Συνθετικά Νανορομπότ και Cyborg Βακτήρια στις μικροβιακές λοιμώξεις: Το τέλος των αντιβιοτικών




''Η αντίσταση των παθογόνων βακτηρίων στα αντιβιοτικά, αποτελεί μια θεμελιώδη και μακράς διαρκείας απειλή για την ανθρώπινη υγεία, την βιώσιμη παραγωγή τροφίμων και ανάπτυξη, σε παγκόσμια. Δεν είναι κάτι που θα συμβεί στο μέλλον. Το πρόβλημα συμβαίνει εδώ και τώρα, στο παρόν, σε κάθε γωνιά του κόσμου, τόσο στις υποανάπτυκτες όσο και στις αναπτυγμένες χώρες. Σε αγροτικές και αστικές περιοχές, σε νοσοκομεία, φάρμες και κοινότητες.''
Ban Ki-moon, Γενικός Γραμματέας του ΟΗΕ

Το Πρόβλημα της Αντοχής (Αντίστασης) των Βακτηρίων στα Αντιβιοτικά
Το πρόβλημα της Αντίστασης των Παθογόνων Προκαρυωτικών Μικροοργανισμών στα Αντιβιοτικά (ή απλά Antimicrobial Resistance-AMR), αποτελεί το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζει μέχρι τώρα η ανθρωπότητα κατά την φαρμακοθεραπεία των βακτηριακών λοιμώξεων. Οι βακτηριακές λοιμώξεις, ενώ ήταν ιάσιμες πλήρως πριν μερικές δεκαετίες, τώρα βλέπουμε ότι αρκετές φορές δεν υποχωρούν, ενώ μπορούν να σκοτώσουν τον ασθενή με διάφορες επιπλοκές. Οι ιατροί στις μέρες μας μπορούν να κάνουν πολύ περιορισμένα πράγματα για να το προλάβουν όλο αυτό, ενώ όταν πρόκειται για τις εν λόγω επιπλοκές του οργανισμού κατά τη διάρκεια μιας ανθεκτικής βακτηριακής λοίμωξης, τόσο οι ίδιοι όσο και τα αντιβιοτικά που χορηγούν, δεν μπορούν να κάνουν κυριολεκτικά τίποτα.




Το πρόβλημα αυτό, έχει δημιουργηθεί σταδιακά εδώ και καιρό από εσφαλμένους ανθρώπινους χειρισμούς. H απόρριψη στο περιβάλλον αντιμικροβιακών χημικών ενώσεων που προέρχονται από τα νοικοκυριά, τα νοσοκομεία και τις γεωργοκτηνοτροφικές εγκαταστάσεις, ευνοούν τη βακτηριακή αντοχή στις ενώσεις αυτές και την εμφάνιση πιο ανθεκτικών στελεχών. Επίσης, έρευνες έχουν ήδη συνδέσει την ακατάλληλη χρήση των αντιβιοτικών στον άνθρωπο και στην γεωργοκτηνοτροφία στη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών με την εμφάνιση μιας αυξανόμενης αντίστασης σε αυτά από τα παθογόνα βακτήρια, αλλά ο ρόλος του περιβάλλοντος και της μόλυνσης είχε λάβει πολύ μικρή σημασία.

Χωρίς νέα δεδομένα και εργαλεία αντιμετώπισης αυτού του προβλήματος, τέτοιου είδους μεταδοτικές ασθένειες μαζί με τις επιπλοκές τους, ενδέχεται να αφανίσουν περίπου 10 εκατομμύρια ανθρώπους μέχρι και το 2050. Το Σεπτέμβριο του 2016, ο Οργανισμός Ηνωμένων Εθνών, ανακήρυξε, επισήμως, την βακτηριακή αντοχή στα αντιβιοτικά ως Παγκόσμιο Ζήτημα (Global Issue) και o Γενικός Γραμματέας του ΟΗΕ, Ban Ki-moon, αποκάλεσε την αντοχή των βακτηρίων στα αντιβιοτικά ως την ''θεμελιώδη και μακράς διαρκείας απειλή για την ανθρώπινη υγεία, παγκοσμίως''.



