Οι μικροσκοπικοί οργανισμοί που αποτελούν το «κλειδί» για να σταματήσουμε την επόμενη πανδημία

Όταν ένας ιός του αναπνευστικού σαρώνει σχεδόν 15 εκατομμύρια ζωές σε δύο χρόνια, όπως έχει κάνει ο Covid-19, σύμφωνα με εκτίμηση της 5ης Μαΐου του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας που περιλαμβάνει τους έμμεσους θανάτους, αυτό αν μη τι άλλο αποτελεί ένα άγριο χτύπημα για την ανθρωπότητα.

Ένα και μόνο μικρόβιο έχει αποσταθεροποιήσει τα συστήματα υγειονομικής περίθαλψης, έχει εκτροχιάσει τις οικονομίες και έχει ξεσκεπάσει την επάρκεια των ηγετών παγκοσμίως. Κι ενώ ακόμη αντιμετωπίζουμε την κρίση του Covid, η φύση συνεχίζει να μας θέτει νέες προκλήσεις, που κυμαίνονται από ένα ξέσπασμα σπάνιας ιογενούς ευλογιάς των πιθήκων έως μια ανεξήγητη εμφάνιση παιδικής ηπατίτιδας. Οπωσδήποτε μια ταπεινωτική στιγμή για τον Homo Sapiens.

Γιατί έχουμε σκοντάψει τόσο θεαματικά; Η σύντομη απάντηση είναι ότι σπάνια ήμασταν ικανοί να αντιμετωπίζουμε μολυσματικές ασθένειες σε μαζική κλίμακα. Αν κοιτάξετε την ιστορία των εστιών μολυσματικών ασθενειών, οι κοινωνίες έχουν αντιδράσει με παρόμοιους αυτοκαταστροφικούς τρόπους.

Είμαστε γνωστικά προγραμματισμένοι ώστε να αντιδρούμε σε κινδύνους που μπορούμε να δούμε και να αισθανθούμε εδώ και τώρα – κι όχι τόσο με αόρατα βιολογικά γεγονότα που αλλάζουν σχήμα και συμβαίνουν σπάνια. Οι στρατηγικές αποφυγής ασθενειών που έχουμε υιοθετήσει, οι οποίες έχουν νόημα σε ατομικό επίπεδο, μπορούν να πυροδοτήσουν διευρυνόμενες γύρους κοινωνικής διαταραχής μέσα στις κοινωνίες.

Οι πανδημίες μας διχάζουν. Είναι πιο πιθανό να αναζητήσουμε αποδιοπομπαίους τράγους και είμαστε πιο επιρρεπείς σε αβάσιμες συνωμοσίες για να δικαιολογήσουμε τις πράξεις μας ή να υποβαθμίσουμε τους κινδύνους. Η έρευνα της θεωρίας παιγνίων δείχνει ότι όσο περισσότερο διαρκεί μια υγειονομική κρίση, τόσο λιγότερο πιθανό είναι τα άτομα να κάνουν τις κοινές θυσίες που απαιτούνται για τη διασφάλιση της δημόσιας υγείας.

Η πανούκλα της Αθήνας τον πέμπτο αιώνα π.Χ., η οποία πιστεύεται ότι εξάλειψε το 25% του πληθυσμού της πόλης-κράτους, «σηματοδότησε την αρχή μιας παρακμής σε μεγαλύτερη ανομία», έγραψε ο αρχαίος στρατιωτικός ιστορικός Θουκυδίδης στην Ιστοσία του Πελοποννησιακού Πολέμου.

Σχεδόν 2.500 χρόνια αργότερα, ένας ιογενής αντίπαλος προέλαυνε στις ΗΠΑ. Η πανδημία και ο σκεπτικισμός για τα εμβόλια έθεταν προκλήσεις στους αξιωματούχους της δημόσιας υγείας, ακόμη και μπροστά σε περισσότερους από 1 εκατομμύριο νεκρούς Αμερικανούς. «Βιώνουμε μια πραγματικά ιστορική πανδημία που οι άνθρωποι αισθάνονται ότι δεν είναι αληθινή», δήλωσε στα τέλη του 2020 ο Άντονι Φάουτσι, ο κορυφαίος λοιμωξιολόγος της Αμερικής και διευθυντής του Εθνικού Ινστιτούτου Αλλεργιών και Λοιμωδών Νοσημάτων (NIAID).

