Tesla i telomere

“Kada bismo bili u mogućnosti da zarobimo i iz našeg industrijskog svijeta eliminišemo rezultate gospodina Tesle točkovi naše industrije bi prestali da se okreću, naši tramvaji i vozovi bi stali, naši gradovi bi bili u tami, a naši mlinovi bi utihnuli i umrli. Njegovo ime označava epohu i napredak električne nauke.”

B. A. Berend

Iz govora na dodjeli Edisonove medalje Američkog Instituta Električnih Inženjera Nikoli Tesli maja 1917 godine

Nikola Tesla je ostavio neizbrisiv i dalekosežan trag u svjetskoj tehno-naučnoj kulturi. Silicijumska dolina ga slavi kroz istoimeni električni automobil, on je magnet za filmadžije i ekscentrike kao što je bio Dejvid Bouvi (u filmu Prestiž Bouvi glumi Teslu), uticajni portali ga koriste kao simbol za inovativnu budućnost… Ako su Džejms Vat i njegova parna mašina simbol prve industrijske revolucije, onda su Nikola Tesla i njegova naizmjenična struja sasvim sigurno neprikosnoveni simbol druge.

Da Tesline ideje indirektno dosežu i do genetike imao sam priliku da otkrijem u prvoj sedmici Oktobra 2017 na jednom naučnom skupu u Edinburgu. Neočekivana veza su Ahilove pete genoma ili telomere – krajevi hromozoma.

Osoba koja Teslu uvodi u genetiku je profesor Džeri Šej sa univerziteta Teksas u Dalasu. Šej je jedan od vodećih biologa današnjice. Spada u grupu visoko citiranih naučnika (preko 75,000 citata) a njegov h-indeks je 135!

Ovo je kratka priča o telomerama, njihovoj važnosti za stabilnost genoma, uticaju na medicinu i biologiju uopšte, i tehnologiji njihovog mjerenja. Kao što je mjerenje temperature ili krvnog pritiska važno za procjenu opšteg stanja zdravlja, tako je mjerenje telomera važno za procjenu stanja zdravlja ljudskog genoma i brzine našeg starenja. Nova tehnika za mjerenje telomera, najprecizinija do sada, objavljena u časopisu Nature Communications, nosi ime TESLA. Vidjećete kako su se istraživački um Džerija Šeja i ideje Nikole Tesle, ukorijenjene u američkoj tehničkoj kulturi, susreli slučajno u nekoj ulici u Dalasu.

Šta su telomere?

Telomere i njihova biološka funkcija su otkrivani postepeno. Za istorijat otkrivanja telomera vezane su najmanje tri Nobelove nagrade. U vrijeme rudimentarnog poznavanja genetike u prvoj polovini 20. vijeka, kada još nije bilo poznato da je DNK molekula nosilac genetskih informacija, Herman Džozef Miler (1890-1967), je prvi pokazao da X-zraci svojom velikom energijom lako cijepaju hromozome vinske mušice. On je prvi upotrijebio termin “telomera” za završni dio hromozoma koristeći grčke riječi telos (kraj) i meros (dio). Za otkriće radijacione mutageneze Miler je dobio Nobelovu nagradu 1946 godine.

Da su telomere Ahilove pete genoma pokazala je Barbara Meklintok (1902-1992). Radeći na ćelijama kukuruza početkom 1940-ih Meklintok je primijetila da krajevi hromozoma imaju specifičnu zaštitnu funkciju. Kada je izgube genom postaje nestabilan. Uz to Meklintok je otkrila da je genom dinamičan. Ključni akteri dinamike su mobilni genetski elementi ili transpozoni. Istraživanja gospođe Meklintok su bila decenijama ispred vremena tako da njene rezultate niko nije uzimao ozbiljno. Tek nekoliko decenija poslije drugi naučnici su ih potvrdili a ona je 1984 dobila Nobelovu nagradu za otkriće transpozona.

U identifikaciji molekularne strukture telomera nije bilo napretka sve do do kraja 1960-ih. Tada je ruski naučnik, Aleksej M. Olovnikov, za koga niko na zapadu nije čuo, u jednom od najinspirativnijih aktova teoretskog predviđanja u biologiji, bez ikakvog eksperimentalnog rada, opisao potpuno novi molekularni pejzaž na krajevima hromozoma. Ovaj pejzaž će eksperimentalna istraživanja bogatih zapadnih laboratorija u potpunosti potvrditi 20-ak godina kasnije. Troje američkih istraživača će za potvrdu Olovnikovljevih teoretskih predviđanja 2009 godine dobiti Nobelovu nagradu. Olovnikov je svoja istraživanja objavio u časopisu sovjetske akademije nauka (Dokladi Akademii Nauk SSSR) 1971 godine. Dvije godine poslije teoriju objavljuje i na engleskom.

