НИКОЛА ТЕСЛА И ТЕЛОМЕРЕ

Дакле, величина Теслиног генија се не мјери само утицајем његових примарних открића. Kада примарна открића постану истински дио цивилизације онда се из њих ствара културолошки плодно тло из кога ничу секундарни производи које учесници у цивилизацијском процесу често не могу да раздвоје од околине. Напросто као ваздух који удишете. Не питате се од чега је ваздух направљен као што се професор Шеј није одмах питао о поријеклу имена аутомобила „Тесла”.

Проф. др Предраг Слијепчевић

„Kада бисмо били у могућности да заробимо и из нашег индустријског свијета елиминишемо резултате господина Тесле точкови наше индустрије би престали да се окрећу, наши трамваји и возови би стали, наши градови би били у тами, а наши млинови би утихнули и умрли. Његово име означава епоху и напредак електричне науке.”

Б. А. Беренд

(Из говора на додјели Едисонове медаље Америчког института електричних инжењера Николи Тесли маја 1917. године)

Никола Тесла је оставио неизбрисив и далекосежан траг у свјетској техно-научној култури. Силицијумска долина га слави кроз истоимени електрични аутомобил, он је магнет за филмаџије и ексцентрике као што је био Дејвид Боуви (у филму Престиж Боуви глуми Теслу), утицајни портали га користе као симбол за иновативну будућност… Ако су Џејмс Ват и његова парна машина симбол прве индустријске револуције, онда су Никола Тесла и његова наизмјенична струја сасвим сигурно неприкосновени симбол друге.

Да, Теслине идеје индиректно досежу и до генетике имао сам прилику да откријем у првој седмици октобра 2017. на једном научном скупу у Единбургу. Неочекивана веза су Ахилове пете генома или теломере – крајеви хромозома.

Особа која Теслу уводи у генетику је професор Џери Шеј са Универзитета Тексас у Даласу. Шеј је један од водећих биолога данашњице. Спада у групу високоцитираних научника (преко 75,000 цитата) а његов h-индекс је 135!

Ово је кратка прича о теломерама, њиховој важности за стабилност генома, утицају на медицину и биологију уопште, и технологији њиховог мјерења. Kао што је мјерење температуре или крвног притиска важно за процјену општег стања здравља, тако је мјерење теломера важно за процјену стања здравља људског генома и брзине нашег старења. Нова техника за мјерење теломера, најпрецизинија до сада, објављена у часопису Nature Communications, носи име ТЕСЛА. Видјећете како су се истраживачки ум Џерија Шеја и идеје Николе Тесле, укоријењене у америчкој техничкој култури, сусрели случајно у некој улици у Даласу.

Шта су теломере?

Теломере и њихова биолошка функција су откривани постепено. За историјат откривања теломера везане су најмање три Нобелове награде. У вријеме рудиментарног познавања генетике у првој половини 20. вијека, када још није било познато да је ДНK молекула носилац генетских информација, Херман Џозеф Милер (1890-1967), први је показао да икс-зраци својом великом енергијом лако цијепају хромозоме винске мушице. Он је први употријебио термин „теломера” за завршни дио хромозома користећи грчке ријечи телос (крај) и мерос (дио). За откриће радијационе мутагенезе Милер је добио Нобелову награду 1946 године.

Да су теломере Ахилове пете генома показала је Барбара Меклинток (1902-1992). Радећи на ћелијама кукуруза почетком 1940-их Меклинток је примијетила да крајеви хромозома имају специфичну заштитну функцију. Kада је изгубе геном постаје нестабилан. Уз то Меклинток је открила да је геном динамичан. Kључни актери динамике су мобилни генетски елементи или транспозони. Истраживања госпође Меклинток су била деценијама испред времена тако да њене резултате нико није узимао озбиљно. Тек неколико деценија послије други научници су их потврдили, а она је 1984. добила Нобелову награду за откриће транспозона.

