Στηριζόμαστε σε τρισεκατομμύρια βακτήρια, μύκητες, άρχαια και ιούς, στο στόμα μας, στο δέρμα μας και στο έντερό μας, για να λειτουργεί ο οργανισμός μας και να παραμένει υγιής. Οι επιστήμονες δεν είχαν τρόπο να μελετήσουν τα περισσότερα από αυτά τα μικρόβια, τα οποία δεν αρέσκονται να αναπτύσσονται σε εργαστηριακές καλλιέργειες. Οι γρήγορα βελτιούμενες, χαμηλού κόστους τεχνικές αποκωδικοποίησης του γονιδιώματός τους, κάνουν τώρα εφικτή μια τέτοια μελέτη. Δουλεύοντας μαζί με τα μικρόβια αντί ενάντιά τους, οι επιστήμονες βρίσκουν ενδιαφέρουσες νέες προσεγγίσεις για να αντιμετωπίσουν επίμονες ασθένειες και να βελτιώσουν συνολικά την υγεία του οργανισμού.

Το νέο πεδίο της μεταγενετικής δίνει στους επιστήμονες τα προφίλ των πληθυσμών μικροβίων μέσα στο έντερο υγιών ανθρώπων και συγκριτικά των μικροβίων σε ανθρώπους που πάσχουν από διάφορα σύνδρομα και παθήσεις. Εξοπλισμένοι με αυτά τα δεδομένα, οι επιστήμονες διερευνούν τη δυνατότητα να μεταβάλλουν την ισορροπία στη μικροχλωρίδα του εντέρου στο πλαίσιο θεραπειών για την παχυσαρκία, τη νόσο του Crohn και πολλές άλλες συχνές ή σπάνιες ασθένειες.

Για παράδειγμα, οι ερευνητές έχουν μελετήσει τη σύνθεση των πληθυσμών μικροβίων σε ανθρώπους με ελκώδη κολίτιδα, που προκαλεί έλκη στο παχύ έντερο και συνδέεται με τη μικροχλωρίδα. Οι σημερινές προσεγγίσεις που επικεντρώνουν σε αντιφλεγμονώδη και ανοσοκατασταλτικά φάρμακα και τελικά σε χειρουργικές επεμβάσεις, συχνά δεν έχουν αποτέλεσμα. Μια θεραπεία που τροποποιεί απευθείας τη μικροχλωρίδα θα δημιουργούσε δυνητικά λιγότερες παρενέργειες και θα προστάτευε από άλλες μολύνσεις στην πορεία της θεραπείας.

Οι νέες θεραπείες θα ήταν μεγάλη πρόοδος συγκριτικά με τις τρέχουσες απόπειρες για βελτίωση της μικροχλωρίδας μέσω μεταμόσχευσης κοπράνων και χρήσης προβιοτικών (ζωντανών βακτηριακών καλλιεργειών ως πρόσθετα σε τρόφιμα, όπως το γιαούρτι). Οι μεταμοσχεύσεις κοπράνων καταφέρνουν να αντιμετωπίσουν λοιμώξεις από ένα σκληροτράχηλο πολυανθεκτικό μικρόβιο, το Clostridium difficile, που παράγει τοξίνες, αλλά αυτή η μέθοδος απαιτεί συνήθως πολλές μεταμοσχεύσεις και δεν θεραπεύονται όλοι οι ασθενείς. Τα προβιοτικά δεν έχουν αποδειχτεί ικανά να προκαλέσουν ουσιαστικές θετικές μεταβολές στο έντερο. Και οι δύο θεραπείες ισοδυναμούν κατ' ουσία με τη διασπορά μιας ομάδας μικροοργανισμών στο έντερο, περιμένοντας να δούμε το αποτέλεσμα.

Η μεταγενετική είναι πιο εξειδικευμένη, προσφέροντας ακριβή γενετικά προφίλ των μικροοργανισμών που βρίσκονται στο έντερο, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα να συναχθεί ο τρόπος που θα αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους και με τον οργανισμό μας.

Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της μεταγενετικής είναι η διαχείριση της πλημμυρίδας δεδομένων που προκύπτει. Τώρα που οι επιστήμονες μπορούν γρήγορα να αποκωδικοποιήσουν το γενετικό κώδικα μεγάλων μικροβιακών κοινοτήτων, πρέπει να μπορέσουν να καταλάβουν τι σημαίνουν αυτές οι πληροφορίες για την ανθρώπινη υγεία. Βιολόγοι μαζί με μαθηματικούς προσπαθούν να αναπτύξουν νέες μεθόδους ανάλυσης των κομματιών DNA που συλλέγουν από το ανθρώπινο σώμα. Για να μπορέσουν να προστατέψουν ή να βελτιώσουν την υγεία ενός ανθρώπου, οι γιατροί θα πρέπει στη συνέχεια να κατανοήσουν τις αλλαγές που προκαλούνται στη μικροχλωρίδα του.

