Foto: Wikipedija/YouTube/Index,123rf

U SVOJOJ prvoj kolumni za Index ugledni hrvatski molekularni biolog Kristian Vlahoviček predstavlja uvjerljive argumente koji pokazuju da se posljednja četiri desetljeća u svijetu odvija jedna manje uočljiva, ali ne manje važna tehnološka revolucija od one digitalne. Štoviše, ona je čak brža od digitalne, ima goleme potencijale koji se tek trebaju ostvariti, ali već ozbiljno mijenja svijet u kojem živimo.
 
>>> Dosad objavljene kolumne: Index LAB

Ove godine obilježava se četrdeseta obljetnica otkrića jedne od najrevolucionarnijih tehnologija u povijesti čovječanstva. Tehnologije, koja je u nepunih pola stoljeća toliko brzo napredovala da je za sobom, u gustom i velikom oblaku prašine, ostavila sve ostale tehnološke „sprinterice“ zaslužne za napredak naše civilizacije.

Možda ste na trenutak pomislili da sam za nekih dvadesetak godina pogriješio godišnjicu i da se radi o informatičkoj tehnologiji i razvoju mikroprocesora. No, godišnjica je točna – ravno je četrdeseta, a Florence Griffith Joyner svih tehnologija nije IT nego – čitanje nasljedne genetičke informacije, ili sekvenciranje molekule DNA.
 
Ipak, sekvenciranje DNA snažno je povezano s digitalnom revolucijom, a i sam način na koji je nasljedna informacija zapisana unutar molekule DNA u osnovi je digitalan. Upravo je otkriće tehnike kojom informaciju možemo doslovce pročitati iz kemijskog spoja i prepisati je u nama čitljiviji i dostupniji oblik omogućilo da i biologija uđe na velika vrata u digitalnu eru.  Baš kao i s računalima, vrlo je malo futurističkih vizionara moglo zamisliti do koje će mjere u ove četiri dekade sekvenciranje napredovati i koliki će veliki utjecaj ostaviti na znanost i društvo općenito.
 
Otprilike u isto vrijeme, sredinom prošlog stoljeća, zbivale su se dvije zlatne ere - ona elektronike, ali i ona molekularne biologije. Iako je molekula deoksiribonukleinske kiseline (DNA) kao kemijski spoj bila poznata 100-tinjak godina ranije, tada je otkriveno da je upravo ona nositelj nasljedne informacije u živoj stanici. Nedugo zatim, Watson, Crick, Franklin i Wilkins došli su do otkrića strukture DNA – popularne dvostruke zavojnice s nukleotidima koji se međusobno uparuju: A-T i G-C. A zatim su, u pokusu koji se često naziva najelegantnijim u povijesti biologije, Messelson i Stahl potvrdili kako se DNA udvostručuje – zavojnica se rastvara kao patent-zatvarač i svaki od dvaju lanaca služi kao predložak za gradnju dvije nove kopije identičnog slijeda.

U to istom razdoblju otkriven je i protein, enzim DNA polimeraza (slika dolje), koji je zaslužan za umnažanje DNA. On klizi niz kalup i prema slijedu nukleotida u „starome“ lancu sintetizira novi, dodajući jedan po jedan nukleotid, bez ikakvog gubitka informacije. Ovaj proces kopiranja knjige života odvija se svaki put kad se bilo koja živa stanica dijeli, baš kao u kakvom srednjovjekovnom samostanu u kojem redovnici neumorno prepisuju slovo po slovo neke debele knjižurine. Za diobu bakterije potrebno je prekopirati nekoliko milijuna slova, ljudske stanice oko šest milijardi, a za neke biljne stanice i do nekoliko stotina milijardi slova, i to sve u vremenu od nekoliko minuta! I, baš kao i redovnicima, i polimerazama se ponekad dogodi da pogriješe. Doduše, to se zbiva izuzetno rijetko, jednom u nekoliko milijuna prekopiranih baza. No, iako su do tih burnih sedamdesetih ljudi već saznali gdje je zapisana nasljedna informacija i kako se prenosi, još uvijek je nisu mogli izravno pročitati. DNA je premala da bi se vidjela pod bilo kakvim mikroskopom do te mjere da je s nje moguće izravno čitati slijed baza, pa je taj problem prilično zaokupljao znanstvenike.

