150 sor150 sor a XXI. századi tudományról – Módszertani forradalom négy tételben

A molekuláris biológia klasszikus korának (a múlt század ötvenes-hatvanas évei) egyik utolsó élő óriása, Sydney Brenner szerint: „A tudományos haladás forrásai: új technológiák, új felfedezések és új eszmék, valószínűleg ebben a sorrendben.” Ha Brennernek igaza van (szerintem igen), akkor a XXI. század tudományának legfontosabb meghatározó tényezői azok az új kísérleti technológiák, amelyek ebben az utolsó két évtizedben születtek, és amelyeknek köszönhetőek a század jelenlegi és közeljövőbeli legfontosabb felfedezései. Én a saját szakterületemen (molekuláris biológia) négy...

A molekuláris biológia klasszikus korának (a múlt század ötvenes-hatvanas évei) egyik utolsó élő óriása, Sydney Brenner szerint: „A tudományos haladás forrásai: új technológiák, új felfedezések és új eszmék, valószínűleg ebben a sorrendben.”

Ha Brennernek igaza van (szerintem igen), akkor a XXI. század tudományának legfontosabb meghatározó tényezői azok az új kísérleti technológiák, amelyek ebben az utolsó két évtizedben születtek, és amelyeknek köszönhetőek a század jelenlegi és közeljövőbeli legfontosabb felfedezései. Én a saját szakterületemen (molekuláris biológia) négy ilyen módszertani forradalmat látok.

Első, és minden bizonnyal a legfontosabb: az úgynevezett „új generációs DNS-szekvenálás”. A DNS nukleotidsorrend meghatározásának klasszikus módszerét még a múlt században Fred Sanger dolgozta ki, aki ezért megkapta második Nobel-díját, és ezzel a módszerrel határozták meg először az emberi DNS teljes nukleotidsorrendjét. 2004 óta azonban – elsősorban műszerfejlesztő cégek alkalmazott kutatóinak köszönhetően – megjelentek azok az új alapokon nyugvó technológiák és az ezeket felhasználó automata műszerek, amelyek ezt a módszert nagyságrendekkel gyorsabbá és olcsóbbá tették (a „nagyságrend” szót nem politikusi értelemben használom, mert ott ez egyszerűen a „lényegesen” szó szinonimája, hanem tudományosan, ahol az a tíz hatványait jelenti, azaz esetünkben több ezerszerest). Ennek köszönhetően ma már több tízezer állat, növény és mikroorganizmus teljes genetikai információtartalmát ismerjük, és az adatbázisok több százezer ember egyedi DNS-szekvenciáját őrzik. Ott tartunk, hogy ezeknek az adatoknak a tárolása már nehezebb feladat, mint azok megszerzése. E technológia tette lehetővé – többek között – egy új tudomány, az archeogenetika megszületését, amely új alapokra helyezte az ember származásáról, őstörténetéről szerzett tudásunkat és fontos információkkal segítette a történészeket és régészeket számos történeti kérdés megválaszolásában. Az élővilág evolúciójáról szóló ismereteink és az azokon alapuló természetes rendszertan kidolgozása jó úton haladnak afelé, hogy kvantitatív, egzakt tudománnyá váljanak. Kiderült, hogy az ismert, tenyészthető mikroorganizmusok alig néhány százalékát reprezentálják a földi mikrovilágnak, és a többiek genetikai anyagának megismerése, amelyet az új technológiának köszönhetünk, új alapokra helyezte az erről a világról szerzett tudásunkat. Ez a technológia teszi lehetővé egyes ritka genetikai betegségek pontos okának felderítését, az azokat okozó mutációk tünetmentes hordozóinak azonosítását és az ezen alapuló genetikai tanácsadást. Segített tisztázni számos – hagyományosan nem genetikainak tekinthető – betegség létrejöttében szerepet játszó, azaz hajlamosító, genetikai tényezőt. A rákdiagnosztikában a rákos sejtek DNS-ének elemzése segít az optimális terápia kidolgozásában, a prognózis megállapításában.

A félelmetes transzgénikus banán. A világ teljes banántermelését fenyegető Fusarium gombafertőzés ellen jelenleg nincs hatásos védelem. Géntechnológiával kétféle ellenálló fajtát is előállítottak. Az ábrán a jelenleg termelt Cavendish-banán (a,b) és a két GMO fajta (RGA2-3: c,d, és Ced9-21: e,f) látható Fusarium fertőzés után.

