Το σκηνικό έχει ως εξής: Για κάποιο λόγο που μοναχά ο παράλυτος εγκέφαλος σου μπορεί να συλλάβει (σίγουρα φταίει πάντως κάποιος άλλος, όχι εσύ, ίσως η pootang κενωνία πάλε) αποφασίζεις μια νύχτα να την πέσεις στο σπίτι εκείνης της γιαγιάκας γειτόνισσας και να της σουφρώσεις ό,τι έχει και δεν έχει.
Έτσι, δασκαλεμένος από τις εγκληματολογικές σειρές τύπου CSI φοράς την full face κουκούλα σου, βάζεις τα γαντάκια σου, τσεπώνεις και ένα κουτί καπότες καλού-κακού και το πας ελαφρώς ανώριμα. Μπαίνεις μεσ’ το σπίτι για να κλέψεις την τιβί, σπας με μιας την κλειδαριά, βιάζεις το σκυλί αλλά όχι!
Δεν εμφανίζεται η γιαγιά με το δίκαννο, ούτε μοιάζει τόσο με το Σουγκλάκο: εμφανίζεται με την περπατούρα της και η γκριμάτσα που κάνει όταν σε πιάνει να φτερνίζεσαι αγκομαχώντας πάνω από το Κανισάκι της σου θυμίζει την γκριμάτσα που έκανε η μακαρίτισα η μάνα σου τρεις φορές στην ζωή της. Μια στα οχτώ σου όταν έπιασε τον πατέρα σου από πάνω σου, μια στα δεκαοχτώ σου όταν έπιασε την αδερφούλα σου από κάτω σου και μια ένα εννιάμηνο μετά όταν σε είδε στο μαιευτήριο πάνω από το “ανάποδο γαμώτο” που ονομάσατε “γιο σας” και έπαθε συγκοπή επιτόπου.
Πάνω στην όλη ταραχή το χάνεις εντελώς, αρπάζεις το καημένο ζώο που σου προκάλεσε αλλεργία και… η γιαγιάκα βρίσκει έναν φρικτό θάνατο με εσένα να της πολτοποιείς το κεφάλι με αυτό ουρλιάζοντας μανιασμένα “πόσες φορές σου είπα να χτυπάς την πόρτα, μαμά; ΠΟΣΕΣ, ΠΕΣ ΜΟΥ ΠΟΣΕΣ!“. Τις βδομάδες που ακολουθούν μιλάνε συνεχώς στην τηλεόραση για το “στυγερό έγκλημα σε βάρος ηλικιωμένης πιθανότατα από μετανάστη“, για ένα “ανθρωπόμορφο τέρας που τριγυρνάει ανάμεσά μας“, για το πως η αστυνομία ψάχνει ακόμα το “όργανο του φόνου” και για τα δακρύβρεχτα παράπονα του δεκάχρονου Κωστάκη -που υιοθέτησε το κακόμοιρο κανίς- πως “κάθε φορά που φτερνίζεται, ο σκύλος κρύβεται κάτω από το τραπέζι και αλυχτάει με την ουρά στα σκέλια“.
Δεν υπάρχει όμως λόγος να ανησυχείς, μέσα στην ηλιθιότητά σου υπήρξες έξυπνος: δεν σε πήρε κανένα μάτι, δεν άφησες πουθενά δαχτυλικά αποτυπώματα και να που οι καπότες σου ήρθαν κουτί! Δεν κινδυνεύεις να σε βρούν… ή έστω έτσι νομίζεις. Βλέπεις, άφησες στον χώρο αρκετά στοιχεία για να γνωρίζει η σήμανση πως το έγκλημα το έκανε άντρας και να μπορούν να σε συμπεριλάβουν στους ύποπτους ώστε να σε ταυτοποιήσουν ως τον δράστη! Ποιός ευθύνεται για αυτό, μανάρι μου; Ο πατέρας σου που κάποτε έκανε το λάθος να τελειώσει μέσα στην μητέρα σου, η αλλεργία σου στους σκύλους και ο Kary Mullis με την καταραμένη PCR του!
