Του Χαράλαμπου Μυλωνά,
Τα τελευταία τριάντα χρόνια, ένας νέος κλάδος των Βιοεπιστημών αναπτύσσεται ραγδαία: η ομική τεχνολογία (omic technologies). Πρόκειται για επιστημονικό τομέα της Βιολογίας που υιοθετεί μία πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση των χημικών μορίων που δημιουργούν το κύτταρο. Στοχεύει κυρίως στην καθολική ανίχνευση των γονιδίων, των μορίων mRNA, των πρωτεϊνών και των μεταβολιτών σε συγκεκριμένα βιολογικά δείγματα. Έτσι, έχουμε τη γονιδιωματική, τη μεταγραφωματική, την πρωτεομική και τη μεταβολομική, αντίστοιχα, που όλες μαζί συναποτελούν τη Βιολογία Συστημάτων, η οποία περιγράφει τη συμπεριφορά κυττάρων και οργανισμών.
Για την κατανόηση της ομικής, είναι απαραίτητη η γνώση του κεντρικού δόγματος της Μοριακής Βιολογίας. Αποδείχθηκε για πρώτη φορά το 1958 από τον Francis Crick, που ανακάλυψε την τρισδιάστατη δομή του DNA. Το κεντρικό δόγμα της Μοριακής Βιολογίας περιγράφει τη ροή της γενετικής πληροφορίας από το DNA (τον «σκληρό δίσκο» των πληροφοριών ενός οργανισμού), στο RNA (τον αγγελιαφόρο του DNA) και εν τέλει στη λειτουργική πρωτεΐνη. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται γονιδιακή έκφραση και περιλαμβάνει τη μεταγραφή (μετατροπή μέρους του DNA σε RNA) και τη μετάφραση (την κατασκευή της κατάλληλης πρωτεΐνης, βάσει των πληροφοριών που μεταφέρθηκαν).
Αν, λοιπόν, θέλουμε να δώσουμε έναν ορισμό στην ομική τεχνολογία, αυτός θα είναι ο εξής: ως ομική ονομάζουμε το πεδίο εκείνο των Βιοεπιστημών που μελετά το γονιδίωμα (το σύνολο των γονιδίων), το μεταγράφωμα (το σύνολο των μορίων RNA που μπορούν να προκύψουν από τη μεταγραφή του DNA), το πρωτέωμα (το σύνολο των πρωτεϊνών που προκύπτουν από τη μετάφραση) και το μεταβόλομα (το σύνολο των ουσιών που συμμετέχουν στον μεταβολισμό). Ας πάμε, τώρα, να γνωρίσουμε έναν προς έναν τους κλάδους των omics.
Η γονιδιωματική (genomics) είναι η μελέτη του συνολικού DNA ενός οργανισμού. Πολλές φορές συγχέεται με τη γενετική, όμως αυτό είναι λάθος, καθώς η τελευταία αποτελεί τελείως διαφορετικό κλάδο. Η γενετική αφορά περιορισμένο αριθμό γονιδίων και μελετά την κληρονομικότητα, δηλαδή τη μεταβίβαση χαρακτηριστικών από τη μία γενιά στην επόμενη, μέσω του DNA. Η γονιδιωματική μελετά το σύνολο των γονιδιώματος ενός οργανισμού και το πώς αυτό λειτουργεί. Παλαιότερα, η μελέτη των γονιδίων γινόταν μεμονωμένα. Πλέον, με την ανάπτυξη νέων τεχνικών αλληλουχίας και μελέτης του DNA, όπως η NGS (Next Generation Sequencing) και η GWAS (Genome-Wide Association Studies), το γενετικό υλικό μελετάται στο σύνολό του, καθιστώντας δυνατή και την εύρεση πιθανών ανωμαλιών, όπως μεταλλάξεων του DNA ή δομικών και αριθμητικών μεταβολών των χρωμοσωμάτων.
Το DNA αποτελεί το κατάλληλο μόριο για την αποθήκευση της γενετικής πληροφορίας. Ωστόσο, έχει κι ένα σημαντικό μειονέκτημα: είναι αρκετά μεγάλο ώστε να μπορεί να «κινείται» με ευκολία στους χώρους του κυττάρου. Έτσι, έχει επιστρατεύσει έναν «βοηθό»: το RNA, το οποίο, όντας μικρότερο σε μέγεθος, έχει τη δυνατότητα να μεταφέρει τις πληροφορίες από το DNA στις πρωτεΐνες, να ρυθμίζει γονίδια και να συμμετέχει σε μεταβολικές λειτουργίες. Το συνολικό RNA ενός οργανισμού ονομάζεται μεταγράφωμα και αντικατοπτρίζει τα γονίδια που είναι ενεργοποιημένα σε μία δεδομένη στιγμή. Η μεταγραφωματική (transcriptomics), λοιπόν, αφορά τη μελέτη του συνολικού RNA του οργανισμού. Αξιοποιώντας σύγχρονες μεθόδους υψηλής απόδοσης, η μεταγραφωματική μπορεί να δώσει απαντήσεις σε ερωτήματα για τη δομή, τη λειτουργία, τη μεταφορά και την αποικοδόμηση του RNA, καθιστώντας ακόμα πιο κατανοητή τη σχέση μεταγραφώματος – φαινοτύπου (εξωτερική εμφάνιση και βιοχημική σύσταση του οργανισμού).
