První stabilní polosyntetický organismus  
Za posledních několik let se vědci holedbali celou řadou umělotin. Namátkou třeba „nepřirozenou DNA“, „replikujícími se molekulami podobnými DNA“, „prvním organismem s umělým genomem“ i „syntetickým organismem“. V tomto týdnu přibyl „první stabilní polosyntetický organismus“. Začíná v tom být poněkud nepřehledno a žádá si to vysvětlení.

The Scripps Research Institute, La Jolla, Kalifornie
The Scripps Research Institute, La Jolla, Kalifornie

Kniha knih

Genetici tak rádi říkají genomu. Je prý napsán dost primitivně, jakoby tvůrce neuměl do pěti počítat. Jinak by prý tak složité věci nepsal pouhými čtyřmi písmeny. Pokud přistoupíme na hantýrku „molekulárníků“ a představíme si genom jako knihu, tak na okrajích jednotlivých stránek (ve skutečnosti na povrchu vlákna), je plno poznámek. Jsou dopsané epigenetickým písmem.

Ať už ale jde o značky modrým inkoustem (metylací) nebo červeně (acetylací), nic to nemění na situaci, že všechny epigenetické poznámky jsou stále jen taková dovysvětlující sdělení s funkcí vysvětlivek pod čarou. Jsou dobré k tomu, že buňkám našeptávají, jakou tomu kterému odstavci v knize je potřeba věnovat pozornost. Zda je kapitola důležitá, nebo zastarala a je lepší o ní pomlčet (geny uspat). I když jsou poznámky potřebné, to hlavní je v genech a to je zapsáno abecedou A,G,C,T (střídáním čtyř bází - Adenin, Guanin, Cytosin a Thymin). Zápis je lineární a tak lze říci, že život je z velké části jaksi „nalinkován“.

Mezi hackery se cení, když se jim podaří proniknout a vyznat se v programu někoho jiného a využít to ve svůj prospěch. Podobné ambice mají molekulární genetici. Rozdíl mezi nimi je jen v tom, že jedni pracují s nulami, jedničkami, uvozovkami, lomítky, zpětnými lomítky, a zobáčky,... druzí s A,G,C,T.  

Přirozené nukleové báze jsou základní součástí DNA. Jejich sled vytvoří zápis genetické informace. Jejich párování dovoluje zapsanou informaci replikovat.
Přirozené nukleové báze jsou základní součástí DNA. Jejich sled vytvoří zápis genetické informace. Jejich párování dovoluje zapsanou informaci replikovat.

Před několika dny se ve sborníku americké Akademie věd objevil článek o organismu, který kromě písmen A,C,G,T má v abecedě ještě X a Y. Nenazvali to dobře, protože nás laiky to svádí k představě, že se jedná o pohlavní chromozomy a tedy nic zvlášť zajímavého, na co je radno věnovat čas. Opak je ale pravdou. Už proto, že se jedná o semisyntetický organismus a že je z dílny výzkumníků ze Scripps Research Institute. Pravdou je, že s takovým organismem se již chlubili před dvěma lety, ale tehdy měl ještě mouchy, a tak se to  na veřejnosti moc nerozkřiklo. Když zapátráme v paměti, tak se nám při slovech „prvním umělý život“ vybaví jiné pracoviště a jiná bakterie, o níž se psalo hodně. Jejímu  tvůrci se dokonce dostalo přezdívky Bůh02.

 

Jak se ukazuje, tak různá prvenství v řemeslu tvorby umělého života si začíná přivlastňovat stále více týmů. Přitom ale ne všechno, co se tváří jako umělé, také umělé je. Je dobré si všímat slovíčkaření, třeba proto, že zatím co my máme tendenci považovat syntetický za ekvivalent umělého, vědci to rozlišují.

 

„Umělý život“ od Ventera

Za prvenstvím jeho vzniku stál tým čtyřiadvaceti genetiků v čele s Craigen Venterem. Podařilo se jim syntetizovat v laboratoři dědičné informace jednoduché bakterie Mycoplasma mycoides. Ta ji má složenou z více než milionu písmen abecedy genetického kódu. Tak dlouhou molekulu ale nelze vyrobit najednou. Vědci proto nejprve poskládali její kratší části a ty pak spojovali do větších celků. Nakonec byly součásti genomu tak velké, že si s nimi už laboratorní technika neporadila a tak finální kompletaci bakteriální DNA museli svěřit buňkám kvasinek. Ty se pak staly zdrojem úplného genomu bakterie.

Venterovy mykoplazmy. (Kredit: J. Craig Venter Institute)
Venterovy mykoplazmy. (Kredit: J. Craig Venter Institute)

Mimo prostředí bakteriální buňky by syntetická dědičná informace zůstala  jen kusem mrtvé hmoty. Venterův tým se ji proto rozhodl „transplantovat“. Jako příjemce vybral příbuznou bakterii Mycoplasma capricolum. 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 skartovačka  - rozstřihají ji na malé kousíčky. Svou vlastní dědičnou informaci Mycoplasma capricolum před účinky enzymatické skartovačky chrání vazbou malých molekul na povrch dvojité šroubovice DNA.

