ZDA bodo doživele beg možganov

Raziskovalka na področju molekularne biologije dr. Tina Lebar se je nedavno po več kot petih letih, preživetih na podoktorskem raziskovanju na univerzi Harvard, vrnila v Slovenijo. Svoje delo nadaljuje na Kemijskem inštitutu, na odseku za sintezno biologijo in imunologijo, kjer bo vodila projekt EditYR, s katerim je bila uspešna na razpisu Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) za sredstva za začetek samostojne raziskovalne kariere.

Shema projektov ERC temelji na iskanju najbolj prodornih raziskovalnih idej, projekti za začetek samostojne raziskovalne kariere pa nosilcem zagotavljajo večletno finančno neodvisnost in omogočajo oblikovanje lastne raziskovalne skupine. V projektu bo razvijala tehnologije za urejanje genskega zapisa, ki bodo presegle omejitve trenutnih orodij.

Kateri so cilji projekta?

Cilj projekta je povečati učinkovitost, varnost in trajnost terapij za zdravljenje genskih bolezni, to je bolezni, ki jih povzročajo prirojene napake v dednem oziroma genskem zapisu.

Trenutne napredne terapije so utemeljene na dostavi »zdravih« kopij okvarjenih genov v celice, vendar se ti sčasoma izgubijo ali pa se naključno vstavijo v genski zapis, kar lahko povzroči dodatne zdravstvene zaplete. Trajna in varna rešitev so molekularna orodja, ki lahko ciljajo na natančno določena, skrbno izbrana, varna mesta v genskem zapisu in tja trajno vstavijo zdravo kopijo okvarjenega gena.

Primer takšnega orodja je sistem CRISPR, za katerega sta leta 2020 Jennifer Doudna in Emmanuelle Charpentier prejeli Nobelovo nagrado. To je odlično orodje, brez katerega marsikatero odkritje v zadnjem desetletju ne bi bilo mogoče. Njegova glavna prednost je v tem, da lahko z njim natančno ciljamo na skoraj katerokoli mesto v genskem zapisu. Tam genski zapis »razreže«, zato mu pogosto rečemo tudi molekularne škarje. To vlogo opravi odlično, vstavljanje oziroma »lepljenje« novih, predvsem velikih genov pa mu ne gre najbolje – za to izkoristi naravne mehanizme gostiteljske celice, pri čemer lahko povzroči dodatne napake, hkrati pa takšen mehanizem ni učinkovit. Potrebujemo torej orodje, ki poleg natančnega ciljanja skrbno izbranih mest lahko tudi učinkovito vstavi velike terapevtske gene.

Gensko zdravljenje redkih bolezni, nova prelomnica v medicini

V projektu se bomo ukvarjali z encimi, imenovanimi rekombinaze. Delujejo kot lepilo in škarje hkrati – en sam encim lahko genski zapis razreže in v zarezo natančno prilepi nov, velik kos brez dodatnih napak, v nasprotju s sistemom CRISPR pa jih ne znamo ciljati na katerokoli mesto. Glavni cilj projekta je iskanje novih načinov za natančno ciljanje rekombinaz na izbrana mesta v genskem zapisu, trudili pa se bomo tudi izboljšati njihovo učinkovitost. Varnost je zelo pomembna pri vsakršni terapiji, zato bomo poiskali, preverili in skrbno izbrali mesta v genskem zapisu, kjer lepljenje novih genov ne zmoti normalnega delovanja celice.

»Področje genskih terapij se etičnih vprašanj dobro zaveda. Te terapije niso namenjene boleznim, ki jih je mogoče zdraviti z uveljavljenimi zdravili, temveč boleznim s slabo prognozo, kjer drugih, boljših rešitev ni.« FOTO: Leon Vidic

Katere bolezni imate v mislih?

Nekatere genske bolezni povzročajo mutacije oziroma napake v zelo velikih genih. Teh napak je lahko veliko, lahko se tudi močno razlikujejo med posameznimi pacienti. Če nam zdravo kopijo okvarjenega gena uspe trajno »prilepiti« na varno mesto v genskem zapisu, bi bila takšna terapija univerzalna in neodvisna od tega, kakšna je napaka v genu. Primeri so denimo hemofilija A, cistična fibroza in mišična distrofija.

Naša orodja so le eden od pomembnih korakov proti takšnim terapijam. Zavedati se moramo, da poleg potrebe po takšnih orodjih obstajajo še dodatne ovire, ki jih rešujejo strokovnjaki na sorodnih področjih. Za premik proti klinični uporabi bodo ključne prihodnje povezave in sodelovanje med različnimi vedami.