Για παράδειγμα, πολλοί άνθρωποι φέρουν μικρόβια E. coli, χωρίς να ασθενούν. Ερευνητές παρομοιάζουν την προσπάθεια βελτίωσης της μικροχλωρίδας του εντέρου, με την προσπάθεια διατήρησης ενός υγιούς οικοσυστήματος, που θα εμποδίζει την ανάπτυξη των παθογόνων. Η μεταγενετική μάς προκαλεί να σκεφτούμε τη φροντίδα των μικροβιακών κοινοτήτων του σώματός μας, όπως θα φροντίζαμε μια καλλιέργεια σε ένα κομμάτι γης. Αυτή η προσέγγιση θα ήταν τεράστια αλλαγή σε σχέση με τις θεραπείες «μία κι έξω», που συχνά έχουν αρνητικές παρενέργειες. Τα αντιβιοτικά ευρέως φάσματος εξαλείφουν και τα καλά βακτήρια μαζί με τα κακά, ανοίγοντας πόρτες για είσοδο επίμονων εισβολέων. Τα φάρμακα αναστολείς αντλίας πρωτονίων, που πουλιούνται ελεύθερα για την εξουδετέρωση των στομαχικών οξέων, αλλάζουν το πεχά (pH) στο στομάχι, γεγονός που μπορεί να βλάψει τα επωφελή μικρόβια που κατοικούν εκεί.

Αντίθετα, οι μεταγενετικές θεραπείες θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν μια σειρά παρεμβάσεων, υπολογισμένων να διαταράξουν τη μικροχλωρίδα με συγκεκριμένο τρόπο, εισάγοντας συγκεκριμένους οργανισμούς, που είναι κυρίαρχοι στο υγιές έντερο, συνοδευόμενες από αλλαγές στη διατροφή και τον τρόπο ζωής.

Υπάρχουν μερικές ...παράξενες συμπτώσεις και μερικές συμπτώσεις που απλώς φαίνονται παράξενες. Γιατί ορισμένες συμπτώσεις, υπό τις κατάλληλες συνθήκες είναι βέβαιο ότι θα συμβούν. Σύμφωνα με το νόμο των πραγματικά μεγάλων αριθμών, σε ένα αρκετά μεγάλο μέγεθος δείγματος, κάθε απίθανο ενδεχόμενο είναι πιθανόν να συμβεί, όσο μικρή κι αν είναι η πιθανότητα αυτό να συμβεί την επόμενη φορά. Ομως, ορισμένες φορές, ενώ υπάρχουν πραγματικά πολλές ευκαιρίες να συμβεί κάτι, φαίνεται σα να υπάρχουν λίγες. Αυτή η εσφαλμένη εκτίμηση έχει αποτέλεσμα τη χονδροειδή υποτίμηση της πιθανότητας να συμβεί ένα γεγονός: θεωρούμε ότι κάτι είναι απίθανο να συμβεί, όταν είναι στην πραγματικότητα πολύ πιθανό, σχεδόν σίγουρο.

Πώς μπορεί να υπάρχουν πολλές ευκαιρίες για να συμβεί κάτι και αυτό να μη γίνεται αντιληπτό; Η συνδυαστική, δηλαδή ο κλάδος των μαθηματικών που ασχολείται με τη μελέτη των πεπερασμένων και των άπειρων αλλά αριθμήσιμων διακριτών δομών, δίνει την απάντηση: ο αριθμός των συνδυασμών αλληλεπιδρώντων στοιχείων αυξάνεται εκθετικά (σ.σ. απότομα) με τον αριθμό των στοιχείων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το «πρόβλημα των γενεθλίων», το οποίο θέτει το εξής ερώτημα: Πόσοι άνθρωποι πρέπει να βρίσκονται σε ένα δωμάτιο, ώστε να είναι περισσότερο πιθανό παρά απίθανο δύο από αυτούς να έχουν γενέθλια την ίδια μέρα;