Προκειμένου να χειριστούμε με επιτυχία μελλοντικές ιικές και βακτηριακές επιδημίες, θα χρειαστεί να αποτρέψουμε τα παθογόνα που κυκλοφορούν αθόρυβα στη φύση ή στους φορείς της άγριας πανίδας και χλωρίδας πολύ πριν διαφύγουν στους ανθρώπινους πληθυσμούς. Αυτό απαιτεί διαρκή, μακροπρόθεσμη επένδυση σε ένα σύστημα βιοεπιτήρησης που παρακολουθεί τους μικροβιακούς κινδύνους σε κάτι που πλησιάζει το μοριακό επίπεδο. Χρειαζόμαστε πολύ καλύτερη κατανόηση του πώς συμπεριφέρονται αυτά τα μικροσκοπικά πλάσματα και τους κινδύνους που θέτουν.

Τα περισσότερα μικρόβια είναι αβλαβή ή ακόμη και ωφέλιμα. Παρόλα αυτά, ένας μεταδοτικός ιός πτηνών μεταξύ ειδών θα μπορούσε υποθετικά να σκοτώσει εκατοντάδες εκατομμύρια ανθρώπους. Όταν ένα νέο παθογόνο επελαύνει στα αστικά κέντρα, η εξάπλωση είναι συχνά ζήτημα εβδομάδων. Λίγο αργότερα οι ηγέτες αντιμετωπίζουν το εξής δίλημμα: Μπορείτε να σώσετε είτε ζωές ή την οικονομία σας. Τα lockdown της Κίνας για την Covid έχουν προκαλέσει κρουστικά κύματα στην οικονομία της και στις παγκόσμιες αλυσίδες εφοδιασμού.

Οι κυβερνήσεις του πλούσιου κόσμου σίγουρα σκέφτονται πολύ τον κίνδυνο πανδημίας. Ωστόσο, η επιστημονική χρηματοδότηση επικεντρώνεται πολύ περισσότερο σε γνωστές ασθένειες και μικρόβια παρά σε μελλοντικούς, πιθανολογικούς κινδύνους. «Είμαστε ακόμα κολλημένοι σε έναν τρόπο εύρεσης παθογόνου παράγοντα, ανάπτυξης εμβολίου και αναμονής του επόμενου παθογόνου από την εποχή του 20ου αιώνα», λέει ο Ντένις Κάρολ, πρώην διευθυντής της Μονάδας Πανδημίας Γρίπης και Άλλων Αναδυόμενων Απειλών της Υπηρεσίας Διεθνούς Ανάπτυξης των ΗΠΑ (USAID).

Τα μυστικά του μικροβίου

Η διάκριση του τρόπου με τον οποίο τα μικρόβια ανταλλάσσουν γονίδια και συνεργάζονται σε σμήνη, δίκτυα μεταξύ των ειδών που ονομάζονται μικροβιώματα είναι πεδία έρευνας ιδιαίτερα ενδιαφέροντα για τις επόμενες δεκαετίες. Αυτές οι απειροελάχιστες βιολογικές οντότητες έχουν ευδοκιμήσει επί σχεδόν τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια και επιβιώνουν σε ακραία περιβάλλοντα, από καυτούς υδροθερμικούς αεραγωγούς σε βαθιά ωκεάνια ορύγματα μέχρι τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Οι πιθανές απολαβές από την αποκάλυψη των γενετικών μυστικών των μικροβίων υπερβαίνουν την πρόληψη της πανδημίας. Η μικροβιακή επιστήμη είναι κεντρική σε όλες τις μεγάλες πολιτισμικές προκλήσεις που έχουμε μπροστά μας: ασφάλεια τροφίμων, βιολογικά όπλα, υγεία των ωκεανών και κλιματική αλλαγή, για να αναφέρουμε μόνο μερικές.

Στους ωκεανούς μας, την Αρκτική και την περιοχή του Αμαζονίου, τα μικροβιώματα ανακυκλώνουν αέρια του θερμοκηπίου όπως το διοξείδιο του άνθρακα, το υποξείδιο του αζώτου και το μεθάνιο. Ωστόσο, ένας πλανήτης που θερμαίνεται μπορεί να αλλάζει τον μεταβολισμό του και πιθανώς να υπονομεύει αυτόν τον ρόλο. Μελέτες δείχνουν ενδείξεις αυξημένων εκπομπών μεθανίου από φυσικά συστήματα αποθήκευσης άνθρακα σε περιοχές απόψυξης του μόνιμου παγετού και συρρίκνωσης των τροπικών δασών.