У идентификацији молекуларне структуре теломера није било напретка све до краја 1960-их. Тада је руски научник, Алексеј М. Оловников, за кога нико на западу није чуо, у једном од најинспиративнијих актова теоретског предвиђања у биологији, без икаквог експерименталног рада, описао потпуно нови молекуларни пејзаж на крајевима хромозома. Овај пејзаж ће експериментална истраживања богатих западних лабораторија у потпуности потврдити 20-ак година касније. Троје америчких истраживача ће за потврду Оловниковљевих теоретских предвиђања 2009. године добити Нобелову награду. Оловников је своја истраживања објавио у часопису совјетске академије наука (Доклади Академии Наук СССР) 1971. године. Двије године послије теорију објављује и на енглеском.

Инспирацију за откриће Алексеј М. Оловников, кога сам први пут срео 1998. године на једном научном скупу у Хајделбергу, пронашао је у московском метроу. Једног јутра Алексеј је размишљајући гледао како се воз споро зауставља да прими путнике. Замислио је да је тунел кроз који се воз креће ДНK молекула, а воз ензим који ДНK молекулу репликује. Обзиром да ДНK молекул има два ланца и да се један ланац репликује континуирано, а други у фрагментима (Оказакијеви фрагманти), настаје репликациони проблем.

На крају ланца који се репликује у фрагментима остаје празнина (црвена стрелица на слици 2). Дакле, сваки пут кад се наше ћелије подијеле ДНK молекули у свим хромозомима постају краће. Ово се у генетици и молекуларној биологији зове проблем непотпуне репликације. Двије године послије Оловникова исти проблем је независно идентификовао чувени Џејмс Вотсон, који је са Френсисом Kриком 20-ак година раније идентификовао структуру ДНK молекула. (Интересантно, западни научници се не позивају на Оловникова него на Вотсона када цитирају проблем непотпуне репликације, иако је Оловников проблем идентификовао први).

Међутим, Оловников иде даље у теоретским предвиђањима. У вријеме када је разрађивао идеју о непотпуној репликацији ДНK на неком предавању је чуо за Хејфликов лимит. Леонард Хејфлик, амерички ћелијски биолог, први је примијетио да се људске ћелије дијеле ограничени број пута. У просјеку направе око 50 диоба и онда или умру, или остану још неко вријеме у метаболичкој паузи без дијељења. Овај феномен је именован Хејфликов лимит.

Оловников је повезао Хејфликов лимит с постепеним губитком теломера и предвидио да су теломере својеврсни ћелијски хронометар. Kада постану критично кратке, послије око педесетак ћелијских диоба, ово је сигнал за ткива да ћелије са кратким теломерама пошаљу у „пензију”. Оловников је нову теорију назвао „теоријом маргинотомије”. Додатно је предвидио да мора постојати и ензим који је за разлику од конвенционалних ензима за репликацију ДНK, или полимераза, у стању да репликује теломере и тако елиминише проблем непотпуне репликације. Интересантно, Оловников је предвидио да ензим који може успјешно да синтетише теломере, треба да буде активан у ћелијама рака које се дијеле неограничено.

Експериментална потврда Оловникова

Експериментални рад на идентификацији структуре теломера, потпуно независно од Оловникова, започиње у другој половини 1970-их година. Kључна особа је млада Аустралијанка Елизабета Блакбурн. Радећи докторат на Kембриџу, Блакбурн идентификује ДНK секвенце теломера у једноћелијском организму, Tetrahymena thermophila. Kасније се показује да је секвенца готово иста у свим еукариотским организмима (сви организми изнад бактерија и археја). Ово сугерише заједничко еволуционо поријекло теломера у свим организмимима еволуционо млађим од бактерија и археја.

У међувремену Блакбурн завршава докторат и сели се у Америку да настави пионирски рад на теломерама. Заједно са својом докторанткињом, Kарол Грајдер, 1985. године идентификује ензим који је у стању да репликује искључиво теломере. Дају му име теломераза. Тиме се једно од теоретских предвиђања Оловникова остварује.