Η απάντηση είναι μόλις 23! Αν βρίσκονται 23 ή περισσότεροι άνθρωποι σε ένα δωμάτιο, τότε είναι πιο πιθανό δύο απ' αυτούς να έχουν την ίδια ημερομηνία γέννησης, παρά να μην υπάρχει ένα τέτοιο ζευγάρι ανθρώπων στο δωμάτιο. Στους περισσότερους αυτό προκαλεί έκπληξη. Ο αριθμός 23 φαίνεται πολύ μικρός. Ισως κάποιος σκεφτεί ως εξής: Υπάρχει μόνο μία πιθανότητα στις 365 (όσες είναι οι μέρες του έτους) οποιοσδήποτε άλλος άνθρωπος μέσα στο δωμάτιο να έχει την ίδια ηλικία με τον άνθρωπο Α. Αν υπάρχουν ν άνθρωποι στο δωμάτιο, με καθέναν από τους υπόλοιπους ν-1 να έχει πιθανότητα 364/365 να έχει διαφορετική ημερομηνία γέννησης από τον Α, τότε η πιθανότητα όλοι οι ν-1 άνθρωποι να έχουν διαφορετική ημερομηνία γέννησης από τον Α είναι 364/365 Χ 364/365 Χ 364/365 ... Χ 364/365, δηλαδή το 364/365 πολλαπλασιασμένο με τον εαυτό του ν-1 φορές. Αν το ν είναι 23, τότε αυτό κάνει 0,94, δηλαδή 94%.

Επειδή αυτή είναι η πιθανότητα κανένας να μην έχει την ίδια ημερομηνία γέννησης με τον Α, η πιθανότητα να έχει γενέθλια την ίδια μέρα είναι 6%. Αυτό προκύπτει με τη λογική ότι είτε κάποιος έχει γενέθλια την ίδια μέρα με τον Α, είτε κανείς δεν έχει και γι' αυτό οι πιθανότητες αυτών των δύο γεγονότων πρέπει να έχουν άθροισμα 100%. Ομως το 6% είναι πολύ μικρό.

Αυτός είναι ο λάθος τρόπος υπολογισμού επειδή η πιθανότητα κάποιος να έχει γενέθλια την ίδια μέρα με τον Α δεν είναι το πρόβλημα που τέθηκε. Το ερώτημα ήταν σχετικά με την πιθανότητα οποιοιδήποτε δύο άνθρωποι μέσα στο ίδιο δωμάτιο να έχουν μεταξύ τους την ίδια μέρα γέννησης. Αυτό περιλαμβάνει την πιθανότητα ένας από τους άλλους να έχει γενέθλια την ίδια μέρα με τον Α, όπως υπολογίστηκε παραπάνω, αλλά περιλαμβάνει και την πιθανότητα ότι δύο ή περισσότεροι από τους άλλους ανθρώπους στο δωμάτιο να έχουν την ίδια ημερομηνία γέννησης, διαφορετική από του Α.

Εδώ είναι που υπεισέρχεται η συνδυαστική. Αν και υπάρχουν μόνο ν-1 άνθρωποι που θα μπορούσαν να έχουν γενέθλια την ίδια μέρα με τον Α, υπάρχει ένα σύνολο ν Χ (ν-1)/2 ζευγών ανθρώπων στο δωμάτιο. Αυτός ο αριθμός ζευγαριών αυξάνεται γρήγορα καθώς μεγαλώνει ο αριθμός ν. Οταν το ν γίνει 23, τότε τα ζεύγη γίνονται 253, που είναι 10 φορές μεγαλύτερο από το ν-1 που κάνει 22. Αυτό σημαίνει ότι αν υπάρχουν 23 άνθρωποι στο δωμάτιο, τότε υπάρχουν 253 πιθανά ζευγάρια ανθρώπων, αλλά μόνο 22 που περιέχουν τον Α.

Ας δούμε την πιθανότητα κανένας από τους 23 ανθρώπους στο δωμάτιο να μην έχει ίδια ημερομηνία γέννησης με κάποιον άλλο. Για δύο ανθρώπους, η πιθανότητα το δεύτερο άτομο να μην έχει ίδια ημερομηνία γέννησης με το πρώτο είναι 364/365. Τότε η πιθανότητα αυτοί οι δύο να έχουν διαφορετική ημερομηνία και ένας τρίτος να μην έχει την ίδια ημερομηνία με κανέναν από τους δύο είναι 364/365 Χ 363/365. Κατά τον ίδιο τρόπο, η πιθανότητα κανένας από τους τρεις να μην έχει ίδια ημερομηνία γέννησης με τον άλλο και ένας τέταρτος να μην έχει την ίδια ημερομηνία με κανέναν από τους πρώτους τρεις είναι 364/365 Χ 363/365 Χ 362/365. Συνεχίζοντας έτσι, η πιθανότητα να μην έχει κανείς από τους 23 ανθρώπους γενέθλια την ίδια μέρα με κάποιον άλλο είναι 364/365 Χ 363/365 Χ 362/365 Χ 361/365... Χ 343/365.

Το γινόμενο αυτό κάνει 0,49, δηλαδή 49%. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα κάποιος να έχει γενέθλια την ίδια μέρα με κάποιον άλλο, είναι 51%. Δηλαδή είναι πιθανότερο να υπάρχουν δύο άνθρωποι με την ίδια ημερομηνία γέννησης, παρά να μην υπάρχουν.