Συνεπώς, οι κυβερνήσεις έχουν αυξήσει τα κονδύλια για τη χρηματοδότηση ερευνών που ενέχονται στην ανάπτυξη μεθόδων αντιμετώπισης του προβλήματος της βακτηριακής αντοχής και συγκεκριμένα έρευνες που εστιάζονται στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων και στη μελέτη του μικροβιώματος (microbiome), δηλαδή στη μελέτη ολόκληρων -παθογόνων και συμβιωτικών-μικροβιακών συστημάτων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στο εξωτερικό περιβάλλον κι εντός του οργανισμού των ασθενών-ξενιστών τους.
Συγκεκριμένα, το Σεπτέμβριο του 2017, τα Κέντρα Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων (τα αντίστοιχα ΚΕΕΛΠΝΟ) των ΗΠΑ ανακοίνωσαν ότι έχει χορηγηθεί κονδύλιο κόστους άνω των 14 εκατομμυρίων δολλαρίων για την χρηματοδότηση ανάπτυξης νέων καινοτόμων μεθόδων αντιμετώπισης της βακτηριακής αντίστασης στα αντιβιοτικά.





Νέες Κατευθύνσεις προς τις Συγκλίνουσες και Αναδυόμενες Τεχνολογίες (Converging and Emerging Technologies): Συνθετική Βιολογία και Νανοτεχνολογία


Ερευνητές των Βιοϊατρικών Επιστημών, Μηχανικοί και Φαρμακοποιοί, έχουν αρχίσει να προσεγγίζουν τη Συνθετική Βιολογία (Synthetic Biology) και τη Νανοτεχνολογία ως καινοτόμες κατευθύνσεις για τη λύση στο πρόβλημα. Κατασκευάζοντας νανοσυστήματα που μιμούνται τους μικροοργανισμούς (ιοί) αλλά και υβρίδια μηχανικά τροποποιημένων μικροβίων (όπως τα cyborg βακτήρια) στο εργαστήριο, οι ερευνητές προσπαθούν να αναπτύξουν καινούργιες στρατηγικές για να αναστείλουν τον θανατηφόρο μηχανισμό βακτηριακής αντοχής, εκεί που οι συμβατικές μέθοδοι φαρμακοθεραπείας, μέσω αυξανόμενων δόσεων διαφορετικής δραστικότητας αντιβιοτικών, αποτυγχάνουν και φέρνουν ακριβώς το αντίθετο αποτέλεσμα.





H Συνθετική Βιολογία είναι διεπιστημονικός κλάδος εφαρμογών της Βιοτεχνολογίας και της Βιολογικής Μηχανικής (Biological Engineering) που μελετά, σχεδιάζει κι εφαρμόζει concepts σύνθεσης νέων βιολογικών συστημάτων και νεοφανών οργανισμών που δεν υπάρχουν στη φύση. Οι εναλλακτικές μοριακές κατασκευές όπως τα Συνθετικά Γονιδιακά Ρυθμιστικά Κυκλώματα (Synthetic Gene Regulated Circuits) και ο επανασχεδιασμός των ζωντανών οργανισμών όπως τα βακτηριακά κύτταρα που χρησιμοποιούνται ως μηχανολογικό ''σασί'' επανεγγραφής των γενετικών κυκλωμάτων τους, αποτελούν το κύριο corpus της Συνθετικής Βιολογίας. H Συνθετική Βιολογία χρησιμοποιεί τις αρχές και μεθοδολογία της Επιστήμης του Μηχανικού (Engineering) στη Βιολογία και έχει εφαρμογές στη Βιοϊατρική, στη Φαρμακευτική, στη Γεωπονία, στο Περιβάλλον, στην Ασφάλεια (πρόληψη βιοτρομοκρατίας) και στην Ενέργεια.

Η Γαλλική Start-Up Εταιρεία Βιοτεχνολογίας Eligo Bioscience, κατασκευάζει βιολογικά νανορομπότ για να αντιμετωπίσει την βακτηριακή αντοχή στα αντιβιοτικά, χρησιμοποιώντας τη Συνθετική Βιολογία και την Bottom-Up Νανοτεχνολογία. Τα νανορομπότ αυτά, κατασκευάζονται από συνθετικό DNA και πρωτεϊνες, όπου η αρχιτεκτονική τους αυτή, δίνει τη δυνατότητα στα νανορομπότ να στοχοποιούν και να εξουδετερώνουν βακτήρια τα οποία έχουν αποκτήσει αντοχή σε γνωστά αντιβιοτικά και φυσικά αποτελούν κίνδυνο για τη δημόσια υγεία. Η μοριακή αρχιτεκτονική των νανορομπότ αυτών μοιάζει με αυτή των βακτηριοφάγων ιών και κάλλιστα θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν και ως ''συνθετικοί βακτηριοφάγοι''.

