„Teď dokážeme vytvářet organismy na přání,“ prohlásil před šesti lety Daniel Gibson z J. Craig Venter Institute v marylandském Rockville. O tři roky později oznámil sám J. Craig Venter na londýnském Global Grand Challenges Summit, že jeho tým „je blízko vytvoření umělého života“. „Rukopis do vědeckého časopisu jsme ale zatím neodeslali,“ přiznal tehdy americký vědec, kterému se někdy přezdívá „Bill Gates genetiky“.
Rukopis s popisem tvorby „umělé buňky“ odeslal Venterův tým do předního vědeckého časopisu Science až 13. října 2015. Redakce rozhodla o přijetí článku do tisku 5. února 2016 a studie byla zveřejněna na Velký pátek (už asijského času, na Evropu se nečekalo, a dostupná je odsud). Rázem se ocitla v centru pozornosti vědců i laiků. Není divu. Nikdo na světě ještě nikdy nic podobného neviděl.
Venter a spol. představují světu na stránkách časopisu Science buňku s dědičnou informací tvořenou 531 tisíci písmeny genetického kódu, v které je zapsáno 473 genů. Mikrobiologové znají organismy s ještě menší dědičnou informací a ještě chudší genovou výbavou. Například mikrob Carsonella ruddii vystačí s dědičnou informací o 160 000 písmenech genetického kódu a se 182 geny. Tuhle minimalistickou výbavu si může Carsonella dovolit jen proto, že žije v nitru buněk hmyzu Pachypsylla venusta. Bakterie si nemusí svépomocí vyrábět spoustu životně důležitých látek, protože je načerpá od svého nedobrovolného hmyzího hostitele a nepotřebuje geny k jejich produkci.
Mikrobi žijící mimo cizí organismy mívají dědičnou informaci rozsáhlejší a genovou výbavu bohatší. Buňky vytvořené Craigem Venterem a početným týmem jeho spolupracovníků jsou z hlediska dědičné informace skutečnou „miniaturou“. O něco menší dědičnou informaci by mohly mít jen za cenu silně snížené životaschopnosti. Takové buňky už by spíš jen živořily a další výpadky genů by je zabily. V J. Craig Venter Institute vytvořili buňky s tzv. minimálním genomem, který byl navíc vyprojektován člověkem a vyroben v laboratoři.
Umělý genom
„Umělé buňky“ označované jako JCVI-syn3.0 jsou všelijaké, jen ne umělé. U jejich zrodu stála obyčejná a ryze přírodní buňka bakterie Mycoplasma mycoides, která žije v organismu přežvýkavců. Její dědičná informace se skládá z 1,2 milionu písmen genetického kódu a obsahuje bezmála tisícovku genů. V roce 2010 syntetizovali vědci z týmu Craiga Ventera kompletní dvojitou šroubovici DNA bakterie Mycoplasma mycoides a vnesli ji do buněk příbuzné bakterie Mycoplasma capricolum. Při dělení se tyto bakterie zbavily původní dědičné informace Mycoplasma capricolum a zůstala v nich jen syntetizovaná DNA. Ta k velkému překvapení vědců „nastartovala“ a začala v buňkách plnit všechny potřebné úlohy. Uměle vytvořený genom v hostitelské buňce ožil.
Vědcům je už dlouho zřejmé, že i když mají bakterie ve srovnání s vyššími organismy poměrně malou dědičnou informaci, řadu genů mohou zcela jistě postrádat. Dokázal to i Craig Venter při experimentu s bakterií Mycoplasma genitalium. Tato bakterie žijící v pohlavních orgánech mužů i žen má dědičnou informaci „spíchnutou“ z 580 000 písmen genetického kódu a vládne 525 geny. Systematickým „nabouráváním“ jednotlivých genů došli vědci už v roce 1995 k závěru, že by mykoplasma mohla vystačit s 382 geny a stále ještě by si zajistila vše potřebné k životu. Ale opravdu by takový „minimální genom“ fungoval k plné spokojenosti?