Inspiraciju za otkriće Aleksej M. Olovnikov, koga sam prvi put sreo 1998 godine na jednom naučnom skupu u Hajdelbergu, je pronašao u moskovskom metrou. Jednog jutra Aleksej je razmišljajući gledao kako se voz sporo zaustavlja da primi putnike. Zamislio je da je tunel kroz koji se voz kreće DNK molekula, a voz enzim koji DNK molekulu replikuje. Obzirom da DNK molekula ima dva lanca i da se jedan lanac replikuje kontinuirano, a drugi u fragmentima (Okazakijevi fragmanti), nastaje replikacioni problem.

Na kraju lanca koji se replikuje u fragmentima ostaje praznina (crvena strelica na Slici 2). Dakle, svaki put kad se naše ćelije podijele DNK molekule u svim hromozomima postaju kraće. Ovo se u genetici i molekularnoj biologiji zove problem nepotpune replikacije. Dvije godine poslije Olovnikova isti problem je nezavisno identifikovao čuveni Džejms Votson, koji je sa Frensisom Krikom 20-ak godina ranije identifikovao strukturu DNK molekule. (Interesantno, zapadni naučnici se ne pozivaju na Olovnikova nego na Votsona kada citiraju problem nepotpune replikacije, iako je Olovnikov problem identifikovao prvi.)

Međutim, Olovnikov ide dalje u teoretskim predviđanjima. U vrijeme kada je razrađivao ideju o nepotpunoj replikaciji DNK na nekom predavanju je čuo za Hejflikov limit. Leonard Hejflik, američki ćelijski biolog, je prvi primijetio da se ljudske ćelije dijele ograničeni broj puta. U prosjeku naprave oko 50 dioba i onda ili umru, ili ostanu još neko vrijeme u metaboličkoj pauzi bez dijeljenja. Ovaj fenomen je imenovan Hejflikov limit.

Olovnikov je povezao Hejflikov limit sa postepenim gubitkom telomera i predvidio da su telomere svojevrsni ćelijski hronometar. Kada postanu kritično kratke, poslije oko pedesetak ćelijskih dioba, ovo je signal za tkiva da ćelije sa kratkim telomerama pošalju u “penziju”. Olovnikov je novu teoriju nazvao “teorijom marginotomije”. Dodatno je predvidio da mora postojati i enzim koji je za razliku od konvencionalnih enzima za replikaciju DNK, ili polimeraza, u stanju da replikuje telomere i tako eliminiše problem nepotpune replikacije. Interesantno, Olovnikov je predvidio da enzim koji može uspješno da sintetiše telomere, treba da bude aktivan u ćelijama raka koje se dijele neograničeno.

Eksperimentalna potvrda teorije Alekseja Olovnikova

Eksperimentalni rad na identifikaciji strukture telomera, potpuno nezavisno od Olovnikova, započinje u drugoj polovini 1970-ih godina. Ključna osoba je mlada Australijanka Elizabeta Blakburn. Radeći doktorat na Kembridžu, Blakburn identifikuje DNK sekvence telomera u jednoćelijskom organizmu, Tetrahymena thermophila. Kasnije se pokazuje se da je sekvenca gotovo ista u svim eukariotskim organizmima (svi organizmi iznad bakterija i arheja). Ovo sugeriše zajedničko evoluciono porijeklo telomera u svim organizmimima evoluciono mlađim od bakterija i arheja.

U međuvremenu Blakburn završava doktorat i seli u Ameriku da nastavi pionirski rad na telomerama. Zajedno sa njenom doktorantkinjom, Karol Grajder, 1985 godine identifikuju enzim koji je u stanju da replikuje isključivo telomere. Daju mu ime telomeraza. Time se jedno od teoretskih predviđanja Olovnikova ostvaruje.

Karol Grajder poslije završenog doktorata postaje samostalna i u saradnji sa Kanađaninom Kalvinom Harlijem objavljuje rad u časopisu Nature 1990 godine, u kome pokazuju skraćivanje telomera paralelno sa starenjem ljudskih ćelija. Slijedi serija radova koja eksperimentalno pokazuje vezu između Hejflikovog limita, skraćivanja telomera i ćelijskog starenja upravo onako kako je Aleksej M. Olovnikov predviđao 20 godina ranije.