ΕΙΚΟΝΑ. Ένας βακτηριοφάγος ιός




Το Σύστημα CRISPR/Cas9 ως τυφέκιο ''τύπου Sniper'' κατά των Ανθεκτικών Βακτηρίων

Αν και τα αντιβιοτικά συνήθως χρησιμοποιούνται για την καταπολέμηση ενός συγκεκριμένου τύπου βακτηρίου που προκαλεί βλάβη στον οργανισμό, η κατασταλτική τους δράση επεκτείνεται και σε άλλους τύπους βακτηρίων, ακόμα και στα ευεργετικά συμβιωτικά βακτήρια του ανθρώπου, που συνιστούν το απαραίτητο μικροβίωμα (microbiome) του σώματός του, προκαλώντας de novo προβλήματα στην υγεία του. Χωρίς την ικανοποιητική παρουσία και δράση των συμβιωτικών πληθυσμών του μικροβιώματος που ενοικούν στον ανθρώπινο οργανισμό, οι οποίοι ενέχονται στην καταπολέμηση και στον έλεγχο των παθογόνων βακτηρίων αλλά και στην παραγωγή της βιταμίνης Κ2 (Escherichia coli στο έντερο), οι ασθενείς γίνονται ευάλωτοι σε μια σειρά από προβλήματα υγείας, όπως οι λοιμώξεις του γαστρεντερικού συστήματος από το παθογόνο βακτήριο Clostiridium difficile και τα έλκη που προκαλούνται από τον υπερπληθυσμό του κατεξοχή συμβιωτικού βακτηρίου στο ανθρώπινο έντερο, Helicobacter pylori. Στις πιο ακραίες εκδηλώσεις της παθογονικότητας των ανθεκτικών βακτηρίων σε συνδυασμό με τη μείωση του συμβιωτικού μικροβιώματος του ανθρώπου , το άμεσο επικίνδυνο αποτέλεσμα είναι η σηπτική καταπληξία (σηπτικό shock) και η διάχυτη ενδαγγειακή πήξη με τελικό αποτέλεσμα το θάνατο.



Η προσέγγιση της Eligo, περιλαμβάνει την εξουδετέρωση των ανθεκτικών παθογόνων βακτηρίων μέσω της εισαγωγής των νανορομπότ στον οργανισμό του ασθενούς, τα οποία νανορομπότ αυτά θα στοχεύουν το DNA των ανθεκτικών βακτηρίων, καθιστώντας τα αδρανή να πολλαπλασιαστούν και στη συνέχεια, εξουδετερώνοντάς τα με την ακρίβεια ενός πυροβόλου όπλου τύπου Sniper (είδος σκοπευτικού τυφεκίου ακριβείας), όπως μας διαβεβαιώνει ο CEO (Διευθύνων Σύμβουλος) της Eligo, Dr. Xavier Duportet.

ΕΙΚΟΝΑ. Βακτηριοφάγοι ιοί επιτίθενται σε βακτήριο. Κάπως έτσι μοιάζουν στην αρχιτεκτονικη και τη δράση τους τα νανορομπότ της Eligo. Βέβαια το εγχείρημα να λειτουργούν τα νανορομπότ της Eligo ως ιοί απέχει παρασάγκας από την πραγματικότητα, καθώς δεν είναι στην πραγματικότητα ιοί αλλά ''ιομιμητικά νανομόρια''.