Minimální genetická výbava
Jaroslav PetrJe vzděláním biolog. Pracuje jako vedoucí výzkumný pracovník ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Praze-Uhříněvsi, kde se zabývá reprodukční biologií a biotechnologiemi hospodářských zvířat. Přednáší externě na České zemědělské universitě v Praze a dalších institucích. Je také dlouholetým popularizátorem vědy. Píše například pro Lidové noviny, časopis Vesmír i server Osel.cz. |
S bakteriemi Mycoplasma genitalium je v laboratoři těžká práce, protože se pomalu množí. Venter a jeho spolupracovníci proto sáhli po buňkách Mycoplasma mycoides s genomem syntetizovaným v laboratoři. Buňky nesoucí označení JVCI-syn1.0 mají dědičnou informaci tvořenou 1 078 809 písmeny genetického kódu. Kromě plné sady genů nesou i úseky DNA, které slouží k jednoznačné identifikaci bakterie. Je to jakýsi „vodoznak“ dokazující „pravost“ JCVI-syn1.0. A právě tento milion písmen genetického kódu JCVI-syn1.0se rozhodli vědci z Venterova týmu co nejvíce zjednodušit.
V dlouhém seznamu tisícovky genů buněk JVCI-1.0 vědci některé rovnou škrtli, protože o nich věděli, že je bakterie nezbytně nepotřebuje. U mnoha genů ale museli postupovat metodou pokusů a omylů. Vyřazovali geny z akce a sledovali, jak se bez nich bakterii JVCI-syn1.0 daří. Z genomu tak ukrajovali další a další geny. Ve finále získali buňky s genomem s 531 000 písmeny genetického kódu a 473 geny. Buňky si podle nich vyrábějí 438 různých bílkovinných molekul a navrch i 35 speciálních molekul ribonukleových kyselin.
Takto vzniklé buňky nesoucí označení JVCI-syn3.0 si vedou navzdory silně zredukované dědičné informaci velmi dobře. V laboratorních podmínkách se čile množí a na první pohled jim nic důležitého nechybí. V sadě nezbytných genů zůstalo celkem překvapivě 149 genů, o nichž vědci nevědí, k čemu jsou bakteriím dobré. Zcela jistě jsou ale pro životní pochody v buňce důležité, protože jejich ztráta má pro JVCI-syn3.0 fatální následky. To jen dokazuje, jak málo stále ještě víme o funkcích dědičné informace i těch nejjednodušších pozemských organismů.
Mezi „zbytečnými“ geny figurují kusy DNA zodpovědné za transport některých molekul v buňce, za syntézu určitých látek, např. lipoproteinů, i za rozklad nejrůznějších molekul. Také mezi „zbytečnými“ geny se nacházejí takové, jejichž úloha v buňkách obyčejných mykoplasem je pro vědce stále ještě záhadou.
Buňky JCVI-syn3.0 by mohly postrádat ještě několik dalších genů, ale pak by se zpomalilo jejich množení a to by vědcům silně zkomplikovalo práci. Vědci tyto „ne zcela nezbytné“ geny v genomu JCVI-3.0 ponechali a díky tomu se v laboratorních podmínkách počet buněk každé tři hodiny zdvojnásobí.
Co pověsit na „genetické šasi“
Buňky JCVI-syn3.0 nejsou umělé v tom smyslu, že by vědci vyrobili v laboratoři všechny jejich molekulární součástky. To je nad možnosti současné vědy. JCVI –syn3.0 mají uměle vytvořený „jen“ genom. Dědičná informace je však hnacím motorem buňky a ústředím pro vznik instrukcí k její výstavbě. Genom je to nejdůležitější, co se v buňce nachází a právě v něm se rozhoduje, jak bude buňka vypadat, jak se bude chovat a co bude umět. To hlavní – tedy dědičná informace - na buňkách JCVI-syn3.0 umělé bezesporu je. Lidé si na základě známých faktů i nově zjištěných informací nejprve „naskicovali“ základní rámec minimálního genomu a ten pak v laboratoři syntetizovali.
Nejnovějším počinem týmu Craiga Ventera jsme se zase o něco přiblížili k pochopení základů pozemského života. Vědci si mohou udělat přesnější představu o tom, co potřebovaly k svému vzniku první pozemské organismy a jak se mohla tahle výbava nezbytná pro život vyvinout z neživé hmoty.
Rozdělení genů JCVI-syn3.0 do kategorií podle funkce. Největší skupinu tvoří geny, které se starají o expresi genů (195 genů), poté strukturu a funkce buněčné membrány (84 genů), metabolismus v cytosolu (to je tekutá část cytoplazmy, 81 genů). O zachování genetické informace se stará 34 genů, a 79 genů zbývá na skupinu „Jiné funkce“.
Pro poznávání minimálního genomu se však nabízejí i ryze zištné motivy. Vědci plánují, že mikroba s minimálním genomem využijí jako jakési „základní šasi“, na které pak budou genoví inženýři „montovat“ úseky DNA kódující výbavu buněk pro nejrůznější procesy. Mohli bychom tak získat mikroby vyrábějící nové léky nebo bakterie rozkládající škodlivé látky. Craig Venter se už dlouho zabývá plány na mikroorganismus, který by efektivně a ekologicky čistě rozkládal vodu na vodík a kyslík. Získali bychom tak vydatný zdroj ekologicky čistého paliva.
V možnostech současné biologie je vybavit bakterie genetickými „logickými obvody“ a vytvářet tak buňky fungující jako živé mikropočítače. Takové buňky by pak mohly sbírat informace o dění v okolí, ukládat je do paměti, vyhodnocovat je a na základě toho pak spouštět nejrůznější akce. Mikroskopické živé počítače by mohly například v lidském těle kontrolovat metabolické pochody nebo dělení buněk a provádět korekce vedoucí k potlačení civilizačních chorob, jako je třeba cukrovka druhého typu, ateroskleróza, Alzheimerova choroba nebo rakovina.
Hrozby syntetické biologie
Tvorba buněk JVCI-syn3.0 je ukázkou toho, co dokážou vědci v oboru tzv. syntetické biologie. Počátky této vědní disciplíny byly ve srovnání s dneškem hodně skromné. V roce 2002 syntetizoval početný tým německého virologa Eckarda Wimmera působícího v USA dědičnou informaci viru obrny. Ta je tvořena jedním vláknem kyseliny ribonukleové a skládá se z pouhých 7 500 písmen genetického kódu. Přesto zabrala syntéza Wimmerovu týmu tři roky usilovné práce. V té době byla Wimmerova newyorská laboratoř na Stony Brook University zřejmě jediná na světě, která podobné úkoly zvládala.
Už o rok později to ale neplatilo. Craig Venter se svými spolupracovníky syntetizoval dědičnou informaci bakteriofága čítající šest tisíc písmen genetického kódu. Potřebovali k tomu pouhé tři týdny.
Na první kontroverzi čekala syntetická biologie do roku 2005, kdy se týmu Terrence Tumpeyho z amerického Centers for Disease Control and Prevention podařilo rekonstruovat virus španělské chřipky. Vědci odebrali vzorky tkání ženy, která v roce 1919 zemřela na Aljašce na španělskou chřipku a byla pochována do věčně zmrzlé půdy. Izolovali zlomky dědičné informace viru tvořené 13 000 písmeny genetického kódu, zkompletovali genom viru a za přísných bezpečnostních opatření vytvořili virus španělské chřipky. Původce choroby, která v letech 1918 až 1919 zabila odhadem asi 50 milionů lidí, slavil s odstupem bezmála století comeback. Vědcům se tak naskytla jedinečná příležitost zjistit, čím byl virus španělské chřipky výjimečný a v čem tkvěly jeho zabijácké schopnosti. Zároveň ale riskovali, že únik viru mimo přísně zabezpečenou laboratoř vyvolá novou smrtící chřipkovou pandemii.
Máme podobné pokusy vůbec povolit? A za jakých bezpečnostních opatření? S novými možnostmi syntetické biologie se samozřejmě otevřela i otázka zneužití syntézy smrtících mikroorganismů k bioterorismu. Neměla by pro bádání na poli syntetické biologie platit zvláštní a velmi přísná bezpečnostní pravidla, která by eliminovala veškerá rizika?
Obamova administrativa došla k závěru, že stávající předpisy zajišťující bezpečnost genetických modifikací plně postačují i pro zajištění bezpečnosti na poli syntetické biologie. Evropská unie je ve vztahu k syntetické biologii a jejím výdobytkům podstatně rezervovanější. Široká fronta nevládních organizací volá po mezinárodním moratoriu na výzkum v oboru syntetické biologie v obavách z jeho zneužití či z katastrof způsobených nejrůznějšími nehodami. Vědci ale namítají, že k bioterorismu lze zneužít mnohem snáze běžně se vyskytující mikroorganismy, které se nabízejí „hotové“. Je to podstatně jednodušší než složitě vyrábět biologickou zbraň metodami syntetické biologie.