 

Syntetická dědičná informace tento ochranný „povlak“ postrádá. Genetici proto vybavili transplantovanou DNA ochranným „obalem“ z malých molekul a navíc oslabili enzymatickou skartovačku v příjemcovské buňce. Potíže vzdáleně připomínající komplikace při skutečné transplantaci, kdy imunitní obrana příjemce odmítá transplantovaný orgán, se tak podařilo zdolat.
Jinak řečeno, Venter a spol. tedy nestvořili první umělý organismus. Byla to od nich tak trochu propagandistická nadsázka, které se chytl tisk a udělal z toho bombastickou záležitost. Umělého přitom na tom moc není. Vše si museli genetici vypůjčit od živé buňky vzniklé v přírodě. Ale i tak to byla na průkopnickou dobu před šesti lety naprostá bomba. To až s odstupem času sarkasticky poznamenáváme, že „jen“ přečetli DNA již existující bakterie, v laboratoři ten řetězec podle předlohy syntetizovali a tuto syntetickou molekulu vložili do jiné, již existující bakterie zbavené jádra. A že pak tento splácaný konglomerát byl schopen se množit. Dnes bychom to považovali spíš za falzifikát něčeho, na co má copyright příroda. 

Nepřirozené syntetické nukleobáze Y (vlevo), X (vpravo). I když tyto syntetické deoxynukleosidy nejsou odvozeny z purinu a pyrimidinu, obsahují dva kondenzované aromatické cykly a ty mají schopnost se párovat.  (Kredit: Romesberg lab.)
Nepřirozené syntetické nukleobáze Y (vlevo), X (vpravo). I když tyto syntetické deoxynukleosidy nejsou odvozeny z purinu a pyrimidinu, obsahují dva kondenzované aromatické cykly a ty mají schopnost se párovat. (Kredit: Romesberg lab.)

Nynější novinka už je jiná káva

Než se začneme věnovat publikaci, která nás přivedla k napsání tohoto článku a na níž je jako první autor uveden Yorke Zhang, bude dobré se zmínit o věcech, které udělal Zhangův školitel Floyd Romesberg.  Ta nejnovější práce je totiž jen takovou třešničkou na Romesbergově dortu. On je tím, kdo položil základy toho, čemu říká „nepřirozený základní design“.

 

Nepřirozený dizajn

Jak tu stále dokola omíláme, DNA je dána čtyřmi bázemi A,G,C,T a ty se mezi sebou ve šroubovici propojují vodíkovými můstky. Romesberg syntetizuje molekuly, které nejsou bázemi, ale jako báze se chovají. To znamená, že je mohou nahradit. Ba co víc, jeho nepřirozené báze nejen, že s našimi A,G,C,T nemají nic společného, ale některé se dokonce nepárují vodíkovými vazbami, jako tomu je dobrým zvykem u těch klasických bází. Romesberg už takových molekul připravil tisíce. Ale jen některé se ukázaly být těmi pravými. Tím je míněno, že se párují jako báze a dokonce spolupracují s enzymem zvaným DNA polymeráza. Právě to je vzhledem k budoucímu nepřirozenému životu věc dosti podstatná. Enzym je totiž tím, kdo ze svého okolí sbírá báze a sestavuje z nich onu magickou dvojšroubovici – knihu knih - návod všech buněk, v němž je napsáno co, jak, kdy a kde je potřeba dělat.        
V článku z tohoto týdne v PNAS Zhang zmiňuje „semisyntetický organismus“ u něhož uvádí, že je „navržený pro stabilní rozšíření genetické abecedy“. K vysvětlení jeho formulace se opět musíme vrátit k dílu jeho mistra. I on vytvořil semisyntetický organismus s nepřirozenými bázemi, které se v přírodě nevyskytují. Dokonce jde v obou případech o stejný organismus – bakterii Escherichia coli. I tento organismus se uměl množit a předávat ony umělé báze na potomstvo. Zakopaný pes u něj byl v tom, že se bakterie svých nepřirozených bází časem zbavovaly. Jinak řečeno, těch semisyntetických bylo v kultuře vždy po každém dělení o něco méně, až po nějaké době už na misce byly zase jen samé normální (bez syntetických bází X a Y). To z pohledu snahy rozšířit genetickou abecedu, bylo překážkou. 

Návrat k normálu je v představě světlých syntetických zítřků nežádoucí

Proč se výzkumníci tolik snaží do genomu vecpat něco nepřirozeného a ještě od toho chtějí, aby to organismus „neodhojoval“?  Trpí totiž utkvělou představou, že se jim časem podaří mikroby vylepšovat a že u nich díky jejich vynálezu začne platit něco jako „kolik řečí znáš, tolikrát jsi bakterií“. Ve výhledu to má znamenat zcela nové vlastnosti a schopnosti a časem se to nemá týkat jen mikrobů.