Enzim polimeraza zaslužan je za umnažanje DNA

I, kako to obično biva u znanosti da velikim otkrićima prethodi dugi niz manjih, iza kojih pak stoji čitavo mnoštvo znanstvenika koji malo po malo šire horizonte znanja, tako su i Fred Sanger i njegovi suradnici došli na ideju da iskoriste nedavno otkriveni postupak kojim sama priroda umnaža DNA kako bi je, vrlo elegantnim trikom, primorali da nam usput otkrije i slijed slova koji je netom umnožila (na slici dolje). Za to otkriće dobili su Nobelovu nagradu, baš kao i dvadesetak godina ranije Watson i Crick za otkriće strukture DNA.

Sekvenciranje je u početku bilo prilično nalik proučavanju rendgenskih
slika

Fascinantan pad cijene i ubrzanje
 
U početku je postupak čitanja bio jako kompliciran. Trajao je nekoliko dana, zahtijevao je korištenje radioaktivno obilježenih nukleotida koji bi se potom razvijali na rendgenskom filmu, a sekvenca bi se čitala ručno. U jednom pokusu bilo je moguće pročitati do petsto slova. Ako to usporedimo s duljinom DNA, jednostavne bakterija od nekoliko milijuna slova, postaje jasno koliki je tada bio pothvat pročitati nasljednu informaciju najosnovnijih organizama. No, bio je to jedini način i znanstvenici su slovo po slovo uspjeli pročitati DNA prvo virusa, a zatim i jednostavnih bakterija. Krajem osamdesetih godina odvažili su se na pothvat za koji možemo reći da je čak daleko iznad ranga svemirskih istraživanja – u prvom pothvatu koji se uistinu može nazvati globalnim projektom svjetskih razmjera zajedničkim naporom laboratorija diljem planeta pokušali su pročitati slijed tri milijarde nukleotida koji čine ukupnu genetičku informaciju, odnosno genom čovjeka!

Cijeli pothvat prvog čitanja sekvence genoma samo jednog jedinog čovjeka trajao je desetak godina i koštao nevjerojatne tri milijarde dolara! Međutim, razvoj tehnologije nije spavao pa je samo tri godine prije kraja tisućljeća i završetka ovog planetarnog projekta, u foto finiš s cijelim svijetom ušla jedna privatna kompanija – Celera genomics, koja je isti posao uspjela napraviti za četvrtinu vremena i deset puta manju cijenu – „samo“ tristo milijuna dolara. Do kraja projekta, 2001. godine, cijena je dodatno pala tri puta, na sto milijuna dolara za jedan genom. Samo deset godina kasnije, krajem prve dekade novog tisućljeća, za taj isti iznos mogli ste sekvencirati genome četiri tisuće osoba, a ove godine bi vam sto milijuna dolara bilo dostatno da sekvencirate sto tisuća osoba. Dakle, cijena čitanja ljudskog genoma spustila se na magičnu granicu od tisuću dolara, za koju se smatra da je dovoljno pristupačna za širu primjenu u medicinskoj dijagnostici, od nasljednih bolesti do tumora. Usporedno s ovako drastičnim padom cijene smanjilo se i vrijeme do rezultata – s više od deset godina za prvi genom u devedesetima do svega nekoliko desetaka sati koliko danas treba modernim uređajima da pročitaju cjelokupnu genetičku informaciju čovjeka. I baš kao i s razvojem računala, ovakvih uređaja za sekvenciranje ima sve više, pa polako postaju sastavni dio većine znanstvenih centara, ali i klinika i dijagnostičkih laboratorija.

Revolucija brža od digitalne

Ako mi još uvijek ne vjerujete da je razvoj tehnologije sekvenciranja svojom brzinom prestigao računala, vratimo se još malo na digitalnu revoluciju. Vjerujem da je većini poznato pravilo do kojeg je još davne 1965. došao Gordon Moore, jedan od osnivača tvrtke Intel. On je zaključio da će tijekom sljedećih nekoliko desetaka godina snaga mikroprocesora rasti eksponencijalnom brzinom i udvostručavati se otprilike svake dvije godine. Ovo se pokazalo prilično točnom projekcijom sve do današnjih dana, a Mooreov zakon (kako je prozvano ovo pravilo) dobro je poznat u cijeloj informatičkoj industriji. Mooreovim zakonom danas se opisuje i odnos računalne snage i cijene, koji također još donekle slijedi eksponencijalni pad.