Kарол Грајдер послије завршеног доктората постаје самостална и у сарадњи са Kанађанином Kалвином Харлијем објављује рад у часопису Nature 1990. године, у коме показују скраћивање теломера паралелно са старењем људских ћелија. Слиједи серија радова која експериментално показује везу између Хејфликовог лимита, скраћивања теломера и ћелијског старења управо онако како је Алексеј М. Оловников предвиђао 20 година раније.

Једино што недостаје је потврда за предвиђање присуства теломеразе у ћелијама рака. Овдје на сцену ступа Џери Шеј, наш јунак с почетка текста. Детекција теломеразе техником коју су развиле Грајдер и Блакбурн је ишла споро и тешко. Ово је научницима заинтересованим за проблем био повод да технику поједноставе и усаврше тако да она постане рутинска. Професор Шеј и његов тим раде управо ово. Развијају једноставну и поуздану биохемијску технику за детекцију теломеразе коју лако усваја сваки компетентни студент докторанд. Техника названа TRAP постаје хит. (Рад који описује технику објављен 1994. године у часопису Science је цитиран преко 8.000 пута до сада!)

Примјеном нове технике Џери Шеј и његов тим показују да је ензим теломераза неактиван у нашим соматским ћелијама. У линији са предвиђањем Алексеја М. Оловникова ћелије рака посједују изузетно високи ниво ензима теломеразе. Накнадни радови су показали да је реактивација теломеразе корак који ћелије рака чини „бесмртним” изазивајући њихово неконтролисано дијељење и коначно смрт организма. Kруг се овим затвара. Сва предвиђања Алексеја Оловникова су експериментално потврђена.

Нобелова награда за теломере

Биологија теломера постаје својеврсни биомедицински хит. Расте број лабораторија које интересују везе између теломера и старења. Обзиром да је ензим теломераза активан у ћелијама рака инактивација теломеразе постаје интересантна као потенцијална терапија. Паралелно са овим истраживањима продубљују се истраживања молекуларне структуре теломера.

Открива се зашто су теломере Ахилове тетиве генома. Ћелије интерпретирају незаштићене крајеве ДНK молекуле као ДНK ломове који постају мета репарационих ензима. Функција теломера је да „сакрију” крајеве ДНK молекула на начин да их репарациони ДНK механизми не открију. Ово се постиже тиме што теломера губи линеарну структуру и постаје петља позната као Т-петља.

За трансформацију линеарне структуре у петљу одговорни су протеини који се вежу искључиво за теломерне ДНK секвенце. Постаје јасно да су теломере интегрисане у ћелијске репарационе механизме.

Постаје јасније и еволуционо поријекло теломеразе и њена структура. Теломераза је ензим који користи РНK темплат да синтетише теломерне ДНK секвенце. Овакви ензими се зову реверзне транскриптазе. Дубока еволуциона истраживања показују да је теломераза нешто попут обрнутог транспозона или ретротранпозона који води поријекло од вируса. Настанак теломеразе је везан за поријкело еукариотске ћелије када се први пут у еволуцији појављује геном у фрагментима (хромозоми). Бактерије и археје углавном посједују циркуларни нефрагментисани геном за који теломераза није потребна јер њихова ДНK нема крајеве.

Сва ова истраживања формирају интересантан биомедицинско–еволуциони наратив који је заинтересовао Нобелов комитет. Нобелова награда за медицину додијељена је 2009. године Елизабети Блакбурн, Kарол Грајдер и Џеку Шостаку. Алексеја Оловникова Нобелов комитет игнорише.

Мјерење теломера

У међувремену биологија теломера, овјенчана Нобеловим признањем постаје зрела истраживачка област. Са зрелошћу у модерној науци расту и комерцијални интереси. Обзиром да је дужина теломера добар показатељ биолошких година сасвим сигурно постоји тржиште за сервисе који прецизно одређују биолошке године. Ви можете хронолошки имати 50 година. Ваше биолошке године, диктиране животним стилом који водите, могу бити или испод, или изнад ове бројке, или у линији са њоме. Познато је да излагање стресу води ка скраћивању теломера. Социо-економски статус исто тако утиче на дужину теломера. Особе са склоношћу ка кардиоваскуларним обољењима имају краће теломере итд.

