικανότητα να σχεδιάζουμε --

(Χειροκρότημα)

Η ικανότητα να σχεδιάζουμε
νέα εμβόλια στον υπολογιστή

είναι σημαντική για να προστατευτούμε
από τις φυσικές επιδημίες γρίπης

και, επιπλέον τις σκόπιμες
επιθέσεις βιοτρομοκρατίας.

Δεύτερον, ξεπερνάμε κατά πολύ
το περιορισμένο αλφάβητο της φύσης

από μόνο 20 αμινοξέα

για να σχεδιάσουμε
νέες υποψήφιες θεραπείες

για παθολογικές καταστάσεις
όπως ο χρόνιος πόνος,

χρησιμοποιώντας
ένα αλφάβητο χιλιάδων αμινοξέων.

Τρίτο, φτιάχνουμε
οχήματα προηγμένης διανομής

για να διανείμουμε υπάρχοντα φάρμακα
εκεί που πρέπει να πάνε μέσα στο σώμα.

Για παράδειγμα, χημειοθεραπεία
σε έναν καρκινικό όγκο

ή γονιδιακές θεραπείες στον ιστό που
χρειάζεται να γίνει η γονιδιακή επισκευή.

Τέταρτο, σχεδιάζουμε έξυπνες θεραπείες

που θα μπορούν να κάνουν
υπολογισμούς μέσα στο σώμα

ξεπερνώντας κατά πολύ τα τωρινά φάρμακα,

που είναι πολύ χοντροκομμένα εργαλεία.

Για παράδειγμα, στοχεύοντας ένα μικρό
υποσύνολο από κύτταρα του ανοσοποιητικού

υπεύθυνα για μια αυτοάνοση διαταραχή,

ώστε να τα ξεχωρίσουμε από την πλειονότητα
των υγιών ανοσοποιητικών κυττάρων.

Τέλος, εμπνεόμενοι
από βιολογικά υλικά με αξιόλογες ιδιότητες

όπως το μετάξι, το αμπαλόνε,
το δόντι και άλλα,

σχεδιάζουμε νέα υλικά
βασισμένα σε πρωτεΐνες

για να αντιμετωπίσουμε
ενεργειακές και οικολογικές προκλήσεις.

Για να πετύχουμε όλα αυτά,
μεγαλώνουμε το ινστιτούτο μας.

Επιδιώκουμε να προσελκύσουμε δραστήριους,
ταλαντούχους και διαφορετικούς επιστήμονες

από όλο τον κόσμο,
σε οποιαδήποτε φάση της καριέρας τους,

να έρθουν μαζί μας.

Κι εσείς μπορείτε να συμμετάσχετε στην
επανάσταση της πρωτεϊνικής σχεδίασης

με το διαδικτυακό παιχνίδι μας
αναδίπλωσης και σχεδίασης, «Foldit»,

και μέσα από το διανεμημένο πρότζεκτ
υπολογισμού, Rosetta@home,

στο οποίο μπορείτε να συμμετάσχετε
από το λάπτοπ ή το Android κινητό σας.

Το να κάνουμε τον κόσμο ένα καλύτερο
μέρος μέσω της πρωτεϊνικής σχεδίασης,

είναι το έργο ζωής μου.

Είμαι ενθουσιασμένος με
ότι μπορούμε να κάνουμε μαζί.

Ελπίζω να έρθετε μαζί μας

και σας ευχαριστώ.

(Χειροκρότημα και επευφημίες)