 
I sekvenciranje ima svoju verziju Mooreovog zakona, a zove se Carlsonova krivulja. Ona prikazuje godišnji pad cijene jedne sekvencirane baze DNA – jednog pročitanog slova. Ako pokušamo razvoj računala opisati Carlsonovom krivuljom umjesto Mooreovom, to bi izgledalo otprilike ovako: vaše današnje kućno računalo imalo bi snagu IBM-ovog superračunala 'Blue Gene' s diskovnim kapacitetom od nekoliko stotina terabajta. Telefonirali biste mobitelom koji bi bio u stanju obavljati proračune za predviđanje vremenske prognoze i imao kameru od nekoliko gigapiksela, a oba uređaja koštala bi dvadesetak dolara. I što je još važnije, dok se u posljednjih nekoliko godina primjećuje sve veći zastoj u padu cijena računala i sve veće odstupanje od Mooreovog zakona, tehnologija čitanja gena ne pokazuje znakove zasićenja. Upravo suprotno – prošle godine izašli su na tržište uređaji koji prvi put koriste sasvim novi pristup čitanju genetičke informacije. Umjesto korištenjem enzima polimeraze i čitanja kemijskim umnažanjem, ovi uređaji koriste nanotehnologiju i čitaju DNA izravno, mjereći minijaturna kolebanja u električnom polju membrane s mikronskim porama kroz koje prolazi jedna jedina molekula DNA. Prijelaz s kemijskog na mikroelektrično čitanje baza omogućilo je drastičnu minijaturizaciju uređaja koji su se s veličine perilice smanjili toliko da ih sada možete doslovno umetnuti u mobitel i sekvenciranje obaviti usred prašume i bez potrebe za laboratorijem. Njihov kapacitet još nije dovoljan da biste mogli čitati genom čovjeka, ali je sasvim dostatan za brzu identifikaciju patogenog virusa ili bakterije iz krvi pacijenta, što može biti kritično u spašavanju nečijeg života.
Ironično, upravo jedno od najvećih uskih grla u daljem razvoju tehnologije sekvenciranja predstavlja – prespor razvoj računalnih kapaciteta za pohranu i obradu genetičkih podataka. Biologija je, uvelike zahvaljujući upravo razvoju metoda sekvenciranja, postala izrazito digitalnom disciplinom, a pojmovi kao 'big data', strojno učenje ili umjetna inteligencija sve se češće čuju među biolozima.
 

 
U prvih četrdeset godina, unatoč ovako strelovitom razvoju, tek smo malo zagrebli po površini jedinstvenog i najkompleksnijeg sustava na Zemlji – života. Kako će izgledati sljedećih četrdeset, gotovo je nemoguće i zamisliti. Jedno je sasvim izvjesno – očekuje nas izrazito zanimljivo doba u kojem će biologija i biotehnologija imati jednu od vodećih uloga.

*Stavovi izneseni u kolumnama i komentarima osobni su stavovi autora i ne odražavaju nužno stav redakcije portala Index.hr. Navedeni stavovi ne odražavaju ni stav bilo koje ustanove, subjekta ili objekta s kojima je povezan autor.

**** Kristian Vlahoviček profesor je na PMF-u u Zagrebu na kojem je uveo bioinformatiku i računalnu biologiju. Pod njegovim mentorstvom diplomiralo je preko 20 studenata koji su svoje obrazovanje nastavili na najprestižnijim svjetskim i domaćim institucijama, od Ruđera preko Cambridgea do ETH-a. Objavio je više od 45 znanstvenih radova u vodećim znanstvenim časopisima, među kojima su i Cell i Nature, a koji su citirani preko 2100 puta. 2006. postao je prvi hrvatski dobitnik prestižne potpore za uspostavu laboratorija koju dodjeljuju Europska organizacija za molekularnu biologiju (EMBO) i Nacionalna zaklada za znanost i visoko obrazovanje RH. Voditelj je brojnih domaćih i međunarodnih projekata, uključujući i one Europske komisije. Dobitnik je brojnih nagrada, a također je recenzent i član uredništva u više svjetskih znanstvenih časopisa. Glasni je zagovornik reforme sustava znanosti i upravljanja kroz politike zasnovane na činjenicama.

Želite li momentalno primiti obavijest o svakoj objavljenoj kolumni naših vrhunskih znanstvenika, instalirajte Index.me aplikaciju i pretplatite se besplatno na tag: Index Lab.
 
Index.me aplikaciju za android besplatno možete preuzeti na ovom linku, dok iPhone aplikaciju možete preuzeti ovdje.