Μέχρι αυτόν τον αιώνα, οι βιολόγοι και οι γενετιστές είχαν ελάχιστα ερευνητικά εργαλεία για να εξερευνήσουν αυτόν τον παράξενο μικροκόσμο, τόσο πολύ που ορισμένοι επιστήμονες ονόμασαν τα μικρόβια και το συστατικό DNA τους «σκοτεινή ύλη». Αυτό που έχει αλλάξει είναι η ταχεία ψηφιοποίηση της βιολογίας. Οι προηγμένες τεχνικές αλληλουχίας, σε συνδυασμό με υπολογισμούς υψηλής ισχύος, τεχνητή νοημοσύνη και ανάλυση μεγάλων δεδομένων, έχουν ανοίξει τον δρόμο για την ανάλυση των βασικών μορίων που μεταφέρουν πληροφορίες σε έναν γεμάτο και ποικίλο πληθυσμό μικροβίων. Ταυτόχρονα, η ακρίβεια της τεχνολογίας επεξεργασίας γονιδίων Crispr, βασισμένη σε αυτά που μάθαμε για τον τρόπο με τον οποίο τα βακτήρια αντιγράφουν και κόβουν το DNA των αρπακτικών ιών, μας έδωσε τη δυνατότητα να επισκευάσουμε γενετικές διαταραχές, να παρατείνουμε τη διάρκεια ζωής και να ενισχύσουμε τη γεωργική παραγωγή.

Αυτός ο αιώνας έχει δει ένα τεράστιο άλμα στην ικανότητά μας να διαβάζουμε, να επεξεργαζόμαστε και να επανασχεδιάζουμε τον γενετικό πηγαίο κώδικα των κυττάρων και των βιολογικών συστημάτων. Οι σύγχρονοι άνθρωποι εξελίχθηκαν σε έναν μικροβιακά κορεσμένο κόσμο. Υπολογίζεται ότι υπάρχουν 10 nonillion (ή 10 ακολουθούμενα από 30 μηδενικά) μεμονωμένοι ιοί, πολύ περισσότεροι από όλα τα αστέρια στο παρατηρήσιμο σύμπαν. Υπολογίζεται ότι υπάρχουν 5 εκατομμύρια, τρισεκατομμύρια, τρισεκατομμύρια βακτήρια.

Ο Christopher Mason, γενετιστής και καθηγητής φυσιολογίας και βιοφυσικής στο Weill Cornell Medicine της Νέας Υόρκης, λέει ότι όταν αναλύετε την αλληλουχία μέρους του ανθρώπινου γονιδιώματος, συχνά βρίσκετε γενετικά θραύσματα που προέρχονται από αρχαίο μικροβιακό DNA. Η πανταχού παρουσία μικροβίων ενέπνευσε τον Mason να αναπτύξει μοριακούς χάρτες τους στους μεγαλύτερους συγκοινωνιακούς κόμβους του κόσμου.

Η Τζόνα Μάζετ, καθηγήτρια επιδημιολογίας και οικολογίας ασθενειών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Davis School of Veterinary Medicine, ηγήθηκε μιας ομάδας που σχεδίασε ένα πρόγραμμα επιτήρησης ασθενειών που ονομάζεται Predict του οποίου τα διαγνωστικά συστήματα εντοπίζουν νέους ιούς που πιστεύεται ότι είναι υψηλού κινδύνου για έξαρση μολυσματικών ασθενειών. Το 2018, οι ερευνητές του Predict ανακάλυψαν γενετικά την αλληλουχία εντελώς νέων ειδών της οικογένειας των ιών Έμπολα που ονομάζεται ιός Έμπολα Bombali και βρήκαν τον υπερθανατηφόρο ιό Marburg σε νυχτερίδες στη Σιέρα Λεόνε στη Δυτική Αφρική.

Η τεχνητή νοημοσύνη συναντά τη συνθετική βιολογία

Η τεχνητή νοημοσύνη αποδεικνύεται μια μεταμορφωτική τεχνολογία στην εξελικτική μας κούρσα με τα μικρόβια. Στις αρχές του 2020, μια ομάδα με επικεφαλής τον συνθετικό βιολόγο Τζέιμς Κόλινς στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης χρησιμοποίησε τεχνητή νοημοσύνη βασισμένη στα νευρωνικά δίκτυα του εγκεφάλου μας για να ανακαλύψει ένα δομικά μοναδικό αντιβιοτικό αποτελεσματικό κατά των επικίνδυνων στελεχών του βακτηρίου Escherichia coli και της ανθεκτικής στα φάρμακα φυματίωσης. Το ονόμασαν halicin, ένα φόρο τιμής στο HAL 9000, τον υπολογιστή του «2001: Οδύσσεια του διαστήματος». «Πήραν 100 εκατομμύρια χημικές ενώσεις, τις ενσωμάτωσαν σε ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης και κατάλαβαν πώς θα λειτουργούσαν οι πρωτεΐνες και η μοριακή χημεία χωρίς να το πουν», λέει ο Έρικ Σμίντ, επενδυτής συνθετικής βιολογίας και πρώην διευθύνων σύμβουλος της Google. «Το πρόγραμμα κυριολεκτικά το ανακάλυψε».

