Biologia molekularna w medycynie – zrozumieć życie od podstaw
Biologia molekularna to dziedzina nauki, która pozwala nam zajrzeć w głąb komórki i zrozumieć, jak działa organizm na najbardziej podstawowym poziomie – cząsteczek DNA, RNA i białek. Można powiedzieć, że to nauka o „języku życia”, który steruje wszystkim, co dzieje się w komórkach naszego ciała. Jest to nauka, która rozwija się szczególnie intensywnie w ostatnich 10-20 latach. Liczba publikacji naukowych pojawiających się w bazie PubMed, z których każda opisuje jakiś maluteńki kawałek bardzo złożonego procesu sterowania procesami molekularnymi liczona jest w setkach tysięcy, jak nie milionach. Tymczasem poziom nauczania tej najnowszej wiedzy na polskich uczelniach medycznych jest w stosunku do bieżącej wiedzy światowej na ten temat niezmiernie niski, ponieważ prawie nie ma lekarzy na uczelniach medycznych posiadających tę wiedzę. Po prostu nie uczyli się jej na studiach, bo jej wtedy jeszcze nie było, a sami z siebie jej na bieżąco nie studiowali. Wiedzę tę posiadają biolodzy molekularni pracujący na wydziałach Biologii Uniwersytetów, jednak ich spojrzenie na tę naukę najczęściej nie jest zorientowane medycznie. Biologia molekularna otwiera nową jakość w medycynie. Otwiera zupełnie nowe możliwości zrozumienia procesów molekularnych, które stoją za przyczynami chorób przewlekłych, degeneracyjnych, autoimmunologicznych i wielu innych. Chciałbym przybliżyć Państwu podstawy tej wiedzy. Dedykuję ją w szczególności studentom medycyny, którzy mogą dzięki niej wejść w zawód z zupełnie nowym spojrzeniem na wiele chorób.
Biologia molekularna jest jak ostry zakręt na drodze historii medycyny. Kto go zauważy, wyhamuje odpowiednio w niego wejdzie, ten będzie jechał dalej. Kto będzie jechał w przekonaniu że droga będzie prowadzić cały czas prosto - wyląduje w rowie, a potem zapyta się zdziwiony: "Co się stało?"
Czym zajmuje się biologia molekularna?
Biologia molekularna bada:
- Jak działa DNA – czyli nośnik informacji genetycznej,
- Jak powstają białka – które są "maszynami" komórki,
- Jak komórki komunikują się ze sobą i reagują na środowisko,
- Jakie błędy w tych procesach prowadzą do chorób.
W centrum zainteresowania biologii molekularnej są mechanizmy regulacji czyli sterowania różnymi aktywnościami komórki, takimi jak:
- ekspresja genów (włączanie produkcji białek na bazie informacji genetycznej),
- aktywacja/dezaktywacja białek ( włączanie/wyłączanie wyprodukowanych białek do działania, w zależności od potrzeb komórki)
- szlaki sygnałowe (kaskady białek kolejno się aktywujących przekazujące informację o bodźcu od zewnętrza komórki do czynnika transkrypcyjnego włączającego określone geny czyli produkcję określonych białek w odpowiedzi na ten bodziec.
- naprawa DNA i reakcja na uszkodzenia
- zwalczanie patogenów wewnątrzkomórkowych, takich jak borelie, bartonelle, chlamydie, mykoplazmy, ureaplazmy, wirusy, rikesje, które przysparzają dużych problemów terapeutycznych lekarzom na całym świecie
- regulowanie intensywności stanu zapalnego niezbędnego do zwalczania patogenów
- regulowanie procesów produkcji energii w mitochondriach
- regulowanie poziomu stresu oksydacyjnego, zapalnego retikulonedoplazmatycznego, mitochondrialnego, wapniowego w odpowiedzi na różne bodżce
- regulowanie adaptacji komórki do stanu niedotlenienia
i wiele innych....
Wszystkie te procesy są ze sobą silnie posprzęgane, co sprawia, że cały proces samoregulacji jest niezmiernie złożony. Dlatego do analizy tych relacji konieczne będzie użycie wysokozaawansowanych narzędzi informatycznych i matematycznych, włączając sieci neuronowe, modelowanie matematyczne, teorię sterowania i sztuczną inteligencję....
Jest to wiedza całkowicie już niedostępna lekarzom. Dlatego środowisko lekarskie nie jest w stanie na bieżącym poziomie jej rozwoju kontynuować rozwoju medycyny. Lekarze będą mogli być jedynie elementem usłużnym, narzędziem komunikacji między naukowcami z nauk ścisłych i biologami molekularnymi rozwijającymi ten obszar wiedzy a pacjentem, co jest oczywiście ważnym zadaniem. Będą mogli w tym procesie w większym stopniu uczestniczyć dopiero wtedy, gdy na studiach medycznych pojawią się takie przedmioty jak Podstawy Teorii Sterowania, Podstawy Analizy Matematycznej, Podstawy Modelowania Matematycznego, Podstawy Sieci Neuronowych, Podstawy Dynamiki Nieliniowej...