Lahko podrobneje razložite, kaj so rekombinaze in kakšna je njihova vloga v našem telesu?

Rekombinaze so majhni encimi, ki so razširjeni skozi celotno drevo življenja, največ pa jih je v različnih mikrobih. Ena od njihovih glavnih nalog je premeščanje velikih kosov genskega zapisa, ki jim pravimo mobilni genski elementi. Ti velikokrat vsebujejo gene, ki organizmu dajejo neko prednost, na primer gene za odpornost proti antibiotikom. Včasih smo tem elementom rekli »sebični geni«, saj smo mislili, da se premeščajo kar sami, danes pa vemo, da so za to odgovorni različni encimi, med drugim rekombinaze. Njihovo sposobnost premeščanja genskega materiala lahko z nekaj iznajdljivosti izkoristimo za nove naloge tudi v višjih organizmih, na primer za »urejanje« genskega zapisa z namenom zdravljenja genskih bolezni.

Ideja o uporabi rekombinaz za urejanje genskega zapisa se je pravzaprav pojavila že pred kakšnimi tremi desetletji, vendar teh encimov nismo dovolj dobro razumeli, da bi jih lahko polno izkoristili. Znanost napreduje v koraku s tehnologijo in kljub nekaterim pomembnim dosežkom se je na tem področju premikalo počasi, saj še nismo poznali zelo zmogljivih metod, ki jih poznamo danes. Eden od mejnikov je bilo tudi odkritje sistema CRISPR, ki je zaradi možnosti enostavnega ciljanja nekako preusmeril pozornost in postavil starejše ideje na stranski tir.

Nekatere metode za usmerjanje encimov na nove tarče že obstajajo, vendar je njihova zmogljivost relativno nizka. V projektu EditYR si želimo zmogljivost teh metod povečati in tako ustvariti celo vrsto novih orodij, pri tem pa bomo uporabljali veliko, a do danes slabo raziskano družino rekombinaz.

Projekt temelji na mojem podoktorskem delu, opravljenem v ZDA, med katerim smo prvič pokazali, da ta družina deluje v človeških celicah. Naš pristop k načrtovanju novih encimov je drugačen od trenutnih metod in združuje napredne eksperimentalne postopke z bioinformacijskimi analizami naravnih zaporedij iz javno dostopnih podatkovnih zbirk.

Pri genskem inženiringu je še veliko etičnih vprašanj. Zlorabe so vedno možne.

Vsekakor. Področje genskih terapij se etičnih vprašanj dobro zaveda. Te terapije niso namenjene boleznim, ki jih je mogoče zdraviti z uveljavljenimi zdravili, temveč boleznim s slabo prognozo, kjer drugih, boljših rešitev ni. Varnost je vedno na prvem mestu.

Gre sicer za tehnologije, za uporabo katerih je potrebno specifično znanje in jih težko zlorabi kar kdorkoli. Seveda je vedno možno, da jih zlorabijo strokovnjaki – v teh primerih to težko preprečimo. Prav zato obstajajo stroga pravila in etične komisije.

Koliko pri svojem delu uporabljate modele umetne inteligence, na primer alphafold, sistem, ki na podlagi zaporedja aminokislin predvidi 3D-zgradbo beljakovin, za katerega so ustvarjalci lani prav tako dobili Nobelovo nagrado?

Za moje delo je alphafold izredno koristno orodje, saj naš pristop načrtovanja novih rekombinaz delno temelji tudi na njihovi zgradbi. Strukturne podobnosti in razlike lahko pojasnijo marsikaj o njihovem delovanju, eksperimentalno določenih zgradb za našo družino rekombinaz pa ni na voljo veliko. Projekta smo se lotili leta 2019, pred novodobno »ero« umetne inteligence v biološkem inženiringu – takratna orodja za modeliranje struktur niso bila zelo natančna, alphafold pa nam je kasneje omogočil izredno hitro napredovanje.

Vsekakor je treba poudariti, da takšni modeli lahko pomagajo pri načrtovanju poskusov, rezultatom pa ne smemo vedno povsem verjeti, saj gre vendarle za »halucinacije«. Alphafold in podobni modeli ne razumejo biokemijskih in biofizikalnih principov, ampak le prepoznavajo vzorce po učenju na znanih podatkih. Poleg tega velja opozoriti, da uspeh alphafolda in podobnih metod ne bi bil mogoč brez desetletij trdega dela raziskovalcev, ki so eksperimentalno določili več kot 200.000 danes znanih tridimenzionalnih struktur beljakovin, na katerih se modeli učijo.