Κατά τη θεραπεία, ο ασθενής καταπίνει τα νανορομπότ με τη μορφή της κλασσικής φαρμακευτικής κάψουλας που όλοι γνωρίζουμε. Τα συγκεκριμένα νανορομπότ-βακτηριοφάγοι ανήκουν στη Νανοτεχνολογία Δεύτερης Γενεάς, δηλαδή είναι Ενεργητικά Νανοσυστήματα (Active Nanosystems), για τα οποία έχω κάνει λόγο στο προηγούμενο άρθρο μου ''Οι 4 Γενεές της Νανοτεχνολογίας'' https://transhumanistgr.wixsite.com/society/blog/%CE%BF%CE%B9-4-%CE%B3%CE%B5%CE%BD%CE%B5%CE%AD%CF%82-%CF%84%CE%B7%CF%82-%CE%BD%CE%B1%CE%BD%CE%BF%CF%84%CE%B5%CF%87%CE%BD%CE%BF%CE%BB%CE%BF%CE%B3%CE%AF%CE%B1%CF%82?fbclid=IwAR3SK8FCCyaVXWwH4VOoxyBBeyarHCiUopxLOqqzp7G6hRHwWKnnxCfAiRg
Τα νανορομπότ θα είναι αδρανή μέχρι να εισέλθουν στο περιβάλλον του εντέρου του ασθενούς, όπου εκεί θα ενεργοποιήσουν ένα σύστημα γονιδιακής ρύθμισης και επεξεργασίας, το γνωστό μας CRISPR/Cas9. Το CRISPR/Cas9 θα εντοπίσει το ξένο βακτηριακό DNA και θα του ''επιτεθεί'' εισβάλλοντας εντός του βακτηριακού κυττάρου, εξουδετερώνοντάς το και στην τελική καταστρέφοντάς το, απαλλάσσοντας τον οργανισμό του ασθενή από το εκάστοτε ανθεκτικό κι επικίνδυνο παθογόνο βακτήριο. To CRISPR είναι τα αρχικά λέξεων που αναφέρονται ως μοριακές ''Συσπειρωμένες Τακτικά Βραχείες Παλινδρομικές Επαναλήψεις'' αλληλουχιών DNA. Η δομή του, αποτελείται από επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA και εκλεκτικά περιοριστικά ένζυμα τύπου Cas (Cas1 και Cas2 σε όλα τα βακτηριακά κύτταρα και λοιποί υπότυποι όπως Cas3, Cas9 και Cas10).


Το CRISPR/Cas9, ως μοριακό σύμπλοκο επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών/περιοριστικού ενζύμου, στα αγγλικά ορίζεται συντομογραφικώς ως Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (C.R.I.S.P.R.)/Cas9. Το Cas9 είναι ένζυμο γονιδιακής κοπής και επεξεργασίας που ανήκει στις ενδονουκλεάσες περιορισμού, καθοδηγείται από το RNA του βακτηρίου και κωδικοποιείται στo βακτηριακό κύτταρο τόσο από γονιδιακές περιοχές του πλασμιδίου (ή επισώματος, που είναι πλασμίδιο που ενσωματώνεται στον ξενιστή) του όσο και του κεντρικού DNA του. Το Cas9 απαντάται κυρίως στο βακτήριο του Πυογενούς Στρεπτοκόκκου (Streptococcus pyogenes).
Γενικώς, το CRISPR ως μοριακό σύστημα, αποτελεί ένα σύνολο μορίων επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών DNA που απαντάται στο γονιδίωμα των βακτηρίων και των αρχαίων (αρχαιοβακτήρια), δηλαδή σε όλους τους προκαρυωτικούς οργανισμούς. Το μοριακό σύστημα επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών CRISPR αποτελεί μια μοριακή ''αποθήκη'' μορίων DNA ιών (σαν τα τρανσποζόνια των ευκαρυωτικών κυττάρων) και των πολυκύτταρων οργανισμών) που είχαν επιχειρήσει να εισβάλλουν στα βακτηριακά κύτταρα στο παρελθόν και λειτουργούν πια ως ένα είδος ''μοριακού ανοσοποιητικού συστήματος'' προστασίας του βακτηριακού κυττάρου έναντι παρόμοιων ιών που θα επιχειρήσουν να εισβάλλουν ξανά στο βακτήριο κάποια στιγμή στο μέλλον.