Σε μια άλλη ανακάλυψη, η DeepMind Technologies, η θυγατρική τεχνητής νοημοσύνης με έδρα το Λονδίνο της μητρικής Alphabet Inc. της Google, αποκρυπτογράφησε μια από τις πιο ενοχλητικές προκλήσεις της βιολογίας: την πρόβλεψη του τρισδιάστατου σχήματος μιας πρωτεΐνης από την αλληλουχία αμινοξέων της. Συνιδρυτής από το παιδί θαύμα του σκακιού και τον νευροεπιστήμονα Demis Hassabis, η DeepMind ανέπτυξε ένα πρόγραμμα βαθιάς μάθησης που μοντελοποιεί με ακρίβεια τη γεωμετρία των πρωτεϊνών, των δομικών στοιχείων της ζωής. Κατανοήστε το σχήμα μιας πρωτεΐνης και θα καταλάβετε πολλά για τη λειτουργία της. Στα μέσα του 2021, η DeepMind και το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας δημιούργησαν μια βάση δεδομένων ανοιχτού κώδικα με τις προβλεπόμενες δομές των 20.000 περίπου πρωτεϊνών που εκφράζονται στο ανθρώπινο γονιδίωμα.

Η καλύτερη γνώση των μικροβίων είναι επίσης κλειδί για την ανάπτυξη εμβολίων. Η ανακάλυψη μέσα σε έναν χρόνο του Covid messenger RNA (mRNA) και των εμβολίων ιικών φορέων από εταιρείες όπως η Pfizer, η BioNTech, η Moderna και η AstraZeneca ήταν ένα εκπληκτικό επίτευγμα.

Τα πράγματα ήταν λίγο πιο εύκολα, επειδή γνωρίζαμε αρκετά για τους κορωνοϊούς από παλαιότερες επιδημίες του σοβαρού οξέος αναπνευστικού συνδρόμου (SARS) και του αναπνευστικού συνδρόμου της Μέσης Ανατολής (MERS). Παραμένουν σοβαρά τυφλά σημεία.

Η δημιουργία ενός «πάντα ενεργού» συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης για τον εντοπισμό αναδυόμενων απειλών και τις σχετικές επενδύσεις στην υγειονομική περίθαλψη και την ανάπτυξη φαρμάκων θα μπορούσε να κοστίσει έως και 430 δισεκατομμύρια δολάρια σε μια δεκαετία, προβλέπει η McKinsey & Co. Απαιτητικό, ναι— μέχρι να λάβει κανείς υπόψη του την πρόβλεψη του Διεθνούς Νομισματικού Ταμείου ότι η πανδημία του Covid θα κοστίσει στην παγκόσμια οικονομία τουλάχιστον 12,5 τρισεκατομμύρια δολάρια σε χαμένη ανάπτυξη μέχρι το 2024.

Βιοσήματα από τον μικροβιακό κόσμο

Όποιες επιλογές κι αν κάνουμε, ο μικροβιακός κόσμος θα συνεχίσει να μας στέλνει βιοσήματα. Ο SARS, ο MERS, οι εξάρσεις της γρίπης των πτηνών και των χοίρων, η αναζωπύρωση του Έμπολα, του Ζίκα και τα περίπλοκα νέα κρούσματα της ευλογιάς των πιθήκων—όλα αντικατοπτρίζουν αυξημένους κινδύνους μετάδοσης ασθενειών καθώς η επεκτεινόμενη βιομηχανία τροφίμων και οι μεγαλουπόλεις καταπατούν φυσικούς οικοτόπους.

Ένα μπαράζ δεκαετιών αντιβιοτικών, αντιικών, αντιμυκητιασικών και αντιπαρασιτικών στη βιόσφαιρα έχει πυροδοτήσει βιοχημικές προσαρμογές που καθιστούν τις λοιμώξεις πιο δύσκολο να αντιμετωπιστούν. Ορισμένα στελέχη «υπερβακτηριδίων» της φυματίωσης είναι πλέον ανθεκτικά σε πολλά φάρμακα.

Επομένως, ίσως είναι σοφό να ακούσουμε τι μας λένε τα μικρόβια. Οι μοίρες μας είναι αλληλένδετες, και θα βρίσκονται εδώ μακροπρόθεσμα - ακόμα κι αν εμείς δεν θα είμαστε.