Έλεγχος βιοασφάλειας: Η πρώτη μέθοδος εντοπισμού συνθετικής «κατοπτρικής ζωής»

Σύνοψη

• Ερευνητές από τα Πανεπιστήμια Strathclyde και Durham προτείνουν την πρώτη επιστημονικά τεκμηριωμένη μέθοδο εντοπισμού της υποθετικής «κατοπτρικής ζωής», χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του πολωμένου φωτός.
• Η «κατοπτρική ζωή» (mirror life) αφορά μορφές ζωής κατασκευασμένες από μοριακά δομικά στοιχεία που αποτελούν το ακριβές είδωλο των συστατικών που συναντάμε φυσικά στη Γη.
• Αν και δεν υπάρχουν τέτοιοι οργανισμοί σήμερα, η πιθανότητα δημιουργίας τους στο μέλλον αποτελεί σοβαρό κίνδυνο βιοασφάλειας, καθώς θα μπορούσαν να παρακάμψουν την ανοσία των φυσικών οικοσυστημάτων.
• Η τεχνική βασίζεται στην Κυκλικά Πολωμένη Φωταύγεια (Circularly Polarised Luminescence - CPL),μια τεχνολογία που αξιοποιεί θεμελιώδεις αρχές αντίστοιχες με εκείνες των τρισδιάστατων γυαλιών κινηματογράφου.
• Μέσω πολλαπλών φθοριζόντων δεικτών δημιουργείται ένα μοριακό «δακτυλικό αποτύπωμα», το οποίο διαχωρίζει με σαφήνεια τους συμβατικούς από τους συνθετικά ανεστραμμένους οργανισμούς.

Ερευνητές των Πανεπιστημίων Strathclyde και Durham ανέπτυξαν την πρώτη μέθοδο ανίχνευσης της θεωρητικής «κατοπτρικής ζωής», χρησιμοποιώντας κυκλικά πολωμένη φωταύγεια (CPL) και ειδικούς φθορίζοντες ανιχνευτές. Η τεχνική αναλύει τη μοριακή χειρομορφία των κυττάρων, δημιουργώντας ένα μοριακό αποτύπωμα που μπορεί να εντοπίσει συνθετικούς οργανισμούς οι οποίοι ενδέχεται να απειλήσουν τα φυσικά οικοσυστήματα.

Ο τομέας της συνθετικής βιολογίας αναπτύσσεται με ραγδαίους ρυθμούς τα τελευταία χρόνια, οδηγώντας την επιστημονική κοινότητα στην ανάγκη εκ των προτέρων σχεδιασμού στρατηγικών άμυνας απέναντι σε θεωρητικούς, αλλά απολύτως εφικτούς βάσει των νόμων της χημείας, κινδύνους.Ένας από τους πιο συζητημένους κινδύνους στους ακαδημαϊκούς κύκλους είναι η πιθανότητα δημιουργίας αυτοαναπαραγόμενων οργανισμών που βασίζονται σε αντίστροφη μοριακή αρχιτεκτονική. 

Αυτή η έννοια σχετίζεται με τη χειρομορφία (chirality), μια θεμελιώδη ιδιότητα των μορίων σύμφωνα με την οποία ένα μόριο μπορεί να υφίσταται σε δύο μορφές που αποτελούν ακριβή είδωλα η μία της άλλης, όπως ακριβώς συμβαίνει με το δεξί και το αριστερό μας χέρι τα οποία δεν μπορούν να ταυτιστούν απόλυτα αν επικαλυφθούν. Παρόλο που αυτές οι δύο εκδοχές περιέχουν ακριβώς τα ίδια άτομα συνδεδεμένα με την ίδια ακριβώς σειρά, η συμπεριφορά τους και η αλληλεπίδρασή τους με τους βιολογικούς οργανισμούς διαφέρουν ριζικά.

Για να γίνει κατανοητή η κλίμακα της διαφοράς σε πρακτικό επίπεδο, αρκεί να εξετάσουμε τη δράση των φαρμακευτικών σκευασμάτων στον ανθρώπινο οργανισμό. Η μία πλευρική εκδοχή ενός φαρμάκου μπορεί να θεραπεύσει αποτελεσματικά μια σοβαρή ασθένεια, ενώ το ακριβές μοριακό της είδωλο μπορεί να αποδειχθεί εντελώς αδρανές ή ακόμα και εξαιρετικά τοξικό για τα κύτταρα του ασθενούς. Εάν κάποια στιγμή στο μέλλον δημιουργηθούν τεχνητά οργανισμοί με ανεστραμμένα δομικά στοιχεία, οι επιστήμονες κρούουν τον κώδωνα του κινδύνου ότι θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με τα υπάρχοντα οικοσυστήματα με εντελώς απρόβλεπτους τρόπους, έχοντας την ικανότητα να αποφεύγουν τους φυσικούς αμυντικούς μηχανισμούς που προστατεύουν τους ανθρώπους, τα ζώα και τα φυτά στη Γη. Κυβερνητικοί οργανισμοί και διεθνείς φορείς, συμπεριλαμβανομένου του Γραφείου Επιστήμης της Βρετανικής Κυβέρνησης και της Επιστημονικής Συμβουλευτικής Επιτροπής του Γενικού Γραμματέα των Ηνωμένων Εθνών, έχουν ήδη αρχίσει να εξετάζουν τους δυνητικούς κινδύνους, ζητώντας αυστηρότερους περιορισμούς στην έρευνα που στοχεύει στην παραγωγή τέτοιων μικροοργανισμών.