PCR (polymerase chain reaction)
H PCR (polymerase chain reaction) ή αλλιώς “αλυσιδωτή αντίδραση πολυμερισμού” είναι μια τεχνική στην βιοχημεία, μια από αυτές τις απλές μα έξυπνες πατέντες που άλλαξαν για πάντα τον κόσμο όπως τον γνωρίζουμε — ή έστω την βιολογία όπως την γνωρίζουμε. Να πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή.
Όταν εσύ φτερνίστηκες ελευθέρωσες πάνω στην γούνα του σκύλου, στην γιαγιά και στο πάτωμα μια πολύ μικρή ποσότητα κυττάρων σου που φυσικά περιέχουν το DNA σου. Σου έκοψε να μην αφήσεις το σπέρμα σου μέσα στον σκύλο, που περιέχει σαφέστατα περισσότερο DNA, διότι γνωρίζεις από τα σήριαλ πως το DNA σου είναι στην αλληλουχία του (σκέψου: οι βάσεις που φτιάχνουν τα γονίδια, ο κώδικας) μοναδικό σαν το δαχτυλικό σου αποτύπωμα. Περιέχει όμως το φτέρνισμά σου όμως αρκετό DNA ώστε κάποιος να μπορεί να το μελετήσει; Η απάντηση είναι “Όχι” μόνο αν το έγκλημα το διέπραξες πριν το 1983 δηλαδή πριν την εφεύρεση της PCR.
Όπως σε κάθε επιστήμη, έτσι και στην βιολογία υπάρχει ένας μεγάλος περιορισμός: για να μελετήσεις κάτι θέλεις ένα “μίνιμουμ” αυτού του κάτι σε ποσότητα ή σε ένταση — πρέπει το δείγμα σου να επαρκεί ή η ευαισθησία της μεθόδου σου να είναι τεράστια, συνήθως εις βάρος της ειδικότητάς της. Πολλές φορές αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα, διότι πολύ απλά μπορείς να πάρεις περισσότερο δείγμα για να το αναλύσεις.
Τι γίνεται όμως στην περίπτωση που λόγω της φύσεως της έρευνας δεν έχεις αυτή την πολυτέλεια; Βάζεις αγγελία “παρακαλείται ο δράστης να μας ταχυδρομήσει δυο αμπούλες αίματός του διότι δεν έχουμε αρκετό DNA του” ή σκάβεις όλα τα παγόβουνα της Αρκτικής και της Ανταρκτικής για να συλλέξεις τρία κιλά τρίχες Μαμούθ για να τις αναλύσεις;
Τίποτα από τα δυο, στην βιοχημεία πλέον υπάρχει μια σχεδόν μαγική πολυτέλεια που δεν υπάρχει σε άλλες επιστήμες, αυτή του να μπορείς να πολλαπλασιάσεις το υλικό που έχεις ωστε από πολύ μικρό αρχικό δείγμα να έχεις αρκετό υλικό για να τρέξεις έναν τόνο από τεστ. Η PCR κάνει ακριβώς αυτό και το κάνει μιμούμενο την φύση!
Το DNA μιμείται την φύση; Αν ναι, τότε πως;
Συνήθως οι καλύτερες και εξυπνότερες ιδέες στις επιστήμες προέρχονται από μίμηση φυσικών διεργασιών διότι… εξ’ ορισμού αυτές οι διαδικασίες είναι δοκιμασμένες και πετυχημένες, για να υπάρχουν ως σήμερα τριγύρω μας, είναι βελτιστοποιημένες μέσω της σχεδόν “ναζιστικής” αλλά τόσο ρεαλιστικής προσέγγισης του “επιβίωσε ή ψόφα και αφανίσου“. Αν το καλοσκεφτείς ξεκινάς από μια κόπια DNA της οποίας η μισή βρίσκεται στο σπερματοζωάριο του πατέρα σου και η άλλη μισή στο ωάριο της μητέρας σου. Κάθε κύτταρό σου όμως περιέχει από μια κόπια του DNA, οπότε κάπως τα κύτταρά σου καθώς πολλαπλασιάζονται “αντιγράφουν” και πολλαπλασιάζουν το DNA σου.