Vlevo: Klasická Watson-Crick struktura DNA s vazbou bází guanin - cytosin. Vpravo: Působením enzymu polymeráza nepřirozené báze rovněž vytvoří Watson-Crick DNA strukturu. (Kredit: Romesberg lab.)  http://www.scripps.edu/romesberg/Research/BaseDesign.html
Vlevo: Klasická Watson-Crick struktura DNA s vazbou bází guanin - cytosin. Vpravo: Působením enzymu polymeráza nepřirozené báze rovněž vytvoří Watson-Crick DNA strukturu. (Kredit: Romesberg lab.)

Zhangova publikace je o tom, jak se podařilo problémem nestability umělých organismů vyřešit. Jejich upravená bakterie už nepřirozené báze přenáší na potomstvo, a měla by tak činit prakticky setrvale.
O  geneticky modifikovaných organismech (GMO) se na oslovi píše často. Tentokrát tu máme organismus s pozměněnou DNA (vloženými bázemi). Už to samotné na označení takového výtvoru za GMO zcela stačí. Ta změna je ale provedena něčím, co lze laicky označit za písmena genetického kódu, která stvořitel nikde a u ničeho na Zemi nepoužil. Je to tedy tak trochu už GMO2.

 

Až se k těm, co vylepšování organismů genomanipulacemi zrovna nemusí, dostane co výzkumníci spáchali, že jejich nové GMO na potomstvo předává substanci, která je jako z jiného světa a že už to předávání je i stabilní… Bude z toho pořádná mela. To, že bakteriální kultura je stabilní jen potud, pokud jí syntetické báze servírujeme v živném mediu, kritiky nejspíš ani zajímat nebude.  

Zajímavý je i způsob, jakým se výzkumníkům podařilo mikroby oblafnout

Aby se bakterie vloženým nepřirozeným bázím (písmenkům) nevzpěčovaly, vyžadovalo to je znásilnit vpašováním nepřirozených bází do buněk, což udělali pomocí plasmidů. Pak ale následovala ještě větší brutalita. Tou organismu zabránili, aby se do genomu vpašovaných nepřirozených bází X a Y nezbavoval. Toho dosáhli zabudováním dalšího udělátka do bakteriální buňky. I o něm najdete na oslovi celou řadu článků, jedná se totiž o systém CRISPR-Cas9 (segment DNA spolupracující s enzymem). Tentokrát aktivity systému nastavili vědci tak, aby v bakteriích vyprovokoval imunitní reakci proti DNA. Nikoli ale té nepřirozené, ale právě naopak. Proti těm řetězcům, kterým báze X a Y, chybí. Laicky řečeno navedli imunitu proti potomkům, kteří se bakteriím (z pohledu výzkumníků), nevyvedli.

Prvním stabilním polosyntetickým organismem je Escherichia coli. Na snímku je zvětšena 78 000x. (Kredit: Peter Highton )
Prvním stabilním polosyntetickým organismem je Escherichia coli. Na snímku je zvětšena 78 000x. (Kredit: Peter Highton )

 

Tím se stalo, že si bakteriální kultura svou snahu o uzdravení neustále hatí - potomky bez X a Y vyřazuje. Kdybychom chtěli aktivisty provokovat, tak zabudováním tohoto likvidačního mechanismu do části potomstva tu začínáme mít tak trochu něco jako GMO3. Důležité je si ale uvědomit, že tu nejde o vylepšení v tom smyslu, že by ty cizí umělé báze byly lepší, než ty klasické. K tomu totiž přečtení názvu článku a abstraktu může svádět. Nicméně i výsledek "nevylepšených" bakterií autory opravňuje k tomu, aby svá stvoření nazývali nejen organismem semisyntetickým, ale i s dovětkem stabilní (i když podle nás to je na hraně a s přimhouřením obou očí - umělé báze v nich žádnou funkci neplní, zatím).

 

Psáno pro ALFA MEDICAL a osel.cz
Psáno pro ALFA MEDICAL a osel.cz

 

Závěr

Pravdou je, že poptávka po těchto organismech momentálně není. Jsou zatím prakticky k ničemu. Mohly by nám ale být nápomocny v chápání forem života na jiných planetách. Je tu ale ještě něco. Dávají nám s předstihem jasně na srozuměnou, že přijde doba, kdy všechny procesy života budou předmětem manipulace. A tím míním opravdu všechny!

 

Literatura

Yorke Zhang, et al.: A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet, PNAS, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1616443114

Datum: 29.01.2017
Tisk článku

Související články:

Zabije nás GMO a uzdraví nás modlitba?     Autor: Jaroslav Petr (21.09.2012)
Vědec s přezdívkou Bůh 2.0 představil nejmenší syntetickou buňku     Autor: Josef Pazdera (04.04.2016)
Co kdyby celý svět vyslyšel aktivisty a zakázal GMO plodiny     Autor: Josef Pazdera (08.11.2016)
Bitva o patent na CRISPR-Cas9 začala, hraje se o miliardy     Autor: Josef Pazdera (19.12.2016)



Diskuze:



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace