Biologové učí buňky počítat a ukládat informace

24.05. 12:06 | Autor:

Takhle jednoduché to ve skutečnosti není.

Buňka jako miniaturní počítač schopný ukládat informace, vyhodnocovat je a ukládat výsledky výpočtů? Nic nemožného. Alespoň v principu. Prototyp takového stroje představili molekulární biologové ze Stanfordovy univerzity v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

Molekula DNA, nositelka dědičné informace, je nesmírně efektivní paměťové médium. Vždyť do buněčného jádra o velikosti několika tisícin milimetru se vejde šest miliard bitů (písmen genetické abecedy, jimiž je dědičná informace zapsána). Ale přirozená DNA neumí jednoduše mazat staré informace a nahrazovat je novými. Dokáže to pouze náhodnými mutacemi, což je pro provádění "molekulárních výpočtů" nepoužitelné.

Vědci už delší dobu dovedou vytvářet umělé řetězce DNA s libovolným sledem písmen genetické abecedy. V tomto smyslu lze DNA považovat za paměťové médium, do kterého není problém uložit jakoukoli digitální informaci. Získat molekulární paměť, která dovede informace nejen ukládat, ale také mazat a přepisovat novými daty, je o poznání složitější.

Odborníci ze Stanfordu proto sice využili DNA, ale nepracovali s jednotlivými písmeny genetické abecedy. Jako bity (základní jednotky informace) jim posloužily celé krátké řetězce DNA. Tím se sice výrazně snížila hustota uložených informací, zato je možné data průběžně přepisovat.

Přirozená DNA sestává ze dvou velmi dlouhých řetězců, které jsou propojeny miliony "příček" jako žebřík a svinuty do šroubovice. Vědci připravili umělé části těchto řetězců, jež lze do mnohem delší makromolekuly bakteriální DNA vložit a opět je z ní "vystříhnout". Jako bychom žebřík rozřízli a mezi obě poloviny vložili odnímatelnou střední část, která celou konstrukci o něco prodlouží.

O vkládání a vystřihování krátkých řetězců se stará dvojice enzymů vypůjčených od viru napadajícího bakterie. Krátké řetězce (reprezentující bity) jsou navrženy tak, aby se mohly do DNA vložit oběma směry. A právě orientace vloženého řetězce vůči zbytku molekuly DNA reprezentuje digitální hodnoty 0 nebo 1.

Živá bakteriální buňka tak může ve své DNA nést uměle zapsanou digitální informaci, kterou lze pomocí enzymů otáčejících vložený řetězec průběžně přepisovat. Během pokusů se podařilo informaci udržet během sta buněčných dělení (jinými slovy: paměť původní buňky "zdědila" i stá generace jejích potomků), během nichž se data podařilo šestnáctkrát řízeně přepsat.

Buněčná kalkulačka ohlídá nádory

Vědci se naučili ukládat do DNA digitální informace, které lze dle potřeby přepisovat. Pokud by se něco podobného podařilo i u lidských buněk, mohli bychom je naučit "počítat". Hlídaly by například, kolikrát se už rozdělily. Jakmile by dosáhly určitého počtu dělení, zapnul by se v nich autodestrukční mechanismus, aby se nestaly základem zhoubného nádoru.

Podobně ostatně fungují i zcela přirozené buňky v tělech živočichů i člověka. Při každém dělení se jim o něco zkrátí ochranné čepičky na koncích chromozomů. Jakmile se tato ochrana zcela ztratí, buňka umírá. Jenomže rakovinné buňky se naučily tento mechanismus obcházet. Jeho umělá nápodoba využívající "buněčné počítadlo" by proto mohla v budoucnu fungovat jako poslední záchrana držící zhoubné nádory na uzdě.

"Buněčné počítadlo" by našlo využití i v terapii pracující s kmenovými buňkami. Ty mají schopnost proměnit se v bezpočet buněčných typů a nahradit například zničené neurony v poškozené míše nebo buňky srdečního svalu zasažené infarktem. "Počítadlo" by mohlo zkontrolovat, zda se buňky přestaly dělit po určitém počtu dělení nutných k přeměně v cílový buněčný typ. Pokud by se utrhly ze řetězu a hrozily by zvrtnout se v buňky nádorové, počítadlo by spustilo alarm vedoucí k jejich zničení.

K tomu je však zatím daleká cesta. Tvorba bakteriálního "prototypu" si vyžádala 750 pokusů, během nichž byla podoba celého systému DNA a enzymů postupně dolaďována. Jako kdyby programátor napsal kratičký několikařádkový program a teprve po jeho 750 spuštěních a dílčích úpravách by konečně dosáhl toho, že program funguje, jak má. Vložení takto složité genetické konstrukce do lidských buněk by navíc bylo spojeno s řadou rizik. Vždyť i mnohem jednodušší metody buněčné terapie jsou zatím v plenkách. Na bezpečné využití nové technologie v medicíně si tedy budeme muset minimálně několik let počkat.

Foto: Profimedia