Η διαδικασία διπλασιασμού του DNA είναι σύνθετη και αποτελεί το καλύτερο υπνωτικό για κάποιον που δεν ενδιαφέρεται για “επιστημονικοτέτοια”, οπότε θα στην δώσω ηλιθιωδώς απλοποιημένα και επι τροχάδην. Για να πολλαπλασιαστεί το DNA πρέπει να ανοίξει η διπλή του έλικα με την βοήθεια ενζύμων που ονομάζονται “ελικάσες” και στα σημεία που είναι να ξεκινήσει η αντιγραφή να πάνε και να κολλήσουν κάτι μικρά μόρια DNA που ονομάζονται εκκινητές (primers).
Αυτοί οι εκκινητές ουσιαστικά “αναγνωρίζουν” την αλληλουχία βάσεων (τον συγκεκριμένο “κώδικα”) της έλικας του DNA και “λένε” από που ξεκινάει η αντιγραφή. Μετά έρχεται ένα ένζυμο γνωστό ως “DNA πολυμεράση“, “βλέπει” που κάθισαν οι εκκινητές, αγκαλιάζει εκείνο το σημείο και αρχίζει να “διαβάζει” το DNA και να το αντιγράφει χρησιμοποιώντας ως δομικούς λίθους τις βάσεις αδενίνη, γουανίνη, θυμίνη και κυτοσίνη οι οποίες αποτελούν τον κώδικα του DNA. Έτσι το ένα μόριο DNA γίνεται δυο!
Πολλαπλασιάζεται το DNA;
Χμ, δηλαδή να φανταστώ παίρνεις όλα αυτά τα αλαμπουρνέζικα, τα χώνεις σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα και το DNA πολλαπλασιάζεται;
Σχεδόν! Χάνεις όμως την πραγματική μαγεία της μεθόδου της PCR η οποία είναι η απλότητά της: η PCR κάνει τα παραπάνω πολύ πιο απλά. Θα δεις πως αν τα βάλεις όλα αυτά σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα η όλη φάση δεν θα δουλέψει τόσο καλά, η διαδικασία θα είναι σύνθετη και ίσως χρειαστείς και άλλα βοηθητικά ένζυμα και παράγοντες. Η PCR ουσιαστικά χρησιμοποιεί μόνο το DNA προς μελέτη, το ένζυμο DNA πολυμεράση, ένα σετ εκκινητών και τις βάσεις που θα χρησιμοποιήσει το ένζυμο για να φτιάξει το καινούργιο DNA.
Η διπλή έλικα του DNA κρατιέται ενωμένη σαν “φερμουάρ” με εκείνους τους δεσμούς υδρογόνου που λέγαμε στο άρθρο περι νερού. Στην PCR δεν τους ανοίγεις με ελικάσες αλλα πολύ πιο απλά, όπως θα έσπαγες τους δεσμούς υδρογόνου του νερού για να το εξατμίσεις: με θερμότητα! Κατά την PCR βάζεις τα παραπάνω συστατικά σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα και ανεβάζεις την θερμοκρασία.
