Genetska mašina

Detaljno mapiranje ljudskog DNK poduhvat je koji se meri po značaju sa najvećim otkrićima i postignućima u istoriji čovečanstva.

Ljudska vrsta je beskrajno znatiželjna i kreativna i veliko je pitanje gde se uopšte nalaze granice preko kojih nauka neće moći da dosegne. Nekada se verovalo da nijedan predmet teži od vazduha ne može da leti, a braća Rajt su se vinula u nebo u svojoj „metalnoj ptici”. Takođe je bilo teško zamislivo da će ljudska noga kročiti na Mesec, a već su prošle decenije od tog događaja.

A sada su ljudski um i znanje napravili proboj u jednako dalek i nedokučiv svet mikrokosmosa, na pragu smo dešifrovanja ljudskog DNK – čudesne genetske mašine koja diktira razvoj, održavanje, ponašanje i funkciju svih živih organizama na ovoj planeti.

Mnoge koristi, ali i potencijalne zloupotrebe ovog znanja već su potpuno jasne, a kako vreme bude prolazilo, i sve dublje se otkrivale tajne gena, tako će se i otkrivati sve dublje implikacije.

Malo istorije

Prva saznanja i pokušaji odgonetanja tajne DNK mogu da se prate sve do početka ovoga veka, kada su naučnici tog vremena pokušavali da mapiraju DNK strukturu vinske mušice. Njihov rad je postavio temelje za prvi veći proboj koji su napravili Watson i Crick 1953. godine otkrivši magičnu strukturu DNK – dvostruku uvrnutu spiralu. Ova enigmatična slika molekula života svima je postala poznata i urezala se u svest svih ljudi kao simbol tajne života. Njihovo otkriće postavilo je skicu ovog rebusa koji je ostao da tek bude rešen.

Sledeći važan korak zbio se 1983. godine kada je Kary Mullis otkrio tehniku lančane reakcije polimeraze koja je omogućila mnogo bržu reprodukciju delova DNK.

Kako je napredovalo saznanje o genima, među mnogim naučnicima širom sveta počela je da se javlja ideja o pokretanju projekta čiji bi cilj bio potpuno mapiranje i dešifrovanje ljudskih gena. Trenutak uspostavljanja ovog projekta još je jedan značajan korak koji se desio 1990. godine. Tada je u SAD formiran Nacionalni institut za istraživanje ljudskog genoma koji je koordinisao aktivnosti različitih privatnih i državnih laboratorija širom sveta.

Prema prvobitnim planovima predviđalo se da će za kompletiranje sekvenciranja DNK biti potrebno 15 godina, a završetak ove prve faze je postavljen u 2005. godinu. Međutim, zbog bržeg napredovanja tehničkih dostignuća od očekivanog, mapiranje ljudskog DNK biće završeno 2003. godine.

Uskoro nas očekuje dan kada će biti objavljen konačan završetak mapiranja i koji će postati istorija, a uvertira ovom događaju zvanično je obaveštenje, sredinom 2000. godine, privatne biotehnološke kompanije „Celera”, (www.celera.com), koja je uspela da kompletira sliku ljudskog genoma. Ova slika je bila ipak nedovoljno precizna i smatrala se grubom skicom.

Tom prilikom bile su pokrenute mnoge debate i probuđeni mnogi strahovi o tome da će privatne kompanije patentirati ljudske gene i to iskoristiti za bogaćenje.

Na svu sreću, ovo pitanje je bar za sada dobro rešeno, tako da se znanje o ljudskim genima smatra javnim dobrom i, u skladu s tim, dostupno svim zainteresovanim institucijama i pojedincima.

Programski jezik života

Da bismo malo bolje razumeli čitav projekat dešifrovanja ljudskih gena, moramo da se vratimo na jedan kratak čas biologije. Telo svakoga od nas nastalo je od jedne jedine ćelije, oba roditelja su nam dala po jedan set od 23 hromozoma koji sačinjavaju ukupno 46 koliko ima svaka ćelija. I svaka od naših miliona i miliona ćelija sadži taj duplicirani set. Šifra ili program po kome se ovo odvija generacijama, i po kojoj se pravilno razvijaju sve ćelije našeg tela, nalazi se u lancu DNK.

DNK (dezoksiribonukleinska kiselina) sastavljena je od četiri gradivna elementa koji se ponavljaju u velikom broju kombinacija. Ove četiri baze formiraju parove, a ovih parova u ljudskom DNK ima ukupno 3,2 milijarde. Upravo kobinacije i redosled ovih parova čine taj tajanstveni kôd.

Ljudski DNK nije jedan uniformni lanac, već je podeljen u celine različitih veličina, svaka od ovih celina predstavlja jedan hromozom i njih ima 46. Poslednja dva su oni čuveni X i Y hromozomi od čije kombinacije zavisi da li će dete biti muško ili žensko. Svaki hromozom sadrži različit broj gena, a oni su zapravo određeni broj tih baznih parova sa svojom posebnom kombinacijom koja određuje neku naslednu crtu ili funkciju. Doskora se smatralo da se broj ljudskih gena kreće oko 100 hiljada, ali najnovija istraživanja pokazala su da je to negde oko 30 do 40 hiljada. Pored svega ovog, veoma je interesantno da samo 5 odsto ukupne DNK predstavljaju geni koji diktiraju razvoj, dok uloga ostalih 95 odsto DNK materijala nije potpuno jasna.