Η τεχνολογία CPL ως εργαλείο ανίχνευσης

Οι ερευνητές δημοσίευσαν στο Royal Society Open Science την πρώτη ολοκληρωμένη πρόταση ανίχνευσης βιολογικών κινδύνων αυτής της κατηγορίας. Η προσέγγισή τους εστιάζει στην Κυκλικά Πολωμένη Φωταύγεια (Circularly Polarised Luminescence), ένα οπτικό φαινόμενο ικανό να αποκαλύψει τη μοριακή κατεύθυνση των βιολογικών δομών, αναλύοντας τον τρόπο με τον οποίο το φως περιστρέφεται καθώς διαπερνά ή εκπέμπεται από αυτές. Πρόκειται για μια εξαιρετικά ακριβή μέθοδο ανάλυσης η οποία αξιοποιεί μοτίβα πόλωσης που περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις, επιτρέποντας στους επιστήμονες να συγκεντρώσουν κρίσιμες πληροφορίες για την τρισδιάστατη αρχιτεκτονική του δείγματος.

Η αρχή λειτουργίας δεν είναι εντελώς άγνωστη στο ευρύ κοινό, αφού βασίζεται στα ίδια ακριβώς φυσικά θεμέλια που επιτρέπουν τη δημιουργία της στερεοσκοπικής ψευδαίσθησης βάθους μέσω των πολωμένων γυαλιών που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες τρισδιάστατες κινηματογραφικές προβολές. Οι ερευνητές προτείνουν τη χρήση ειδικά σχεδιασμένων φθοριζόντων ανιχνευτών οι οποίοι δεσμεύονται σε επιλεγμένες δομές στο εσωτερικό των κυττάρων, εκπέμποντας στη συνέχεια χαρακτηριστικά σήματα CPL που λειτουργούν πρακτικά ως ένας αλάνθαστος μοριακός δείκτης. Αναλύοντας τα προκύπτοντα φωτεινά μοτίβα, τα εργαστήρια μπορούν να καθορίσουν με ασφάλεια αν ένα βιολογικό δείγμα διαθέτει τη φυσιολογική χειρομορφία της γήινης ζωής ή αν ανήκει στο φάσμα των συνθετικά ανεστραμμένων μορφών.

Προκειμένου να εξαλειφθεί ο κίνδυνος εσφαλμένων μετρήσεων που θα μπορούσαν να προκαλέσουν αδικαιολόγητο πανικό, η επιστημονική ομάδα αποφεύγει την εξάρτηση από έναν και μόνο δείκτη. Για την ακρίβεια, περιγράφει στο σχετικό σύγγραμμα ένα σύνθετο πάνελ πολλαπλών φθοριζόντων δεικτών, στοχεύοντας ταυτόχρονα σε ποικίλες κυτταρικές δομές, ώστε η τελική διάγνωση να προκύπτει από τη συνδυαστική επιβεβαίωση πολλών διαφορετικών παραμέτρων. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα της προτεινόμενης τεχνικής έγκειται στο γεγονός πως η ανάπτυξη και η βελτιστοποίησή της μπορούν να πραγματοποιηθούν με τη χρήση συμβατικών, απόλυτα ασφαλών βιολογικών δειγμάτων. Οι επιστήμονες δεν χρειάζεται να κατασκευάσουν οι ίδιοι δοκιμαστικούς οργανισμούς καθρέφτη προκειμένου να αποδείξουν την αποτελεσματικότητα των ανιχνευτών τους, ελαχιστοποιώντας έτσι το ρίσκο οποιασδήποτε εργαστηριακής διαρροής κατά τη διάρκεια των πειραμάτων.

Ήδη σε εργαστηριακή κλίμακα έχουνεπιδείξει την επιτυχή ενσωμάτωση τεχνολογιών ανίχνευσης CPL σε συμβατικό επιστημονικό εξοπλισμό ευρείας χρήσης, συμπεριλαμβανομένων μικροσκοπίων, καμερών υψηλής ακρίβειας και συσκευών ανάγνωσης κυτταρικών πλακών. Η ευελιξία προσαρμογής του συστήματος σε πληθώρα διαφορετικών οπτικών διατάξεων διασφαλίζει ότι η μέθοδος θα μπορούσε να γενικευτεί ταχύτατα και να εγκατασταθεί σε εκατοντάδες ερευνητικά κέντρα παγκοσμίως, εφόσον παραστεί τέτοια ανάγκη.