Η έλικα του DNA ανοίγει και τότε κατεβάζεις ελαφρώς την θερμοκρασία ώστε να “καθήσουν” πάνω οι εκκινητές δημιουργώντας δεσμούς υδρογόνου με την ανοιχτή έλικα. Τότε το ένζυμο αρχίζει την αντιγραφή καταναλώνωντας τις βάσεις και φτιάχνοντας δυο καινούργιες αλυσίδες από μια αρχικά δίκλωνη. Τότε ξανα-ανεβάζεις την θερμοκρασία ώστε να ανοίξουν οι δύο καινούργιες έλικες που δημιουργήθηκαν και η διαδικασία αρχίζει από την αρχή. Έτσι το DNA πολλαπλασιάζεται σε κάθε κύκλο αυτής της διεργασίας με γεωμετρικό τρόπο (2,4,8,16 αντίγραφα) με αποτέλεσμα από ένα μόνο μόριο να μπορείς να δημιουργήσεις εκατομμύρια αντίγραφα!
Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα: η θερμοκρασία που χρειάζεται για να ανοίξει το DNA είναι αρκετά υψηλή (94 βαθμοί Κελσίου) και σε τέτοιες θερμοκρασίες το ένζυμο DNA πολυμεράση καταστρέφεται και δεν μπορεί να λειτουργήσει. Σε κάθε “κύκλο” θα έπρεπε να βάζεις καινούργιο ένζυμο με το που καταστρέφεται το παλιό, κάνοντας την όλη διαδικασία χρονοβόρα και δύσκολη. Πώς λοιπόν ξεπερνάς αυτό το εμπόδιο;
Εδώ έρχεται η δεύτερη μαγκιά που λύνει το πρόβλημα που δημιουργεί η πρώτη μαγκιά. Έχεις ακούσει για οργανισμούς που ζουν στις θερμές πηγές και στους πίδακες geyser; Κατιτίς έχει πάρει το αυτάκι σου στα σίγουρα. Ε, αυτοί δεν έχουν DNA; Πως το πολλαπλασιάζουν άπαξ και ζουν σε περιβάλλοντα που οι θερμοκρασίες κυμαίνονται από 80 εώς 110 βαθμούς Κελσίου, αν τα ένζυμα τα “φτύνουν” σε πολύ μικρότερες θερμοκρασίες;
Η λύση είναι για αυτούς απλή αλλά για εμάς δύσκολη: έχουν αναπτύξει ένζυμα που αντέχουν σε αυτές τις θερμοκρασίες χωρίς να χαλάνε και εμείς… με ένα απλό kthnxbye τους τα κλέβουμε και τα χρησιμοποιούμε!
Ένα τέτοιο ένζυμο που χρησιμοποιείται στην PCR είναι το Τaq που προέρχεται από το βακτήριο Thermus aquaticus το οποίο δεν μασάει μία από ακραίες θερμοκρασίες. Το τελικό κομμάτι της βελτίωσης της PCR ήταν η ανάπτυξη αυτόματων μηχανών που τις προγραμματίζεις να κάνουν τον κύκλο της θερμοκρασίας από μόνες τους, έτσι ώστε να μην χρειάζεται να ρυθμίζεις εσύ την θερμοκρασία κάθε φορά από την αρχή.
Για παράδειγμα τους λες “πρώτο βήμα ανέβασε την θερμοκρασία στους 95 για 5 λεπτά, δεύτερο βήμα κατέβασε την στους 75 για 10 λεπτά και επανέλαβε τα βήματα ένα και δύο 40 φορές καθώς εγώ θα την έχω κάνει από το εργαστήριο για τεκίλες“. Αυτές οι high tech αυτόματες… “κατσαρόλες” φέρουν το φαντεζί wow ονοματάκι “θερμικοί κυκλοποιητές“.
Ποιος εφηύρε την PCR;
Ο Kary Mullis συνέλαβε την αρχική ιδέα το 1983, η οποία ιδέα του έδωσε το βραβείο Nobel το 1993, και μετά κούτσα κούτσα η μέθοδος τελειοποιήθηκε. Σε αυτή την ιστορία της εφεύρεσης της PCR δεν θα συναντήσεις κάποιον τρελούτσικο αντικοινωνικό γυαλάκια με τάσεις αφηρημάδας και αισχρά κοινωνικά skills. Ο Kary Mullis είναι τυπάς από τους λίγους, που είτε θα αγαπήσεις, είτε θα αγαπήσεις τον τρόπο που τον μισείς.