Na kraju, kako sve ovo funkcioniše u jednoj ćeliji? Bezbrojne kombinacije osnovna četiri elementa od kojih su sačinjeni lanci DNK kao da su delovi nekog velikog kompjuterskog programa. Prema ovim kodovima, ćelije u našem telu svakog dana, svakog sekunda stvaraju veliki broj različitih proteina koji dalje nose i obavljaju sve funkcije. Ako se u ovom „prirodnom kompjuteru” desi neki „bag”, tj. genetska mutacija, dolazi do premećaja rada ćelije. Ovaj poremećaj rezultira bolešću ili naslednom anomalijom.

Medicina budućnosti

Na ovaj način polako dolazimo i do razloga za preduzimanje čitavog poduhvata. Upoznavanje funkcije svakog pojedinog gena daće odgovore i rešenja za mnoga genetski nasleđena oboljenja, a takođe će omogućiti da se pronađe lek na molekularnom nivou za oboljenja kao što je rak ili multipleks-skleroza.

Proces indentifikovanja gena sa određenom bolešću ranije je bio mnogo teži, sporiji i mukotrpniji, s mnogo manje tačnosti u dobijenim rezultatima. Do 1989. godine genetika je uspela da, sortirajući kroz nasledne redove, indentifikuje samo četiri gena kao uzročnike određenih bolesti. Kao primer njihove tadašnje sporosti je i podatak da je 1989. godine otkriven, posle devet godina istraživanja, gen koji je uzročnik cistične fibroze. A devet godina kasnije, zbog rapidnog razvoja računarske tehnologije, kao i akumuliranja dotadašnjeg saznanja o genetskom materijalu, gen uzročnik Parkinsonove bolesti otkriven je za samo devet dana.

Prva faza u dešifrovanju DNK, sekvenciranje i mapiranje, a koja treba da se završi sledeće godine, samo je neophodna uvertira za ono što je zapravo ključno za buduću medicinu koja će se bazirati na molekularnoj biologiji i genetici – povezivanje svakog gena sa bolešću, funkcijom ili naslednom osobinom. Ovaj zadatak jednako je težak i zahtevan kao što je bio i prethodni i zahteva ogromne ljudske i računarske resurse.

Sa preciznim znanjem o funkciji i ulozi svakog od 30-tak hiljada ljudskih gena, biofarmaceutska industrija će moći da stvori vrlo „precizne” lekove koji će sprečavati ili lečiti bolesti i poremećaje na najdubljem mogućem nivou koji današnja nauka prepoznaje – molekularnom i genetskom.

Upoznavanje funkcionisanja gena donosi velika poboljšanja i u oblasti prevencije i dijagnostike. U budućnosti će biti mnogo lakše prepoznati i indentifikovati nosioce genetskih mutacija koji su uzrok neke bolesti ili poremećaja, a pre nego što se bolest ispolji na scenu će stupiti preventiva.

Sve dublje razumevanje i upoznavanje genetskog materijala dovodi medicinu na prag razumevanja najdubljih uzroka raka, jedne od najzloslutnijih bolesti savremenog čoveka. Već određeno vreme se zna da ćelije raka nastaju tako što dolazi do mutacije određenog gena koji uzrokuje njeno nekontrolisano razmnožavanje. Međutim, nije se znalo koji je to gen i gde se on nalazi, sada sa gotovo završenim sekvenciranjem i mapiranjem svih ljudskih gena mnogo je laše i sve se brže odvija lokalizovanje problematičnih gena za različite vrste raka. Na ovom polju je već i ostvaren uspeh i otkriveni su geni koji donose nasledne sklonosti za dobijanje raka dojke, prostate i kože.

GeneChip

Jedna od najinteresantnijih tema u ovoj oblasti, koja uvek prva privuče znatiželjne, jeste pitanje o tome na koji način genetika upoznaje gene i kako radi s njima kada su oni tako sićušni?

Sami hromozomi mogu da se vide i ispod optičkog mikroskopa i na taj način moguće je otkriti nekoliko genetskih poremećaja, jer su dovoljno „krupni”. Ali za bilo kakav ozbiljniji rad bilo potrebno je spustiti se na nivo samih gradivnih elemenata DNK, parova baza koji se ponavljaju u bezbroj kombinacija.

Elektronski mikroskopi ovde nisu bili od velike pomoći, kao što ni astronautima nisu teleskopi. Dobro je ako znate kako izgleda mesto na koje treba stići, ali ako želite da nešto konkretno i uradite, morate otići tamo. Možda ovo poređenje i nije najbolje, ali ukazuje na situaciju u kojoj su se genetičari nalazili, a pomoć i rešenje došlo je od molekularne biologije i savremenog računarstva.