Umetna inteligenca je sicer zelo širok pojem, obsega velik skupek različnih tehnologij, večinoma računske metode za obdelavo velikih količin podatkov in strojno učenje. Povečevanje zmogljivosti eksperimentalnih metod pomeni tudi večje količine podatkov, ki jih včasih naši možgani niso več sposobni sami obdelati. V tujini sem se želela izpopolniti tudi na tem področju, prav tako bomo takšna orodja uporabljali v projektu EditYR.

»Skupine na Harvardu nisem izbrala zaradi znanega imena, temveč zaradi skupnih znanstvenih interesov ter njihovega strokovnega znanja v metodah, ki sem se jih želela naučiti.«  FOTO: Leon Vidic  

Menite, da bodo ti modeli prinesli preboj na vašem področju?

Že danes prebojna odkritja v vedah o življenju pogosto uporabljajo bioinformacijska orodja, tudi orodja umetne inteligence. Takšne veščine in znanje bodo po mojem mnenju ključni za tehnološki napredek v biomedicini, okoljevarstvu, trajnostnem razvoju. Kolegom in mlajšim raziskovalcem vsekakor priporočam, da se na tem področju izobrazijo vsaj toliko, da bodo razumeli, kakšne so možnosti. Tako lažje načrtujemo poskuse v laboratoriju, predvsem pa to znanje olajša sodelovanje s strokovnjaki, tudi če sami ne znamo natipkati kode od začetka do konca.

Dobrih pet let ste preživeli na Harvardu. Kakšne so vaše izkušnje – pozitivne in negativne?

Seveda se povsod najdejo plusi in minusi, ampak omembe vrednih slabih izkušenj pravzaprav nimam, tam sem se počutila odlično. Harvard je velika in izvrstno organizirana univerza, kar ima, jasno, številne prednosti. Vendar skupine na Harvardu nisem izbrala zaradi znanega imena, temveč zaradi skupnih znanstvenih interesov in njihovega strokovnega znanja v metodah, ki sem se jih želela naučiti. Sodelovala sem z odličnimi raziskovalci, s katerimi smo se dobro razumeli tudi na osebni ravni. Prav tako sem imela izjemnega mentorja, ki mi je omogočil samostojnost, hkrati pa je bil vedno na voljo za pomoč, ko sem jo potrebovala.

Včasih od Slovencev v tujini vseeno slišimo, da se kljub vsemu počutijo kot tujci. Ste tudi vi kdaj imeli tak občutek?

Ne, včasih sem se počutila še skoraj bolj domače kot tu (nasmeh). Verjetno sem imela srečo, da sem bila obkrožena z ljudmi, ki so mi to omogočali. Raziskovalna skupina je bila izrazito mednarodna, vsak je prinesel košček svoje kulture in vsi smo nekako razumeli izkušnjo selitve daleč od doma. Nikoli se nisem počutila, da tja ne spadam.

Svet ima vsekakor nekakšno stereotipno predstavo o življenju v ZDA.

Amerika je zelo velika in raznolika. Živela sem v Bostonu, ki je ena najstarejših angleških naselbin v ZDA in velja za eno najbolj »evropskih« ameriških mest, tako po arhitekturi kot po kulturi. Ima pa Boston prav tako svoje stereotipe – gre za univerzitetno mesto in hkrati svetovno prestolnico biotehnologije, med prebivalci je veliko visokoizobraženih ljudi z vsega sveta, tako da bostonski naglas, ki ga poznamo iz filmov, slišiš le redko. Velja pa tudi za eno najdražjih ameriških mest, predvsem kar zadeva najemnine, in to vsekakor lahko potrdim.

Na splošno eden najbolj kritičnih stereotipov leti na ameriško hrano, ki velja za nezdravo, vendar je tako kot drugod: z nekaj iznajdljivosti in motivacije lahko najdeš zelo dobro in zdravo hrano, tudi po razmeroma nizkih cenah. Drugi znan stereotip je varnost – za tega mislim, da je odvisen od okolja. Sama sem se v Bostonu vedno počutila varno, kolegica, ki je nekaj mesecev živela v Chicagu, pa ima precej drugačne izkušnje.