Αν έχει κάτι κλασικά “επιστημονικό” πάνω του είναι πως μικρός ασχολήθηκε με το αγαπημένο χόμπυ πολλών γνωστών επιστημόνων, τα υπέροχα εκρηκτικά — στην περίπτωση του Kary αυτά ήταν αυτοσχέδιοι πύραυλοι. Για αρχή ο τύπος είναι σέρφερ, παντρεμένος τρείς φορές (του αρέσουν… τρομερά οι γυναίκες!) και δεν τον χαρακτηρίζει καθόλου η μεθοδικότητα και η αγάπη του για το εργαστήριο — υπάρχουν αναφορές πως δεν γούσταρε το εργαστήριο, γούσταρε όμως τρομερά να σκέφτεται περί επιστήμης οδηγώντας ή σερφάροντας.
Κάπως έτσι του κατέβηκε και η ιδέα για την PCR όταν ένα βράδυ οδηγούσε με την κοπέλα και συνάδελφό του στο αμάξι προσπαθώντας να λύσει ένα πρόβλημα που είχε συναντήσει δουλεύοντας στα εργαστήρια της εταιρίας Cetus. Με το που του κατέβηκε η παραπάνω ιδέα περι εκκινητών, ενζύμων και DNA σταμάτησε το αμάξι, βγήκε να πάρει λίγο αέρα και να την γράψει σε ένα χαρτάκι για να μην την ξεχάσει και συνέχισε ατάραχος να οδηγεί χωρίς να έχει συνειδητοποιήσει ότι αυτό που μόλις βρήκε θα άλλαζε τον κόσμο.
Επίσης μια φορά σε κάποιο δάσος της Καλιφόρνια τον χαιρέτησε ένα φωσφορίζον ρακούν λέγοντάς του “Καλό απόγευμα, γιατρέ” και όταν συνήλθε είχαν περάσει κάμποσες ώρες. Αυτά και πολλά άλλα διασκεδαστικά ισχυρίζεται ο Kary Mullis στο αυτοβιογραφικό βιβλίο του που ονομάζεται “Dancing naked in the mindfield“, αν διαθέτεις αναγνωστικές ικανότητες που σου επιτρέπουν να διαβάζεις άνω της μιας παραγράφου την φορά άνοιξε το Amazon και αγόρασέ το!
Αν τα παραπάνω δεν είναι αρκετά πικάντικα για εσένα, η προσωπικότητα του Kary σου επιφυλάσει και άλλες εκπλήξεις. Ο Kary εκτός του ότι δεν είναι άγνωστος με το μόριο που ονομάζεται δεοξυριβοζονουκλεϊκό οξύ, δεν είναι καθόλου άγνωστος επίσης και με το μόριο που ονομάζεται διαιθυλαμίδιο του λυσεργικού οξέως: μάλιστα μαρτυρίες του τον θέλουν είτε να αποδίδει σε αυτό την ανακάλυψη της PCR είτε να το θεωρεί καταλυτικό παράγοντα που οδήγησε την σκέψη του σε τέτοια μονοπάτια. Επίσης κάτι που θα χαροποιήσει ιδιαίτερα τους θιασώτες της θεωρίας πως ο ιός HIV δεν προκαλεί το AIDS: Ο Kary είναι δικός σας παιδιά!
Στην επόμενη συζήτηση επι του θέματος μπορείς κάλλιστα να αναφέρεις ως επιχείρημα στην αντίθετη πλευρά πως “ολόκληρος νομπελίστας και δεν το πιστεύει“, επικαλούμενος την αυθεντία ως αλάθητο, δεδομένου φυσικά πως η άποψή του συμφωνεί μαζί σου. Αν δεν συμφωνούσε, ξάφνου το νόμπελ του δεν θα σήμαινε τίποτα και θα δήλωνες πως “ακόμα και ένας νομπελίστας μπορεί να κάνει λάθος” ή πως και αυτός είναι μέρος της συνωμοσίας και στηρίζει σκοτεινά συμφέροντα.