Η ανοσία αυτή αποκτάται μέσω της ιδιότητας του CRISPR να λειτουργεί ως μοριακό ''ψαλίδι'', ψαλιδίζοντας και καταστρέφοντας το ξένο DNA του ιού που θα επιχειρήσει στο μέλλον να προσβάλει το βακτηριακό κύτταρο. Το CRISPR είναι με λίγα λόγια ένας μοριακός ''επεξεργαστής-διορθωτής'' (editor) ή ''λογοκριτής'' (censor) του ξένου βακτηριακού DNA, κάτι ανάλογο με τις ενδονουκλεάσες περιορισμού (που λειτουργούν κι αυτές ως μοριακά ''ψαλίδια''), δηλαδή ένζυμα που απαντώνται επίσης στο βακτηριακό γονιδίωμα και που είναι πολύτιμα στη σύγχρονη Βιοτεχνολογία (Τεχνολογία Ανασυνδυασμένου DNA). To CRISPR/Cas9 ως μοριακό εργαλείο, χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως στη Βιοτεχνολογία και δυνητικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη Βιοϊατρική αλλά και στο Biohacking που πραγματεύεται ο Μετανθρωπισμός. Ακόμα, το CRISPR/Cas9 εκτός του ότι είναι ιδιαίτερα εκλεκτικό κι ακριβές στη δράση του, είναι και ιδιαίτερα φθηνό στην απομόνωση και τη χρήση του, αρκετά γρήγορο και αποδοτικό κατά τη χρήση που οδηγεί σε γρήγορη διεξαγωγή πειραματικών αποτελεσμάτων κι επομένως καθίσταται πολύτιμο εργαλείο στη Βιοτεχνολογία και στο Biohacking.
Στην ουσία, ο τρόπος δράσης του CRISPR/Cas9 θυμίζει σε μεγάλο βαθμό τον τρόπο δράσης των RNAi (παρεμβολή RNA-RNA interference) στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Το CRISPR/Cas9 αποτελεί επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες, που είναι είτε συνεχόμενες, είτε διαχωρίζονται από ενδιάμεσες περιοχές διαφορετικών αλληλουχιών DNA.


Βάσει λειτουργίας του, το CRISPR/Cas9, που κωδικοποιεί το μοριακό ''ψαλίδι''-ένζυμο επεξεργασίας γονιδίων που ανήκει στην οικογένεια RNA-καθοδηγούμενων ενζύμων Cas (ενδονουκλεάσες περιορισμού τύπου Cas9), κόβει και αδρανοποιεί το ξένο DNA του εκάστοτε παθογόνου βακτηρίου που θα προσβάλει το σώμα του ανθρώπου, αφήνοντας ανέπαφα τα υπόλοιπα συμβιωτικά και ευεργετικά για τον ασθενή βακτήρια, τα οποία αποτελούν τη φυσιολογική χλωρίδα του μικροβιώματος του ανθρώπινου οργανισμού. Οπότε, πρόκειται μια θεραπεία άνευ παρενεργειών όπως αυτές που προκαλούν οι συμβατικές θεραπείες με τα αντιβιοτικά.
Το πιο σημαντικό επίσης στην στρατηγική αυτή, είναι ότι τα νανορομπότ αυτά μετά την καταστροφή των ανθεκτικών βακτηρίων, γίνονται ένα υγιές μέλος του συμβιωτικού μικροβιώματος του ασθενή, αποτρέποντας οποιαδήποτε άλλη εισβολή στον οργανισμό του από τα ανθεκτικά βακτήρια που έχει καταπολεμήσει και στοχοποιήσει. Επομένως, θα αποτελεί κι ένα ενσωματωμένο τμήμα της φυσικής άμυνας του ατόμου που έχει υποβληθεί σε θεραπεία με τα νανορομπότ αυτά.

ΕΙΚΟΝΑ. Το ανθρώπινο μικροβίωμα (microbiome): Μια ολόκληρη μοριακή βιοκοινωνία απειράριθμων πολύπλοκων μοριακών μηχανών που συμβιώνουν με τα 10 τετράκις περίπου εκατομμύρια μοριακά εργοστάσια (κύτταρα) που απαρτίζουν τον ανθρώπινο οργανισμό



Εδώ στην εικόνα, βλέπουμε πως το CRISPR/Cas9 μπορεί και αποδομεί το DNA των βακτηριακών κυττάρων που έχουν αποκτήσει ανθεκτικότητα και αντίσταση στα αντιβιοτικά. Στην τελευταία φάση της βακτηριακής ζωής, βλέπουμε πως το CRISPR/Cas9 καθιστά εν τέλει το βακτηριακό κύτταρο αδρανές κι επομένως νεκρό στη φάση b1, όταν δρα στο βακτηριακό χρωμόσωμα και στη φάση b2, ευάλωτο στην δράση των αντιβιοτικών, όταν το CRISPR/Cas9 κόβει και καταστρέφει το βακτηριακό επίσωμα ή πλασμίδιο.





