Umělí lidé na dohled. Nová písmena v DNA

01.07. 19:03 | Autor: Radek John

Biologové už déle než sto let rozkládají živé věci na kousky, aby zjistili, jak fungují. Nejlepší způsob jak ověřit, jestli se jim to daří, je sestavit je znovu dohromady. Ten čas právě přišel.

Escherichia coli je nejprozkoumanější živý organismus v celém známém vesmíru. Vědci tuto bakterii, která vedle laboratoří žije nejčastěji ve střevech teplokrevných zvířat, studují už přes šedesát let. Nikdy nebude možné napsat, že o ní vědí všechno. Vědí toho ale hodně. E. coli slouží i jako oblíbený pokusný organismus a každý měsíc o ní vycházejí stovky odborných prací. Až nyní však vědci v Kalifornii připravili kmen, který možná odstartuje novou éru rychle rostoucího oboru nového století - syntetické biologie.

Nové kalifornské bakterie žijí a rozmnožují se stejně jako jakékoli jiné. Jejich buňky ale obsahují genetický text, v němž jsou oproti všem ostatním organismům na zeměkouli místo čtyř bází poprvé navíc ještě dvě.

"Je to předěl. Biologové teď mají možnost modifikovat životní pochody," cítí mikrobiolog Karel Drbal z Přírodovědecké fakulty UK v Praze. "Idea je to stará, ale nikdo si ji dosud netroufl realizovat v živém organismu..."

Revoluce v abecedě

Všechny současné formy života stojí na jediném univerzálním genetickém kódu založeném na čtyřčlenné "abecedě" - adeninu (A), thyminu (T), guaninu (G) a cytosinu (C). Fyzicky představují jednotlivá písmena kódu takzvané báze - molekuly přilepené k hlavní kostře DNA (viz Kód života). Rozšíření jejich výčtu o další dvě, jež se povedlo kalifornskému týmu vedenému Floydem Romesbergem, otvírá netušené možnosti. Bakterie s modifikovanou DNA by mohly pomáhat čistit životní prostředí, stát se novým zdrojem energií, léčiv, potravin...

Kód života

DNA se běžně kreslí jako dvojitá šroubovice. Každé ze dvou vláken tvoří kostra složená z molekul cukru deoxyribózy, propojených spojovacími díly, zbytky kyseliny fosforečné. K tomuto skeletu jsou připevněny další molekuly nesoucí samotný genetický kód a označované jako báze, již zmiňovaný adenin, guanin, cytosin a thymin. Báze se navzájem vážou pomocí zvláštního typu spojení, jemuž se říká vodíkové můstky. Trojice bází kódují pořadí aminokyselin - stavebních dílů v bílkovinách (například kombinace TGC znamená aminokyselinu cystein). Ve standardní verzi genetického kódu je aminokyselin dvacet. Báze A se váže s bází T a báze C s bází G. Jejich vazby tvoří příčky, které drží dvojité vlákno DNA pohromadě. Délka DNA se pak udává právě v párech bází. Jsou to písmena genetického kódu. V jejich pořadí je zapsána genetická informace daného organismu. Jelikož je naproti bázi A vždycky báze T a naproti bázi C báze G, je jedno vlákno zrcadlovým obrazem druhého. Třeba proti vláknu, v němž je napsáno GGGAAATTTCCC, je vlákno s textem CCCTTTAAAGGG. Dvě nová písmena přidaná Romesbergovým týmem ke kódu se zatím jmenují d5SICS a dNaM a vážou se navzájem podobně jako běžné báze

Vědci se pokoušejí vpašovat nové znaky do genetického zápisu už dlouho. V roce 2008 se jim povedlo připravit molekulu DNA s novým typem bází, která ve zkumavce reagovala správně s enzymy, jež buňka běžně používá ke kopírování a k další manipulaci s nukleovými kyselinami. Spustit je ve skutečném organismu ale trvalo dalších šest let. "Nepřirozené páry bází fungovaly in vitro, velká výzva ale byla přinutit je fungovat v komplexním prostředí živé buňky," říká člen Romesbergova týmu Denis Malyshev. DNA s novými písmeny vpašoval do plazmidu - malého kruhového úseku nukleové kyseliny, které bakterie používají jako kazety k uskladňování zvláštních genů, jež si mohou i navzájem vyměňovat. Bývají to třeba geny způsobující odolnost vůči antibiotikům.

Plazmid s modifikovanou DNA si bakterie předávaly z jedné generace na druhou. Buňky E. coli ovšem nejsou schopny si nové báze samy vyrobit a výzkumníci je museli přidávat do roztoku, v němž bakterie žily. Navíc bylo třeba do buňky bakterie přidat transportér, který přenášel nové báze zvenku dovnitř (a pocházel z jednobuněčné řasy). Pokud by biologové přestali mikrobům nové báze dodávat, nedokázaly by plazmid dále rozmnožovat.
Nová písmena tedy zatím neznamenají sama o sobě nic - to se ale může v budoucnu změnit.

Umělá bakterie?

Bakterie s modifikovanou DNA by mohly rozšířit spektrum využitelných aminokyselin, tedy písmen proteinového kódu. Ten je dnes omezen dvaceti základními aminokyselinami. Z nich buňka skládá bílkoviny, které potřebuje ke svému provozu: enzymy, přenašeče a mechanické součástky. Chemické reakce s účastí bílkovin jsou podstatou života, alespoň jak ho známe z naší planety. Rozšíření genetického kódu učiní reálným použití dalších desítek aminokyselin s novými vlastnostmi, které následně umožní i nové funkce bílkovin.
Co ale se syntetickými organismy, které už nebudou potřeba? Dají se naprogramovat, aby spáchaly sebevraždu. Na první pohled tedy vše vypadá bezpečně. Konkrétní bezpečnostní rizika syntetických organismů zatím ale vyjasněna nejsou. Nejasné je dosud pochopitelně i to, kdy by modifikovaný genetický kód s pomocí mikrobů mohl začít připravovat zmiňované nové léky či zdroje.

Digitalni ilustrace Coli bakterie. Může to trvat ještě roky nebo desetiletí. "Reálná aplikace je opravdu daleko," řekl TÝDNU mikrobiolog Drbal. Organismy modifikované běžnými postupy genetického inženýrství se ovšem k podobným účelům používají už téměř čtyřicet let. Pomáhají vyrábět třeba inzulin nebo růstový hormon pro pacienty, jejichž tělo si ho nedokáže vyrobit samo. Zvládnou i syntézu vzácných cukrů. Rozkládají také plastový odpad.

Bakterie jako stíhačka

Syntetická biologie by se měla lišit od genetického inženýrství, které je v současnosti už běžné. Genetičtí inženýři modifikují genomy běžných organismů, často pomocí triků ne nepodobných hackerskému řemeslu. Záměry syntetických biologů jsou ambicióznější: chtějí tvořit zcela nové živé bytosti.

Seznam součástek

Když dnešní inženýři navrhují třeba elektrické obvody, mají k dispozici katalogy s tisíci součástek, z nichž každá má přesně definované fyzikální vlastnosti. Až budou jednou syntetičtí biologové konstruovat nové organismy, budou potřebovat něco podobného. Zárodek už existuje. Mas sachusettský technologický institut provozuje už devět let Registr standardních biologických dílů, v němž je možno hledat součástky živých organismů. Návody na jejich přípravu jsou uloženy v podobě úseků DNA. V současnosti je jich asi 3400

Termín "syntetická biologie" se ve vědecké literatuře poprvé objevil už v roce 1910. Na počátku našeho století ho asi nejvíce oživil výzkum týmu Craiga Ventera, molekulárního biologa a podnikatele s vizionářskými sklony. V jeho laboratořích před čtyřmi lety vznikl první syntetický organismus, i když toto označení je (zatím) přehnané. Jeho tým napřed vyrobil kompletní genetickou informaci jednoho druhu bakterie, Mycoplasma mycoides, a tu pak přenesl do buněk příbuzné bakterie Mycoplasma capricolum.
Uměle vytvořený chromozom M. mycoides v buňkách M. capricolum naskočil, a ty žily, dělily se a vůbec rostly jako z vody. Bakterie s chromozomem stvořeným v laboratoři je sice velký pokrok, leč k umělému životu má ještě daleko. Z několika důvodů. Předně genetikové chromozom sami nenapsali, jen napodobili, to, co už v přírodě bylo. Asi jako když si Čína koupí z Ruska stíhačku, kterou pak do posledního šroubku okopíruje a prohlásí za svůj vlastní výrobek.

"Mám na to vyhraněný názor... To, jak se Venter prezentuje, je podvod. Tvrdí, že stvořil umělou bakterii, a přitom žádnou nestvořil, musel použít jinou," říká Anton Markoš z Přírodovědecké fakulty UK v Praze. Mykoplazmy jsou navíc bakterie s jedním z nejkratších genomů vůbec a jsou to většinou parazité, za něž spoustu práce udělá hostitel. A tak zatímco genom M. mycoides má 1,2 milionu párů bází a obsahuje 985 genů, lidský genom má zhruba 3,2 milionu párů bází a více než 23 000 genů a genom byliny huseníčku rolního 157 milionů párů bází a 25 498 genů.

Mycoplasma laboratorium

Příbuzná M. mycoides, M.genitalium, byla dlouho považována za bakterii s nejkratším genomem schopným samostatné existence. Její genom má 0,58 milionu párů bází a obsahuje jen 475 genů. Asi vás napadne, jaký nejkratší genom je k životu potřeba. Záleží na tom, kde daný mikrob žije. Parazité si vystačí s menším množstvím DNA. Venterův tým se už několik let snaží vyrobit minimalistický organismus vybavený jen základním genetickým materiálem. Až spatří světlo světa, bude se jmenovat Mycoplasma laboratorium.
Z umělého organismu se vědci dozvědí meze životaschopnosti organismů přírodních.

Zároveň získají základní kostru, k níž bude možné připojovat další součástky. Mohou to být třeba geny na už zmíněnou přeměnu rostlinné hmoty v palivo do motorů nebo na výrobu léků. I když byly bakterie, ne nepodobné mykoplazmám, kdysi rozšířené i mezi našimi předky, dnes jsou jiné než my. Nejvíce nás od nich odlišuje přítomnost buněčného jádra - struktury, v níž je uložena DNA. Jádro máte vy, váš pes i květák na vaší zahrádce. Genetika organismů s buněčným jádrem je obvykle komplikovanější než těch bez nich. DNA mají organizovanou do oddělených knihoven, kterým se říká chromozomy. Většinou jí také mají více. Přesto to nevypadá, že by se jich syntetická biologie budoucnosti netýkala.

Molekulární klasik

Pamatujete si ještě diskety? Brzo už bude možné položit stejnou otázku ohledně CD. Média, na nichž skladujeme informace, se mění rychleji než informace samé. Týká se to třeba Sonetů Williama Shakespeara, které jsou stejné už od časů svého vydání počátkem 17. století. Od té doby vyšly nesčetněkrát v papírové podobě, v poslední době přibyly i edice elektronické. Minulý rok vznikla i jedna biochemická. Skupina vědců vedená Nickem Goldmanem z Evropského bioinformatického institutu je zapsala do DNA. K Sonetům přidali i šestadvacetisekundový klip ze slavné řeči Martina Luthera Kinga, PDF kopii článku objasňujícího strukturu DNA od Jamese Watsona a Francise Cricka z roku 1956, fotografii ve formátu JPEG a klíč k rozluštění. Ačkoli to vypadá jako zbytečná frajeřina, nemusí to být špatný nápad. DNA, pokud je ve tmě a chladu, vydrží beze změny desítky tisíc let. Paměťová média se neustále mění, ale DNA už budou lidé číst vždycky.