Do kompletu należałoby dodać jeszcze Podstawy Elektroniki i Podstawy Fizyki Kwantowej jako wiedza niezbędna do zrozumienia Fenomenu Życia na poziomie elektromegnetycznym i kwantowym, ale to jest nieco odleglejsza przyszłość rozwoju medycyny. To jest zakręt, który dopiero widać na horyzoncie... Natomiast zakręt Biologia Molekularna już się rozpoczął, a wielu jedzie dalej prosto...
Zrozumienie chorób od strony molekularnej
Dzięki biologii molekularnej uczymy się, że choroby to często nie tylko "objawy", ale konsekwencje uszkodzeń wewnątrz komórek bądź konsekwencje rozregulowania sterowania wewnątrzkomórkowego. Na przykład:
Zjawisko molekularne Przykład choroby
Mutacja w genie Nowotwory, mukowiscydoza
Zaburzona synteza białek Choroby metaboliczne
Nieprawidłowy szlak sygnałowy Nowotwory, choroby autoimmunologiczne, sepsa
Uszkodzenie DNA Zespół ataksja-telangiektazja, rak
Jak komórka steruje swoją aktywnością?
Komórki nieustannie reagują na bodźce (np. hormony, cytokiny, stres). Robią to przez:
- Aktywowanie lub dezaktywowanie białek, które wykonują konkretne funkcje,
- Uruchamianie czynników transkrypcyjnych, które decydują, które geny są "włączone",
- Przenoszenie sygnału przez całe szlaki sygnałowe – jak łańcuch reakcji, prowadzący do jądra komórkowego.
Sterowanie aktywnością białek – błyskawiczne reakcje komórki
Białka mogą być regulowane na wiele sposobów:
Mechanizm Efekt Przykład
Fosforylacja Włączenie/wyłączenie aktywności Receptory insulinowe, kinazy MAPK
Ubikwitynacja Znakowanie do zniszczenia Kontrola cyklu komórkowego
Kompleksowanie Zmiana funkcji po połączeniu z innym białkiem p53 + MDM2
Zmiana lokalizacji Przeniesienie do jądra / błony NF-κB po aktywacji stanu zapalnego
Czynniki transkrypcyjne – sterowniki genów
Czynniki transkrypcyjne to białka, które wiążą się z DNA i decydują, które geny zostaną uaktywnione.
Aktywują się najczęściej przez:
- Fosforylację (np. STAT3),
- Zmianę lokalizacji (np. NF-κB z cytoplazmy do jądra),
- Wiązanie liganda (np. hormony steroidowe z receptorami jądrowymi).
Dzięki nim komórka może dostosować się do zmiennych warunków – np. rozpocząć podział, wytworzyć enzymy, pobudzić odpowiedź immunologiczną.
Ścieżki sygnałowe – jak komórka odbiera bodźce i podejmuje decyzje
Sygnał (np. hormon, interleukina) trafia na powierzchnię komórki i uruchamia szereg reakcji wewnętrznych – tzw. szlak sygnałowy – który kończy się zmianą działania genów.
Kluczowe ścieżki sygnałowe:
Szlak Funkcja Znaczenie kliniczne
MAPK/ERK Wzrost komórki Nowotwory, stres komórkowy
PI3K/AKT/mTOR Przeżycie i metabolizm Rak, insulinooporność
JAK/STAT Immunologia Nowotwory krwi, choroby autoimmunologiczne
NF-κB Zapalenie Reumatoidalne zapalenie stawów, sepsa
Wnt/β-katenina Różnicowanie Rak jelita
Nrf2 Obrona antyoksydacyjna Cukrzyca, choroby degeneracyjne siatkówki
p53 Reakcja na uszkodzenia DNA Mutacje w ponad 50% nowotworów
Diagnostyka i leczenie dzięki biologii molekularnej
Biologia molekularna to fundament nowoczesnej medycyny:
W diagnostyce:
- Testy genetyczne (BRCA, CFTR),
- Testy PCR (COVID-19, wirusy, mutacje),
- Profilowanie ekspresji genów (np. HER2, BCR-ABL).
W terapii:
- Leki celowane molekularnie (trastuzumab, imatynib),
- Terapie genowe (np. SMA),
- Terapie mRNA (szczepionki),
- Immunoterapia (checkpoint inhibitors),
- Leki modyfikujące czynniki transkrypcyjne lub enzymy.
Podsumowanie
Biologia molekularna to nauka o tym, jak komórka "myśli", reaguje i się broni. To dzięki niej:
- Rozumiemy przyczyny chorób na poziomie DNA i białek,
- Tworzymy leki, które precyzyjnie trafiają w przyczynę, a nie tylko objawy,
- Rozwijamy nowoczesną diagnostykę i profilaktykę genetyczną.
Dla współczesnego lekarza zrozumienie tych procesów to nie tylko wiedza teoretyczna, ale praktyczne narzędzie w walce o zdrowie pacjenta....