Szintén a XXI. század fejleménye az úgynevezett genomszerkesztési eljárások, különösen a 2012-13-ban felfedezett CRISPR/cas9 technológia megjelenése (ez elsősorban Jennifer Doudna, Emmanuelle Charpentier és Feng Zhang érdeme), amelyek lehetővé teszik bármely élőlény DNS-ének bármely meghatározott pontján tervezett mutáció létrehozását. (Lásd erről szerzőnk korábbi cikkét: 2018./április – a Szerk.) E módszereknek a szinte áttekinthetetlenül sok alapkutatási alkalmazás mellett óriási potenciális gyakorlati jelentőségük van. Így állítottak elő például az állás során nem barnuló csiperkegombát, megnövelt olajtartalmú sárgarepcét, szárazság- és sótűrő szóját, és kizárólag amilopektinből álló keményítőt tartalmazó „viaszos” kukoricát. Már emberi embriókon végzik (sikerrel) azokat a kísérleteket, amelyek ezzel a technikával remélik olyan örökletes betegségek gyógyítását, mint a vérszegénység egy fajtája (beta-talasszémia), vagy egy örökletes szívbetegség (hipertrófiás kardiomiopátia).

Egy másik tudományterületen, a neurobiológiában is született e században egy forradalmian új módszer, a neve: optogenetika. Ennek lényege, hogy magasabbrendű állatok idegsejtjeibe génsebészeti technikával beépítik egy algából származó úgynevezett „ioncsatorna”-fehérje génjét. Ez a fehérje fényhatásra gyors biokémiai, illetve elektrokémiai változást (a sejtmembránon keresztül ionáramlást) idéz elő a sejtben. Ez lehetővé teszi, hogy a kísérleti állat valamely neuronjának, vagy idegpályájának működését minden invazív beavatkozás nélkül, pusztán fényhatással gátolja, vagy aktiválja a kísérletező kutató és ezzel az állat viselkedését irányítsa. A módszer kidolgozása elsősorban Miesenböck osztrák-brit és Deisseroth amerikai kutató érdeme. Jelenleg még csak az alapkutatás fontos eszköze, de a módszert alkalmazó kutatók abban reménykednek, hogy nagy szerepet fog játszani a súlyos neurodegeneratív betegségek (Parkinson-kór, autizmus, depresszió, skizofrénia) kialakulási mechanizmusának felderítésében és ezáltal terápiájának kidolgozásában.

Feng Zhang – Gero Andreas Miesenböck – Karl Deisseroth – Shinya Yamanaka

Végül a negyedik fontos módszer, amelyet 2007-ben publikált a japán Yamanaka (aki ezért 2012-ben Nobel-díjat kapott), az a technológia, amellyel differenciált testi sejteket őssejté lehet alakítani (szakmai neve iPS, azaz indukált pluriptens őssejt előállítása). Ennek a sokoldalú alapkutatási felhasználás mellett elsősorban az a jelentősége, hogy eddig az emberi őssejtek potenciálisan sokat ígérő gyógyítási alkalmazásának egyik gátló tényezője az volt, hogy azokat embriókból lehetett előállítani, amelyet számos országban tiltanak, és ez ott is szűk keresztmetszetet és súlyos korlátot jelent, ahol nem tiltják. Ezt a problémát oldja meg az iPS technológia. Épp e sorok írásának idején jelent meg egy közlemény arról, hogy japán kutatók ilyen iPS sejtek bevitelével próbálják gyógyítani a Parkinson-kórt.

Természetesen a század molekuláris biológiájának jellemzésére nemcsak a módszerekről kell beszélni, hanem a szemlélet és az irányok megváltozásáról is. Fontos tény, hogy a módszerek érzékenységének és pontosságának növekedése ahhoz vezetett, hogy ma már nemcsak szervek, szövetek, vagy tömegtenyészetek, vagyis sejtek együttesei elemezhetők molekuláris szinten, hanem egyedi sejtek is. Ennek köszönhetően tudtuk meg például, hogy a központi idegrendszer egyes sejtjei genetikailag különbözhetnek egymástól.