Γιατί τα αντιβιοτικά ενδέχεται θα καταστούν μη χρήσιμα στο μέλλον


Εάν τα νανορομπότ της Eligo καταστούν ικανά να στοχοποιήσουν και να εξουδετερώσουν τα ανθεκτικά παθογόνα βακτήρια, η εταιρία αυτή θα μπορέσει να αποφύγει τις μελλοντικές οικονομικές παγίδες, στις οποίες πέφτουν οι άλλες εταιρίες που παρασκευάζουν αντιβιοτικά και βρίσκονται σε αδιέξοδο και υπό κατάρρευση.
Όπως δηλώνει ο CEO της Eligo, Dr. Duportet ''είναι πραγματικά επώδυνο να προσπαθεί κάποιος να πλουτίσει από την παρασκευή και πώληση αντιβιοτικών σήμερα, διότι οι ελεγκτές των φαρμάκων ζητούν να προωθούνται αντιβιοτικά τα οποία δεν βλάπτουν τους υγιείς συμβιωτικούς βακτηριακούς πληθυσμούς στο σώμα των ασθενών. Ακόμα κι αν κάποιος αναπτύξει και προωθήσει κάποιο καινούργιο αντιβιοτικό στις μέρες μας, το νέο αυτό φάρμακο δεν θα χρησιμοποιηθεί ως σκεύασμα πρώτης διαλογής στην κλινική πράξη, αλλά σαν σκεύασμα εφεδρίας τελευταίας διαλογής. Αυτό θα είναι οικονομικά ασύμφορο για τον επίδοξο CEO που θα βασίσει την φαρμακοβιομηχανία του ή την εταιρία βιοτεχνολογίας του σε ένα τέτοιο φάρμακο. Κανείς δεν θα είναι έτοιμος να το αγοράσει..''




Από την άλλη, τα νανοφάρμακα (νανορομπότ) της Eligo θα μπορούν να βρίσκονται στην πρώτη γραμμή διαλογής για την καταπολέμηση των ανθεκτικών βακτηρίων και μάλλον μπορεί να είναι χρήσιμα για την πρόληψη των βακτηριακών λοιμώξεων σε περιπτώσεις επιδημιών και ενδονοσοκομειακών περιβαλλόντων. Συνεπώς θα είναι στην πρώτη γραμμή κλινικής εφαρμογής σε όλα τα νοσοκομεία για την πρόληψη των ενδονοσοκομειακών λοιμώξεων. Οι χειρουργοί πολλές φορές έχουν να κάνουν με ασθενείς οι οποίοι έχουν κάνει κατάχρηση αντιβιοτικών στο παρελθόν, οπότε σε όλη την πορεία της επέμβασης, από το προεγχειρητικό στάδιο μέχρι και το μετεγχειρητικό, τα αντιβιοτικά που λαμβάνουν ως προφυλακτική αγωγή δεν επαρκούν για την καταπολέμηση των ενδονοσοκομειακών παθογόνων βακτηρίων. Κι αυτό συμβαίνει διότι το προστατευτικό συμβιωτικό τους μικροβίωμα είναι εξασθενημένο, συν ότι, λόγω παρελθούσας κατάχρησης αντιβιοτικών, τα βακτήρια που θα εισέλθουν στο σώμα του ασθενούς κατά τη νοσηλεία είναι άκρως ανθεκτικά στα αντιβιοτικά.








Συνεπώς, είναι πολύ πιθανό μετά την επιτυχή χειρουργική επέμβαση, ο ασθενής να νοσήσει και να πεθάνει από ενδονοσοκομειακή λοίμωξη που θα έχει προκαλέσει στον οργανισμό του κάποιο ανθεκτικό βακτήριο. Έτσι τα νανοφάρμακα, σαν κι αυτά της Eligo, σε μια δεκαετία το πολύ, θα αντικαταστήσουν πλήρως τα αντιβιοτικά στη νοσηλεία, στη φαρμακοθεραπεία και γενικά στην πρόληψη λοιμωδών νοσημάτων, οδηγώντας πια τους Λοιμωξιολόγους, τους Φαρμακοποιούς και τους Παθολόγους να απορρίψουν μια για πάντα τη χορήγηση των αντιβιοτικών σε όλους τους ασθενείς. Αυτό θα γίνει, ίσως, το πολύ σε μια δεκαετία (ή σε 7 χρόνια) από σήμερα που γράφονται αυτές οι γραμμές.



Βλέπουμε λοιπόν πως οι Αναδυόμενες Συγκλίνουσες Τεχνολογίες, όπως η Νανοτεχνολογία και η Συνθετική Βιολογία εξελίσσονται, με επιταχυνόμενο ρυθμό, σε πλήρως αναπτυγμένες βιοϊατρικές βιομηχανίες, καθιστώντας τον παλαιό θεσμό της παραδοσιακής φαρμακοβιομηχανίας άχρηστο πια και μεταμορφώνοντας τη Φαρμακολογία και τη Φαρμακευτική σε οχήματα καινοτόμων προσεγγίσεων της Μηχανικής (Engineering).