Jedino što nedostaje je potvrda za predviđanje prisustva telomeraze u ćelijama raka. Ovdje na scenu stupa Džeri Šej, naš junak sa početka teksta. Detekcija telomeraze tehnikom koju su razvile Grajder i Blakburn je išla sporo i teško. Ovo je naučnicima zainteresovanim za problem bio povod da tehniku pojednostave i usavrše tako da ona postane rutinska. Profesor Šej i njegov tim rade upravo ovo. Razvijaju jednostavnu i pouzdanu biohemijsku tehniku za detekciju telomeraze koju lako usvaja svaki kompetentni student doktorand. Tehnika nazvana TRAP postaje hit. (Rad koji opisuje tehniku objavljen 1994 godine u časopisu Science je citiran preko 8.000 puta do sada!)

Primjenom nove tehnike Džeri Šej i njegov tim pokazuju da je enzim telomeraza neaktivan u našim somatskim ćelijama. U liniji sa predviđanjem Alekseja M. Olovnikova ćelije raka posjeduju izuzetno visoki nivo enzima telomeraze. Naknadni radovi su pokazali da je reaktivacija telomeraze korak koji ćelije raka čini “besmrtnim” izazivajući njihovo nekontrolisano dijeljenje i konačno smrt organizma. Krug se ovim zatvara. Sva predviđanja Alekseja Olovnikova su eksperimentalno potvrđena.

Nobelova nagrada za telomere

Biologija telomera postaje svojevrsni biomedicinski hit. Raste broj laboratorija koje interesuju veze između telomera i starenja. Obzirom da je enzim telomeraza aktivan u ćelijama raka inaktivacija telomeraze postaje interesantna kao potencijalna terapija. Paralelno sa ovim istraživanjima produbljuju se istraživanja molekularne strukture telomera.

Otkriva se zašto su telomere Ahilove tetive genoma. Ćelije interpretiraju nezaštićene krajeve DNK molekule kao DNK lomove koji postaju meta reparacionih enzima. Funkcija telomera je da “sakriju” krajeve DNK molekule na način da ih reparacioni DNK mehanizmi ne otkriju. Ovo se postiže time što telomera gubi linearnu strukturu i postaje petlja poznata kao T-petlja.

Za transformaciju linearne strukture u petlju odgovorni su proteini koji se vežu isključivo za telomerne DNK sekvence. Postaje jasno da su telomere integrisane u ćelijske reparacione mehanizme.

Postaje jasnije i evoluciono porijeklo telomeraze i njena struktura. Telomeraza je enzim koji koristi RNK templat da sintetiše telomerne DNK sekvence. Ovakvi enzimi se zovu reverzne transkriptaze. Duboka evoluciona istraživanja pokazuju da je telomeraza nešto poput obrnutog transpozona ili retrotranpozona koji vodi porijeklo od virusa. Nastanak telomeraze je vezan za porijkelo eukariotske ćelije kada se po prvi put u evoluciji pojavljuje genom u fragmentima (hromozomi). Bakterije i arheje uglavnom posjeduju cirkularni nefragmentisani genom za koji telomeraza nije potrebna jer njihova DNK nema krajeve.

Sva ova istraživanja formiraju interesantan biomedicinsko-evolucioni narativ  koji je zainteresovao Nobelov komitet. Nobelova nagrada za medicinu dodijeljena je 2009 godine Elizabeti Blakburn, Karol Grajder i Džeku Šostaku. Alekseja Olovnikova Nobelov komitet ignoriše.

Mjerenje telomera

U međuvremenu biologija telomera, ovjenčana Nobelovim priznanjem postaje zrela istraživačka oblast. Sa zrelošću u modernoj nauci rastu i komercijalni interesi. Obzirom da je dužina telomera dobar pokazatelj bioloških godina sasvim sigurno postoji tržište za servise koji precizno određuju biološke godine. Vi možete hronološki imati 50 godina. Vaše biološke godine, diktirane životnim stilom koji vodite, mogu biti ili ispod, ili iznad ove brojke, ili u liniji sa njome. Poznato je da izlaganje stresu vodi ka skraćivanju telomera. Socio-ekonomski status isto tako utiče na dužinu telomera. Osobe sa sklonošću ka kardiovaskularnim oboljenjima imaju kraće telomere itd.

Osnivaju se komercijalne kompanije koje za nekoliko stotina dolara ili eura mogu da preko telomera procijene vaše biološke godine. Elizabeta Blakburn osniva kompaniju Telomere Diagnostics Inc. Ako pošaljete uzorak na anlizu kažu vam koliko imate godina u Telo-godinama. Marija Blasko iz Madrida, bivša post-doktorantkinja Karol Grajder, poznata po kreaciji transgenog miša bez telomeraze, osniva prvu evropsku kompaniju za mjerenje telomera, Life Length.