Jennifer Doudna és Emmanuelle Charpentier

Fontos új XXI. századi tudományterület a bioinformatika, amely a fehérje-, RNS-, és DNS-, szerkezetekről, szekvenciákról nyert elképesztő mértékben növekvő mennyiségű adathalmazt igyekszik rendezni, értelmezni, és belőlük releváns biológiai következtetéseket levonni. A genetika helyét egyre inkább elfoglalja a genomika, amelynek tárgya már nem az egyes gén, hanem a teljes genom. A genomika-fogalom analógiájára egyre másra születnek a különböző új „omikák”, a sejt, illetve élőlény valamennyi RNS-ével foglalkozó transzkriptomika, a proteomika (valamennyi fehérje), a lipidomika (valamennyi lipid, azaz zsírszerű anyag), a glikomika (valamennyi szénhidrát), a metabolomika (valamennyi kismólsúlyú anyagcseretermék), az interaktomika (a fehérjék közötti molekuláris kölcsönhatás) stb.. Rendkívül fontos új irány a rendszerbiológia, amely a molekuláris biológia eredményeit felhasználva, azokat integrálva, molekuláris szinten vizsgálja az összetett biológiai rendszerek (sejtek, sejtorganellumok) működését, biológiáját. Ebben felhasználja a hálózatok elméletét, egy olyan modern tudományágat, amely nem a biológiából alakult ki, de igen fontos területévé váltak a biológiai alkalmazások. Végül itt kell említeni a szintetikus biológiát. Ez az irányzat tulajdonképpen a génsebészettel született, de annál ma már lényegesen többet jelent. A szintetikus biológia kutatója a tervező mérnök nézőpontjából és technológiájával közeledik az élő sejtekhez, alkatrészek kicserélésével, módosításával, mesterséges előállításával próbál előállítani új tulajdonságú organellumokat, sejteket, organizmusokat.

Az emberi DNS (3 milliárd nukleotid) nukleotidsorrendjének meghatározásához szükséges erőforrások időbeli változása.

A XXI. század tudományos eredményeinek eme vázlatos és hiányos áttekintése is óhatatlanul felveti a kérdést, hogyan hat mindez a társadalomra. Hiszen nyilvánvaló, hogy az emberiséget számos olyan veszély fenyegeti (klímaváltozás, környezetszennyezés, a biodiverzitás vészes csökkenése, új pusztító járványok megjelenése, a földi lakosság nagy részének elégtelen táplálkozása, stb.), amelyekre megoldást csak a tudománytól és a tudományos eredményeket okosan felhasználó nemzetközi együttműködésektől lehet várni. Sajnos ebből a szempontból csüggesztő a helyzet. A világ első számú tudományos nagyhatalma, az Egyesült Államok élén olyan vezető áll, aki tagadja a klímaváltozást és rövidtávú gazdasági érdekeknek rendeli alá a környezetvédelmet. Úgy tűnik, a januárban hivatalba lépett brazil elnök számára a gazdasági érdek szintén előbbre való például az esőerdők védelménél. Az irracionális oltásellenesség több országban kanyarójárványokhoz vezetett. S amit személy szerint különösen kritikusan szemlélek: noha számtalan tudományos eredmény bizonyította a növénytermesztésben a gén, és genomszerkesztés alapvető veszélytelenségét, még mindig nem sikerült sehol elfogadtatni az életmentő “arany rizs” termelését, vagy a világ banántermelését fenyegető gombabetegség ellen védett génmódosított banán engedélyezését. Meggyőződésem, hogy nincs tudományos alapja a félelemnek, ugyanis az esetleges valóban létező (ökológiai, környezetvédelmi stb.) veszélyek bármilyen új fajtára vonatkozhatnak, és nincs semmi közük a genommódosításhoz. Az Európai Unió túlzottan szigorú előírásai szinte lehetetlenné teszik a géntechnológiai fejlesztést, így számos hasznos újfajta (például a kukoricabogár ellen védett kukorica) meghonosítását. Hazánk a szigorúságban élen jár, hiszen a világon egyedülálló módon alaptörvénybe foglalta a génmódosítás gyakorlati alkalmazásának a tilalmát. Ha Vörösmartyval kétségek között felkiáltunk: “Ment-e a könyvek által a világ elébb?”, nem könnyű igenlő választ adni a kérdésre.

Venetianer Pál

Természet Világa