Jak přeprogramovat buňku

Pod vedením Craiga Ventera, jemuž se přezdívá Bill Gates genetiky, syntetizovali vědci genom jednoduché bakterie Mycoplasma mycoides složený z více než milionu písmen genetického kódu a vpravili jej do bakteriální buňky. Donedávna bylo možné v laboratoři vyrobit dvojitou šroubovici DNA složenou nejvýše z desítek či stovek písmen genetického kódu čili bazí. V roce 2002 se podařilo americkým genetikům syntetizovat kompletní genom viru obrny čítající bezmála 8000 písmen genetického kódu. Laboratorní přípravou genomu mykoplasmy prolomili genetici při syntéze DNA hranici milionu bází.

Tak dlouhou molekulu nelze vyrobit najednou. Vědci nejprve syntetizovali kratší úseky, a ty pak skládali do větších celků. Poslední krok před zkompletováním genomu se ale ukázal pro současné laboratorní techniky jako příliš velké sousto. Vědci museli propašovat genetické součástky do kvasinek, a ty za ně dílo dokončily. Úplný genom bakterie vědci izolovali z kvasinky. Mimo prostředí bakteriální buňky by syntetická dědičná informace zůstala jen kusem „mrtvé hmoty“. Venterův tým se ji proto rozhodl „transplantovat“. Jako příjemce si vědci vybrali bakterii Mycoplasma capricolum, která je vlastníkovi syntetického genomu blízce příbuzná.

Mykoplasma II.

První pokusy skončily fiaskem. Příjemce „transplantovanou“ dědičnou informaci velmi rychle ničil. Genetici zjistili, že Mycoplasma capricolum je vybavena enzymy, které na cizí DNA působí jako drtička - rozloží ji malé kousky. Svou vlastní dědičnou informaci chrání Mycoplasma capricolum před účinky enzymatické drtičky tím, že na povrch dvojité šroubovice DNA naváže metylové skupiny. Syntetická dědičná informace tuto ochrannou metylaci postrádá. Genetici proto transplantovanou DNA metylovali a navíc oslabili enzymatickou drtičku v příjemcovské buňce. Potíže vzdáleně připomínající komplikace při skutečné transplantaci, při níž imunitní obrana příjemce odmítá transplantovaný orgán, se tak podařilo zdolat.

Ani pak neměl Venter a jeho tým vyhráno. Bakterie obsahovaly kromě transplantované syntetické DNA i svou vlastní dědičnou informaci. Byli to vlastně hybridi. Při dělení buněk však nakonec v některých bakteriích zůstala jen transplantovaná syntetická DNA. To byl pro Ventera a spol. kýžený cíl. Jásot však byl předčasný. Buňky vybavené pouze syntetickou DNA hynuly. Umělá dědičná informace nefungovala. Bylo jasné, že se do syntézy vloudila chyba. Po několik týdnech marného pátrání se ukázalo, že v jednom životně důležitém genu vypadlo písmenko genetického kódu. To stačilo, aby informace genu ztratila smysl a buňka se pak nedokázala dál množit. Po opravě genetického „překlepu“ už fungovaly buňky mykoplasmy s transplantovanou syntetickou DNA dokonale. Metabolizovaly živiny, vyráběly kompletní sadu bílkovin podle instrukcí podvrženého genomu a množily se. Venterův tým ale v žádném případě nestvořil první umělý organismus. Syntetická je jen dědičná informace. Vše ostatní si museli genetici vypůjčit od živé buňky vzniklé v přírodě. V laboratoři nic takového vyrobit neumíme. Na tom se v dohledné době mnoho nezmění.

Craig Venter, vůdčí postava syntetické biologie|foto: PLoS Biology, CC BY 2.5

Mykoplasma III

Craig Venter je přesvědčen, že mikroorganismy s umělým genomem najdou praktické uplatnění. Mykoplasmy vystačí možná jen s 260 geny. Buňky s takovou „minimalistickou“ dědičnou informací lze vybavit dalšími geny. Ty jim zajistí funkce, jaké mykoplasma původně neměla. Bakterie se syntetickým genomem by pak mohly vyrábět komplikované chemické sloučeniny, jaké dokážou produkovat jen exotické organismy, například mořské houby. Takové látky nacházejí uplatnění jako účinné léky proti nádorovým onemocněním, virovým infekcím nebo nebezpečným cizopasníkům. Přírodní zdroje těchto molekul jsou omezené a jejich chemická syntéza je komplikovaná a drahá. Bakterie by je mohly vyrábět ve velkém a lacino.

Buňka|foto: Imageafter

Nemalé naděje vkládá Craig Venter do bakterií, které by díky upravené syntetické dědičné informaci pomohly s řešením ožehavých ekologických problémů. Doufá, že se s pomocí takových mikrobů podaří dosáhnout efektivní výroby vodíku rozkladem vody. Stejně tak na ně spoléhá při likvidaci nebezpečných toxických odpadů. Arzenál genů potřebný pro takové mikroby hledá Craig Venter v rámci dalších projektů. Na své soukromé jachtě Čaroděj II obeplul svět. Na mnoha místech přitom odebral mořskou vodu i s mikroorganismy a z těch pak izoloval DNA. Výsledky její zevrubné analýzy šokovaly všechny experty. Mikrobiologové byli zaskočeni druhovou pestrostí mikroorganismů v oceánech. Genetiky ohromila různorodost genů, které tyto mikroorganismy nesou ve své dědičné informaci. Není pochyb, že „genetické suroviny“ má Venter pro realizaci svých smělých vizí dost a dost.

Dočkáme se chvíle, kdy budou genetici v laboratořích produkovat kromě bakterií s umělým genomem i rostliny a živočichy se syntetickou dědičnou informaci? Podobné plány jsou zatím předčasné. Genomy rostlin a živočichů jsou většinou tak velké, že je zatím není možné vyrobit syntetickou cestou. Je pravděpodobné, že by přitom došlo k mnoha chybám a dědičná informace by nefungovala. To však není hlavní limitující faktor. Vyšší formy pozemského života – živočichové, rostliny nebo kvasinky - nemají dědičnou informaci uloženou volně v buňce jako bakterie. Jejich DNA je důmyslně uspořádána v buněčném jádru. To v laboratoři vyrobit neumíme. Houby, rostliny nebo zvířata s umělým genomem proto ještě nadlouho zůstanou doménou autorů science fiction.

Včera jsme přinesli kratší zprávu a rozhovor.