Ali, nastaju problemi. Jedan novinar šalje svoj uzorak na analizu na dvije različite adrese. Pretpostavimo da novinar ima 50 godina. Jedan servis mu kaže da su njegove biološke godine 40. Drugi servis mu kaže da su njegove biološke godine 60. Kome servisu vjerovati? Oba garantuju da je njihova analiza precizna. Jedan od servisa ili možda čak oba griješe.

Idealne okolnosti za profesora Džerija Šeja da tehničku ekspertizu njegovog tima usmjeri ka rješenju problema preciznog mjerenja telomera. Na sličan način na koji je riješio problem detekcije enzima telomeraze 1994 godine i time stvorio uslove za preciznu biohemijsku analizu.

Na pominjanom skupu u Edinburgu proveo sam prijatnu večeru u društvu sa Džerijem Šejom i još par kolega. Slušao sam i njegovo predavanje na kome je detaljno opisao novu tehniku za mjerenje telomere, TESLA (akronim Telomere Shortest Length Assay). Obzirom da duže od dvije decenije učestvujem u istraživanjima vezanim za biologiju telomera dobro mi je poznato kako je teško mjeriti njihovu dužinu precizno.

Komercijalni servisi obično mjere prosječnu dužinu svih telomera. Broj telomera u ljudskom genomu je 184 (broj hromozoma pomnožen brojem 4, pošto svaki hromozom ima 4 telomere). Ako mjerite samo prosjek postoje šanse da ignorišete najkraće telomere koje su najkritičnije za funkciju genoma. Tim profesora Šeja je razvio metodu koja mjeri sve telomere precizno. Kao oprezni i tehnički potkovani istraživač profesor Šej je zamolio nekoliko laboratorija da testiraju TESLA tehniku nezavisno od njega i sami procijene njenu preciznost. Sve ukazuje da se radi o najpreciznijoj do sada tehnici za mjerenje dužine telomera. Tehnika je superiornija od tehnike STELA koja se do sada smatrala najpreciznijom. Tek kada su nezavisne laboratorije dale zeleno svjetlo tehnici profesor Šej je rad koji opisuje TESLA tehniku poslao u štampu.

Interesantno, na skupu u Edinburgu smo saznali da je mjerenje dužine telomera postalo popularno među evolucionim biolozima. Naime, kratke telomere u populacijama divljih životinja su indikator njihove slabe vitalnosti. Budućnost sa novom tehnikom TESLA, koja je jednako uspješna u svim genomima, je obećavajuća.

Džeri Šej i Tesla

Profesora Šeja sam tokom večere pitao kako je došao na ideju da tehniku za mjerenje telomera nazove TESLA. Meni je, naravno, kao i bilo kome sa prostora kulturne sredine koja se nekada zvala Jugoslavija bilo interesantno da saznam da li je profesor Šej kroz ime tehnike htio da oda priznanje Nikoli Tesli, ili iza imena stoji nešto drugo.

Vozeći se jednog jutra na posao profesor Šej je upao u saobraćajnu gužvu negdje na ulicama Dalasa. Razmišljajući, tokom saobraćajnog zastoja, o mogućem imenu nove tehnike ugledao je simbol u obliku slova T na automobilu ispred njegovog i natpis TESLA. Počeo je da izgovara naglas TESLA i STELA  dok mu se iznenada nisu složile kockice za novo ime tehnike.

Sa novim imenom nikada ne možete predvidjeti kako će ga korisnici primiti. Kada je došao u laboratoriju osoblju je ispričao jutarnju epizodu. Ime TESLA se svima odmah dopalo. Vremenom se odomaćilo u laboratoriji. Nezavisne laboratorije koje su tehniku testirale dale su do znanja timu profesora Šeja da je ime tehnike dobro odabrano.

Ova epizoda koja Nikolu Teslu povezuje sa genetikom je primjer indirektnog kulturološkog uticaja Teslinih ideja na četvrtu industrijsku revoluciju. Izumitelji električnog automobila Tesla su našem geniju odali direktno priznanje. Danas električni automobil Tesla možete vidjeti na putevima širom Amerike i zapadne Evrope.

Dakle, veličina Teslinog genija se ne mjeri samo uticajem njegovih primarnih otkrića. Kada primarna otkrića postanu istinski dio civilizacije onda se iz njih stvara kulturološki plodno tlo iz koga niču sekundarni proizvodi koje učesnici u civilizacijskom procesu često ne mogu da razdvoje od okoline. Naprosto kao vazduh koji udišete. Ne pitate se od čega je vazduh napravljen kao što se profesor Šej nije odmah pitao o porijeklu imena automobila Tesla.

Naravno, profesor Šej zna ko je bio Nikola Tesla. Kroz šalu mi je rekao da se boji tužbe od strane korporacije Tesla Inc. zbog korištenja imena.