Η Αυγή των Cyborg Βακτηρίων


Μια άλλη απόπειρα να συντεθούν μικροσκοπικές μηχανές, με τη συγχώνευση σμήνους βακτηρίων και μικρομηχανικών κινητήρων, βρίσκεται εν εξελίξει στο Πανεπιστήμιο της Pennsylvania των ΗΠΑ και συγκεκριμένα, στο Εργαστήριο Γενικής Ρομποτικής, Αυτοματισμού, Αίσθησης και Αντίληψης ή G.R.A.S.P. Lab (General Robotics, Automation, Sensing and Perception Laboratory) του Καθηγητή Μηχανολογίας, Dr. Vijay Kumar. Συγκεκριμένα, στην έρευνα αυτή, χρησιμοποιούνται οι ιδιότητες των βακτηρίων ως swarms (σμήνη) και για να μετακινούν ανόργανες μικροδομές διαφόρων σχημάτων, οι οποίες μικροδομές αυτές μπορούν να είναι μικροαισθητήρες, συστήματα μεταφοράς φαρμάκων και άλλων ουσιών, MEMS (Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανολογικά Συστήματα) όπως μικροβραχίονες και μικροχειριστές και ότι άλλο μικροσκοπικό μηχανισμό μπορούμε να φανταστούμε και να κατασκευάσουμε.
Σε αυτό λοιπόν το Εργαστήριο Ρομποτικής (GRASP) του Kumar στην Pennsylvania, οι διδακτορικές φοιτήτριες της Ρομποτικής, Elizabeth Beattie και Denise Wong, κάνουν χρήση της Συλλογικής Συμπεριφοράς Σμήνους των βακτηρίων ως ''συλλογικό μικροκινητήρα'' και μικροέλικα (micropropeler) για να μετακινήσουν τα προαναφερθέντα μικροσυστήματα , δημιουργώντας Υπερμαστιγωτά (Hyperflagellated) Υβριδικά Βιορομποτικά Συστήματα (Υπερμαστιγωτά Σμήνη Cyborg Βακτηρίων) με εφαρμογές που εκτείνονται, από τη Βιοϊατρική (Έξυπνα Συστήματα Μεταφοράς Φαρμάκων) μέχρι την Ασφάλεια (Ανίχνευση Επικίνδυνων Ουσιών-Καταπολέμηση Βιοτρομοκρατίας) και την Προστασία του Περιβάλλοντος (Εξουδετέρωση Τοξικών Παραγόντων).




Τα σμήνη των βακτηρίων αυτών, εγκλείονται μέσα στα μικροσυστήματα και οι κινήσεις τους καθοδηγούνται σε διάφορες κατευθύνσεις μέσω δεσμών μπλε φωτός που εκπέμπεται από φωτεινή πηγή στο Μικροσκόπιο Φθορισμού-Επιφθορισμού (Fluorescence-Epifluorescence Microscope) κατά τη μελέτη τους. Τα σμήνη των βακτηρίων έχουν υποστεί φθορίζουσα χρώση για την ευκρινέστερη παρακολούθησή τους στο Μικροσκόπιο Βιντεοσκόπησης με Χρονοκαθυστέρηση (Time-Lapse Microscope) και για τον καλύτερο χειρισμό της θέσης τους και της κατεύθυνσής τους. Έτσι οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν τη σύζευξη σμηνών βακτηρίων με μικροκινητήρες και μικροαισθητήρες και να ελέγχουν μέσω φωτός των ροπή στρέψης τους, την κατεύθυνσή τους και τη συνάθροισή τους, ιδιότητες ικανές να προκαλέσουν την μετακίνηση στο χώρο των μικροδομών στις οποίες έχουν εγκλειστεί τα βακτήρια.

ΕΙΚΟΝΑ. Εργαστήριο Μικροσκοπίας Φθορισμού-Επιφθορισμού και Συνεστιακής Μικροσκοπίας. Ο χειρισμός των βακτηριακών σμηνών (bacterial swarms) απαιτεί απεικόνισή τους υπό φθορίζον περιβάλλον μέσω φθοριοχρωμάτων και φθοριζουσών χρωστικών, καθώς και για τον χειρισμό τους χρησιμοποιείται μπλε φως στο οποίο τα βακτήρια ανταποκρίνονται πιο εκλεκτικά και άμεσα, τροποποιώντας τη συλλογική συμπεριφορά τους κι επομένως την κίνησή τους στο χώρο.