Harvard FOTO: Faith Ninivaggi Reuters  

Za odhod iz ZDA ste se odločili še pred nastopom Trumpove administracije, ki se je lotila tudi ameriških univerz. Harvardu so med drugim zagrozili z obsežnim odvzemom sredstev, univerza je nato sprožila protiudarec s tožbo. Kako gledate na aktualno dogajanje?

S partnerjem sva vrnitev v Slovenijo načrtovala že ob odhodu v tujino in lahko rečem, da sva imela kar srečo z izbiro obdobja. Konkretne korake za vrnitev sva začela delati pred dobrim letom in pol, da je ta sovpadla s političnimi dogodki, je bilo naključje. Ker za odhod iz ZDA večini sodelavcev nisem povedala do zadnjih tednov, so me v glavnem spraševali, ali odhajam zaradi politike.

Med kolegi je veliko zaskrbljenosti – časi so zelo negotovi. Poleg načrtnega napada na elitne univerze je na tapeti celotna znanstvena skupnost, saj se je močno zmanjšal proračun za raziskovanje, odvzemajo celo že pridobljena sredstva za tekoče projekte. Ljudje ne vedo niti, ali bodo obdržali službo, kar gotovo še dodatno vpliva na moralo in produktivnost. Negotovost je tudi glede samega življenja v ZDA, predvsem za mednarodne raziskovalce, ki niso državljani. Ob potovanju v tujino niti zelena karta ni dovolj za zagotovljeno vrnitev. Kolegi, ki so bili trdno prepričani, da bodo ostali v ZDA, zdaj razmišljajo o drugih možnostih. Če bi bila še tam, bi najbrž prav tako dokaj hitro začela razmišljati o odhodu.

Takšno dogajanje bo imelo velik ekonomski vpliv in bo upočasnilo ali celo ustavilo znanstveni napredek na nekaterih kritičnih področjih. Politično motivirana dejanja, usmerjena proti raziskovalnim ustanovam, bodo še dodatno zamajala zaupanje javnosti v znanost, ZDA pa bodo gotovo doživele beg možganov, o katerem pogosto slišimo tudi pri nas.

Boste z nekdanjimi kolegi sodelovali pri aktualnem projektu ERC?

Projekt je tesno povezan z raziskovanjem, ki sem ga opravljala v ZDA. Formalno sodelovanje v okviru projekta trenutno sicer ni načrtovano, vendar vsekakor ostajamo v stiku, saj imamo skupne znanstvene interese – tako s skupino na Harvardu kot z nekdanjimi kolegi, ki podobno kot jaz začenjajo samostojno raziskovalno kariero na različnih koncih sveta. Sčasoma se bomo trudili organizirati tudi mednarodna gostovanja raziskovalcev med skupinami, namenjena izmenjavi tehničnih znanj in veščin.

Ste s projektom ERC že začeli, že imate ekipo?

Projekt se je uradno začel izvajati 1. aprila, ekipo pa še sestavljamo, za zdaj smo razpisali dve mesti za doktorskega študenta in podoktorskega raziskovalca. V nekaj mesecih bomo razpisali še druga.

Vas osebno v projektu čaka več laboratorijskega ali več pisarniškega dela?

Nekako tako je, da se z leti čedalje bolj pomikaš proti pisarni. Na začetku kariere se v laboratoriju učiš tehnične izvedbe metod, ko te obvladaš, lahko oblikuješ vsebinske ideje, kasneje pa jih predajaš mlajšim raziskovalcem. Najbolj aktivno je obdobje po doktoratu, ki sem ga sama preživela v ZDA. V tem obdobju delaš praktično vse: oblikuješ svoje ideje, pridobivaš finančna sredstva, vodiš izvedbo manjših projektov in mentoriraš mlajše raziskovalce, hkrati pa izvajaš poskuse v laboratoriju in še kaj bi se našlo. Čeprav se sliši naporno, se edino tako naučiš veščin, ki jih potrebuješ za vodenje večjih projektov. Slednje seveda zahteva več organizacijskega in mentorskega dela, in tako je na voljo manj časa za delo v laboratoriju. Upam sicer, da pipete še ne bom pospravila v predal, saj uživam v izvajanju poskusov.

Sicer bo večina projekta sestavljena iz laboratorijskega, manjši del pa tudi iz bioinformacijskega oziroma računalniškega dela. Projekta seveda ne bom izpeljala sama – računam na to, da bomo sestavili odlično ekipo, ki bo ključna za doseganje vrhunskih rezultatov.