Το σύνολο των πρωτεϊνών ενός κυττάρου, ιστού ή οργανισμού που έχουν εκφραστεί σε μία δεδομένη χρονική στιγμή, αποτελεί το πρωτέωμα. Με άλλα λόγια, το τελευταίο αντικατοπτρίζει τη γονιδιακή έκφραση, σε συνδυασμό με τις περιβαλλοντικές επιδράσεις. Η πρωτεομική (proteomics) μελετά τη ροή της πληροφορίας, τόσο σε κυτταρικό όσο και σε επίπεδο οργανισμού, μέσω πρωτεϊνικών μονοπατιών και δικτύων και ως στόχο έχει την κατανόηση της σχέσης μεταξύ όλων των πρωτεϊνών, σε επίπεδο λειτουργίας. Αν και το πρωτέωμα έχει ερευνηθεί σε αρκετά μεγάλο βαθμό, η μελέτη του θεωρείται αρκετά δύσκολη, μιας και αποτελείται από περισσότερες από εκατό χιλιάδες πρωτεΐνες. Η πρωτεομική αξιοποιείται για την κατανόηση του τόπου και χρόνου παραγωγής μίας πρωτεΐνης, της ποσοτικής της διακύμανσης και πως αυτή τροποποιείται και συμμετέχει σε μεταβολικές οδούς.
Ο μεταβολισμός αποτελεί το σύνολο των χημικών εκείνων διεργασιών που οδηγούν στη μετατροπή των θρεπτικών συστατικών σε ενέργεια και χημικές σύνθετες ουσίες. Η μεταβολομική (metabolomics), λοιπόν, αφορά τη συστηματική ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση του μεταβολόματος, δηλαδή του συνόλου εκείνων των ουσιών που παίρνουν μέρος στον μεταβολισμό ή παράγονται κάτω από συγκεκριμένες φυσιολογικές συνθήκες. Μεταβαίνοντας από το γονιδίωμα στο μεταβόλομα, προχωράμε από τον γονότυπο (το σύνολο των γονιδίων ενός οργανισμού) στον φαινότυπο (τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά του οργανισμού). Η μεταβολομική διαχωρίζεται στη στοχευμένη, δηλαδή τον λεπτομερή έλεγχο ενός συγκεκριμένου μεταβολικού μονοπατιού (ακολουθία χημικών αντιδράσεων) και στη μη στοχευμένη, δηλαδή την ταυτοποίηση όλων των μεταβολιτών (ουσίες που αποτελούν ενδιάμεσα ή τελικά προϊόντα του μεταβολισμού).
Δεδομένων των παραπάνω, γίνεται αντιληπτό πως η ομική τεχνολογία αποτελεί μία προσπάθεια της επιστημονικής κοινότητας να μελετήσει και να εξερευνήσει το φαινόμενο της ζωής στην ολότητά του, από το γονοτυπικό έως και το φαινοτυπικό επίπεδο. Γι’ αυτόν ακριβώς τον λόγο, τα omics αποτελούν έναν ταχέως αναπτυσσόμενο κλάδο των Βιοεπιστημών με νέες κατηγορίες να εντάσσονται συνεχώς, όπως είναι η μικροβιωματική και η ροομική.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Reginald H. Garrett, Charles M. Grisham, Βιοχημεία, 6η αμερικανική έκδοση, Utopia Εκδόσεις Μ. ΕΠΕ, Αθήνα, 2019
- What is the ‘Central Dogma’?, yourgenome.org. Διαθέσιμο εδώ
- What Are Omics Sciences?, link.springer.com. Διαθέσιμο εδώ
- ‘Omic’ technologies: genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics, obgyn.onlinelibrary.wiley.com. Διαθέσιμο εδώ
- Transcriptomics, sciencedirect.com. Διαθέσιμο εδώ
- What is proteomics?, ebi.ac.uk. Διαθέσιμο εδώ