Τώρα οι ερευνητές, με το συνδυασμό Μικροτεχνολογίας (υπόψιν τα μικροσυστήματα-φορείς των βακτηρίων δεν ανήκουν ακόμα στη Νανοτεχνολογία αλλά στη Μικροτεχνολογία) και της συμπεριφοράς σμήνους των βακτηρίων, στρέφονται προς την κατασκευή MEMS-φορέων (Mικροηλεκτρομηχανικών Συστημάτων) αισθητηρών και τελεστών (βραχίονες και probes) για την σύνθεση ακόμα πιο πολύπλοκων δομών, αρχιτεκτονικών και συστημάτων βακτηρίων-cyborgs. Σίγουρα το παραπάνω πείραμα των Beattie και Wong είναι μόνο η καινοτόμος αρχή. Έπονται κι άλλα στο μέλλον και με επέμβαση σε μικρότερες κλίμακες (όπως στη νανοκλίμακα), αφού τελειοποιηθεί η κατανόηση της συλλογικής συμπεριφοράς των βακτηρίων σε συνδυασμό με την συμπεριφορική και μηχανική τους αλληλεπίδραση με μικροδομημένα συστήματα, όπως τα παραπάνω του πειράματος (αλλά και πιο περίπλοκα από αυτά).

ΕΙΚΟΝΑ. Time Lapse Microscope: Μικροσκόπιο Βιντεοσκόπησης με Χρονοκαθυστέρηση. Χρησιμοποιείται για την κινηματογράφηση της συμπεριφοράς σμήνους των βακτηρίων σε πραγματικό χρόνο (real-time) με κάποια χρονική υστέρηση φάσης, απεικονίζοντας ως dynamic snapshots τις συσπειρώσεις του σμήνους των βακτηρίων και τις κατευθύνσεις των μικροδομών που καθοδηγούν ως ''συλλογικοί κινητήρες''. Στο μικροσκόπιο αυτό χρησιμοποιούνται πολλαπλές πηγές φωτός με διαφορετικά μήκη κύματος για την ευκρινέστερη απεικόνιση κυτταρικών και διακυτταρικών κινήσεων και αλληλεπιδράσεων (είτε σε κυτταροκαλλιέργειες είτε σε καλλιέργειες μικροοργανισμών και παρασίτων)


Μικροσκοπικά Robot-Terminators = Νέα Φαρμακευτική;

Βρισκόμαστε λοιπόν καθοδόν για την σύνθεση βακτηρίων-terminators; Σίγουρα. Βακτήρια cyborg-terminators, τα οποία θα επιτίθενται εναντίον των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων και θα τα εξολοθρεύουν μια για πάντα. Είθε τελικά η Συνθετική Βιολογία, η Νανοτεχνολογία και η Μικρο-βιορομποτική να αποτελέσουν τον ''πολιορκητικό κριό'' σπασίματος του κώδικα επικοινωνίας του μικροβιώματος με τον ανθρώπινο οργανισμό και τα παθογόνα βακτήρια αλλά και τον ''Δούρειο Ίππο'' για μια τελειοποιημένη νέα φαρμακευτική προσέγγιση στην εξάλειψη των ανθεκτικών παθογόνων βακτηρίων αυτών. Μόνο που τώρα τα φάρμακα δεν θα είναι συμβατικές χημικές ουσίες (φαρμακοφόρες μοριακές δομές) αλλά.... ''έξυπνα'' συνθετικά νανοσυστήματα και μικροσκοπικοί υβριδικοί ρομπο-terminators!




Συγγραφέας του παρόντος άρθρου: Γιώργος-Φανούριος Πουλόπουλος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ:

https://www.grasp.upenn.edu/people/vijay-kumar
https://www.grasp.upenn.edu/projects/micro-bio-robots
https://www.pri.org/stories/2015-03-12/robots-bacteria-powered-micro-machines
http://eligo.bio/
https://www.prnewswire.com/news-releases/eligo-bioscience-secures-20-million-series-a-from-khosla-ventures-and-seventure-to-bring-precision-medicine-to-the-microbiome-300525473.html
https://www.kumarrobotics.org/
https://www.seas.upenn.edu/~esteager/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4051438/
149 views0 comments