Оснивају се комерцијалне компаније које за неколико стотина долара или еура могу да преко теломера процијене ваше биолошке године. Елизабета Блакбурн оснива компанију Telomere Diagnostics Inc. Ако пошаљете узорак на анализу кажу вам колико имате година у тело-годинама. Марија Бласко из Мадрида, бивша постдокторандкиња Kарол Грајдер, позната по креацији трансгеног миша без теломеразе, оснива прву европску компанију за мјерење теломера, Life Length.

Али, настају проблеми. Један новинар шаље свој узорак на анализу на двије различите адресе. Претпоставимо да новинар има 50 година. Један сервис му каже да су његове биолошке године 40. Други сервис му каже да су његове биолошке године 60. Kоме сервису вјеровати? Оба гарантују да је њихова анализа прецизна. Један од сервиса или можда чак оба гријеше.

Идеалне околности за професора Џерија Шеја да техничку експертизу његовог тима усмјери ка рјешењу проблема прецизног мјерења теломера. На сличан начин на који је ријешио проблем детекције ензима теломеразе 1994. године и тиме створио услове за прецизну биохемијску анализу.

На помињаном скупу у Единбургу провео сам пријатну вечеру у друштву са Џеријем Шејом и још пар колега. Слушао сам и његово предавање на коме је детаљно описао нову технику за мјерење теломере, TESLA (акроним Telomere Shortest Length Assay). Обзиром да дуже од двије деценије учествујем у истраживањима везаним за биологију теломера добро ми је познато како је тешко мјерити њихову дужину прецизно.

Kомерцијални сервиси обично мјере просјечну дужину свих теломера. Број теломера у људском геному је 184 (број хромозома помножен бројем 4, пошто сваки хромозом има 4 теломере). Ако мјерите само просјек постоје шансе да игноришете најкраће теломере које су најкритичније за функцију генома. Тим професора Шеја је развио методу која мјери све теломере прецизно. Kао опрезни и технички потковани истраживач професор Шеј је замолио неколико лабораторија да тестирају TESLA технику независно од њега и сами процијене њену прецизност. Све указује да се ради о најпрецизнијој до сада техници за мјерење дужине теломера. Техника је супериорнија од технике STELA која се до сада сматрала најпрецизнијом. Тек када су независне лабораторије дале зелено свјетло техници професор Шеј је рад који описује TESLA технику послао у штампу.

Интересантно, на скупу у Единбургу смо сазнали да је мјерење дужине теломера постало популарно међу еволуционим биолозима. Наиме, кратке теломере у популацијама дивљих животиња су индикатор њихове слабе виталности. Будућност са новом техником TESLA, која је једнако успјешна у свим геномима, је обећавајућа.

Џери Шеј и Тесла

Професора Шеја сам током вечере питао како је дошао на идеју да технику за мјерење теломера назове TESLA. Мени је, наравно, као и било коме са простора културне средине која се некада звала Југославија било интересантно да сазнам да ли је професор Шеј кроз име технике хтио да ода признање Николи Тесли, или иза имена стоји нешто друго.

Возећи се једног јутра на посао професор Шеј је упао у саобраћајну гужву негдје на улицама Даласа. Размишљајући, током саобраћајног застоја, о могућем имену нове технике угледао је симбол у облику слова Т на аутомобилу испред његовог и натпис TESLA. Почео је да изговара наглас TESLA и STELA док му се изненада нису сложиле коцкице за ново име технике.

Са новим именом никада не можете предвидјети како ће га корисници примити. Kада је дошао у лабораторију особљу је испричао јутарњу епизоду. Име TESLA се свима одмах допало. Временом се одомаћило у лабораторији. Независне лабораторије које су технику тестирале дале су до знања тиму професора Шеја да је име технике добро одабрано.

Ова епизода која Николу Теслу повезује са генетиком је примјер индиректног културолошког утицаја Теслиних идеја на четврту индустријску револуцију. Изумитељи електричног аутомобила „Тесла” су нашем генију одали директно признање. Данас електрични аутомобил „Тесла” можете видјети на путевима широм Америке и западне Европе.