Kao što znamo, DNK je u obliku spiralnog lanca povezanog hemijskim parovima, da bi se ovaj redosled mogao pročitati, jer je on i nosilac genetske šifre, lanac DNK mora da se „pocepa” na dve spirale. Najpribližnija slika ovoga je ako zamislite jedan zip zatvarač na nekom komadu odeće.

Samo cepanje odvija se uz pomoć specijalnih proteina i tako dobijene „polutke” DNK se propuštaju kroz specijalne uređaje koji su nazvani „GeneChip” gde se vrši njihovo očitavanje. Uprkos svim tehnološkim inovacijama, ovaj proces je još uvek spor i skup, iako znatno poboljšan u odnosu na ranije periode. Rezultat procesa je ogromna količina podataka i zbog toga su računari postali nezamenljivi.

Bioinformatika

Jedan poznati naučnik iz ove oblasti izjavio je da savremena genetika više ne bi mogla da napreduje u istraživanjima i nastavi svoj rad bez savremenih računara.

Istraživanje ljudskog genoma stvorilo je novu naučnu oblast koja je nazvana bioinformatika. Kako je napredovalo istraživanje gena, javljali su se brojni izazovi koji su mogli biti rešeni jedino uz pomoć računara, a da bi se to i ostvarilo trebalo je napisati veliki broj specijalizovanih softverskih alata. Programeri obično nisu bili i biolozi u isto vreme, pa su se mnogi genetičari latili učenja različitih programskih jezika da bi sami napisali ili pomagali drugim programerima da stvore neophodne aplikacije. I tako je rođena bioinformatika.

Softver koji se koristi može da se podeli u tri grupe: aplikacije koje se koriste u procesu sekvenciranja, od pripreme DNK, pa do iščitavanja, softver za fizičko mapiranje DNK, kao i softver za analizu dobijenih podataka.

U prvu grupu aplikacija spadaju: BLAST, Crow, Dodo, Gapnav i veliki broj drugih programa. U drugoj grupi najpoznatiji je program SAM, uz čiju pomoć je, na primer, urađeno kompletno mapiranje hromozoma 19. Za analizu dobijenih podataka koriste se programi kao što su: SSAHA, Rfam, QuickTree, EMBOSS i još desetak drugih.

Ovaj softver postoji u verzijama za Windows, ali je često namenjen samo za neku od UNIX platformi. Takođe, većina softvera slobodno je dostupna na Internetu tako da ga mnoge zainteresovane laboratorije mogu „skinuti” besplatno. Svi programi koje smo ovde pomenuli mogu da se nađu na Web sajtu „Sanger” instituta, (www.sanger.ac.uk), ali i mnogo drugog materijala koji bi mogao biti od pomoći, kako početnicima, tako i stručnjacima.

Što se tiče samog hardvera koji se koristi, tu postoje dve struje. Recimo, „Celera genomics institute” koristi „Compaqov” superkompjuter sa True64 Unix operativnim sistemom koji ima, naravno, fenomenalne performanse. S druge strane, u institutu „Sanger” koristi se sistem sastavljen od većeg broja manjih računara koji su uz pomoć specijalnih servera i odgovarajućeg softvera povezani u funkcionalnu celinu. Kako tvrde u ovom institutu, ovaj sistem se za genetska istraživanja pokazao kao veoma efikasan, ali i mnogo jeftiniji od velikih superkompjutera. Kako god bilo, i jedan i drugi sistem se veoma uspešno koriste u istraživanjima.

Pogledajte svoje gene

Pojava Interneta omogućila je pravi uzlet i u ovoj oblasti. Nijedna grana nauke nije do sada na takav način iskoristila Internet i njegove resurse u svom radu kao genetika. Zahvaljujući kolektivnoj odluci da sav genetski materijal koji je mapiran bude dostupan javnosti, danas imamo na Web adresama poznatih Instituta dostupne sve baze podataka sa istraženim genima. Naučnici, kao i bilo koji pojedinci, mogu da koriste ove genetske baze za upoređivanje, analizu i dalja istraživanja u drugoj fazi projekta. Na Web lokacijama ovih Instituta razvijene su posebne Internet aplikacije, pisane u Perlu ili PHP-u, koje olakšavaju korišćenje genetskih baza podataka. Ovo se obično naziva GeneBrowserima, a najbolje primere možete videti na adresama: www.sanger.ac.uk kao i http://wit.mcs.anl.gov. Odlično polazište u ovim istraživanjima je i www.genome.gov, a za one koji žele da na jednostavan način nauče nešto više i pregledaju mape svih ljudskih gena u jednom pojednostavljenom prikazu, nezaobilazno mesto je na lokaciji www.ornl.gov.

Kroz ovaj skromni tekst o istraživanju genetske tajne života pokušali smo da damo osvrt i na ulogu računara u ovoj oblasti. Oni su genetici dali do sada neviđeni uzlet, a cilj potpunog upoznavanja ljudskog DNK je na dohvat ruke. Koristi od ovog znanja su nesumnjive, međutim pitanje koje se svima vrti u glavi je: „Da li smo otvorili Pandorinu kutiju”?

Mirko PERAK