Podobným způsobem jako Venterova bakterie M. mycoides vznikne v nejbližších několika letech i kvasinka Saccharomyces cerevisiae, která žije s lidmi už od počátků zemědělství na Blízkém východě. Používáme ji k přípravě těsta i alkoholických nápojů. Je oblíbená i jako pokusný organismus v biologických laboratořích a její genom byl prvním genomem eukaryotního organismu, který byl kdy přečten. A brzo bude i prvním genomem, který byl znovuvytvořen v laboratoři.

V březnu ohlásila skupina vědců vedená Jefem Boekem a Srinivasanem Chandrasegaranem z Univerzity Johnse Hopkinse a Newyorské univerzity, že se jim podařilo uměle vytvořit první chromozom S. cerevisiae. Ta jich má celkem šestnáct. Dohromady je v nich uloženo 12 156 677 párů bází, v nichž je zapsáno 6275 genů. Boekův tým sestavil chromozom č. III (chromozomy kvasinky se tradičně označují římskými číslicemi, pozn. red.), který má 316 667 párů bází. V podání Boekova týmu jich však měl jen 273 871.

Vědci se totiž nenamáhali s úseky vyplněnými nesmyslným kódem, kterého je genetická výbava organismů s jádrem, včetně té naší, plná. Říká se mu většinou "junk DNA". "Dodnes nevíme, co nekódující DNA znamená," říká Drbal. "Při syntéze si můžeme dovolit použít jen tu část genomu, která nese nějakou informaci. Teprve poté, co ji vyřadíme, můžeme zjistit, zda je opravdu nefunkční a zbytečná." Biolog Markoš si není jist, jestli je nekódující DNA v chromozomu kvasinky S. cerevisiae zbytečná. "Jestli je opravdu junk, by se poznalo," říká. "V přírodě kvasí švestky, kdežto v laboratoři žije jen na cukru; pokud by žila mimo laboratoř, možná by ji potřebovala."

Na některá místa chromozomu zase genetici přidali značky. Celkem v něm udělali padesát tisíc změn. Když ho vložili do buňky kvasinky, jejíchž šestnáct zbylých chromozomů bylo přírodních, normálně rostla a množila se. Zatímco čtete tento text, postupuje v laboratořích na celém světě syntéza zbývajících chromozomů. Plně syntetickou kvasinku budeme mít už během několika let.

Stejně jako v případě čtení kompletních genomů se dá očekávat, že ji budou následovat další organismy. Přijde den, když už syntéza kompletního organismu v laboratoři nikoho neohromí, stejně jako už dnes nikoho nepřekvapí přečtení celého genomu. Je také téměř jisté, že časem budeme schopni vyrobit i lidský genom. Pak vyvstane otázka, zda to udělat a zda ho vylepšit podobně jako vylepšil Boekův tým chromozom S. cerevisiae. Stane se to ještě během života dnes žijících lidí.

Znovustvořená smrt

Daleko jednodušší než bakterie je vyrobit viry. Například v roce 2005 se to povedlo vědcům vedeným Terrencem Tumpeyem z amerického Národního centra pro infekční nemoci s virem španělské chřipky. Proslulá epidemie zasáhla roku 1918 válkou vyčerpané lidstvo a vzala si něco mezi padesáti až sto miliony životů, tedy až pět procent tehdejší světové populace. Tumpey a jeho spolupracovníci získali kompletní genetický kód smrtelného viru z těla jedné z jeho obětí, která byla 90 let pohřbena v ledu. Biologové vyrobili virus znovu a podrobili ho testům. Množil se neobvykle rychle, zabíjel myši i kuřecí embrya a v laboratorních kulturách lidských buněk byl jako doma. Otázka, jestli poznání získané vzkříšením nebezpečné chřipky vyváží riziko s tím spojené, zůstává otevřená.

Foto: Shutterstock

Autor: Radek John