Εδώ μπορούν να χαρούν και όλες οι Κατινίτσες δίοτι ο κύριος αλάθητος νομπελίστας πιστεύει και σε κάτι άλλου που αποτελεί καθημερινή σας ασχολία: την αστρολογία! Την επόμενη φορά λοιπόν που θα σου πεί ο υποψήφιος γκόμενος πως “αυτά είναι χαζομάρες” άσε την μαύρη ρίζα να λάμψει κάτω από το πλατινέ μαλλί σου και στήσε τον στον τοίχο αναφέροντας τον υπέροχο Kary Mullis.
Πως σου επιτρέπει το PCR να βρίσκεις εγκληματίες;
Εντάξει, γιατί τόσος ντόρος για αυτή την PCR που σου επιτρέπει να βρίσκεις εγκληματίες;
Διότι δεν σου επιτρέπει μόνο να βρίσκεις εγκληματίες! Από όλα τα συστατικά της PCR, το πιο προσαρμόσιμο και ιδιαίτερο (πλήν του DNA που εξετάζεις) είναι οι primers, οι εκκινητές! Η μεγάλη μαγκιά εδώ είναι πως οι primers δεν κολλάνε όπου να είναι αλλά σε συγκεκριμένα μέρη του DNA που τα καθορίζεις ανάλογα με την αλληλουχία τους. Έτσι, μπορείς με την PCR να ενισχύσεις επιλεκτικά τμήματα του γονιδίου!
Θες να ταυτοποιήσεις από πιο φυτό είναι το μικροσκοπικό κομματάκι που σου έφερε στο εργαστήριο κάποιος παλαβιάρης, λέγοντάς σου πως σήμερα το πρωί βγήκε από τον κώλο του όπου του το εμφύτευσαν εξωγήινοι; Απέδειξέ του πως είναι γήινο φυτό, διαλέγοντας primers για ένα γονίδιο που διαφοροποιείται ανάλογα το είδος του φυτού, τρέξε μια PCR και πάρε αρκετό DNA πίσω ώστε να μπορείς να το “διαβάσεις” για να βρεις σε ποιο φυτό ανήκει (αυτό όμως δεν αναιρεί πως παίζει να του το φύτεψαν εξωγήινοι στον κώλο!). Θέλεις να μάθεις αν το δείγμα της τρίχας που βρήκες ανήκει σε άντρα η γυναίκα;
Τρέξε μια PCR με primer που βρίσκονται μόνο σε ανδρικά γονίδια στο χρωμόσωμα Y και δες αν θα πολλαπλασιαστεί κάτι (αν όχι, ήρθε από γυναίκα!). Λες να μελετήσεις αν κάποιος έχει μια γενετική πάθηση; Πάλι πίσω στην PCR. Ίσως να ανιχνεύσεις αν κάποιος έχει προσβληθεί από κάποιον συγκεκριμένο ιό ή να παράγεις αρκετό από το αγαπημένο σου γονίδιο για να φτιάξεις έναν γενετικά τροποποιημένο οργανισμό; Και εδώ έχει θέση η PCR! Γενικά όπου ακούς πλέον μελέτη DNA σκέψου πως πάντα υπάρχει μια θέση για την PCR!
Τώρα το μόνο που μας λείπει είναι μια εξίσου εύκολη μέθοδος για να πολλαπλασιάσουμε την ευφυϊα σου… Χμ, υλικό για το επόμενο Νόμπελ; Μάλλον υλικό για βιβλίο επιστημονικής φαντασίας, ακόμα και στην υπέροχη και επαναστατική PCR πρέπει να ξεκινήσεις από υπαρκτό δείγμα!
