Těžká cesta k umělému genomu

Zvětšit obrázek

Bakterie  Mycoplasma  mycoides pohledem  elektronového mikroskopu. (Kredit:Tom Deerinck a Mark Ellisman of the National Center for Microscopy and Imaging Research,  University of California at San Diego).

Tým čtyřiadvaceti genetiků v čele s Craigen Venterem syntetizoval v laboratořích The J. Craig Venter Institute dědičnou informaci jednoduché bakterie Mycoplasma mycoides složenou z více než milionu písmen genetického kódu. Tak dlouhou molekulu nelze vyrobit najednou. Vědci nejprve syntetizovali její kratší části a ty pak skládali do větších celků. Nakonec byly součásti genomu tak velké, že si s nimi už laboratorní technika neporadila. Finální kompletaci bakteriální DNA proto genetici svěřili buňkám kvasinek. V těch pak získali úplný genom bakterie.

Mimo prostředí bakteriální buňky by syntetická dědičná informace zůstala  jen kusem „mrtvé hmoty“. Venterův tým se ji proto rozhodl „transplantovat“ a 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.

Zvětšit obrázek

Craig Venter, velká postava syntetické biologie a také velký manipulátor s medii. Loni předhodil novinářům informaci o podobném umělém bakteriálním kmenu.

Ani pak neměl Venter a jeho tým vyhráno. Bakterie se množily a v některých nakonec zůstala jen transplantovaná syntetická DNA. V té chvíli však tyto buňky hynuly. Umělá dědičná informace nefungovala. Bylo jasné, že se do syntetické DNA vloudila chyba. Venter defekt marně hledal po několik týdnů. Nakonec se ukázalo, že v životně důležitém genu dnaA vypadlo jedno písmenko genetického kódu. Tím informace genu ztratila smysl a buňka se 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. Výsledky pokusů zveřejnil prestižní vědecký týdeník Science.
Venter a spol. v  žádném případě nestvořili 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 a v dohledné době se na tom mnoho nezmění.

Výrobci léků a energie
Craig Venter je přesvědčen, že mikroorganismy s umělým genomem najdou praktické uplatnění. Mykoplasmy vystačí možná jen s 260 geny. Buňky s takovým „minimalistickým“ genomem  by bylo možné vybavit dalšími geny, které by zajistily funkce, jaké mykoplasma původně neměla. Bakterie se syntetickým genomem by pak  mohly vyrábět komplikované chemické sloučeniny, které dokážou syntetizovat jen exotické organismy, jako jsou například mořské houby. Takové látky nacházejí uplatnění jako účinné léky proti nádorovým onemocněním, virovým infekcím nebo nebezpečným cizopasníkům. Přírodní zdroje těchto molekul jsou omezené, jejich chemická syntéza je komplikovaná a drahá. Bakterie by je mohly vyrábět ve velkém a lacino.

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.

Zvětšit obrázek

Celkový genom Mycoplasma je sestaven z více než milionu párů bazí (stávající rekord byl jen několik tisíc). Některé části genomu ale synteticky v laboratoři připraveny nebyly, jedná se pouze o kusy vystřižené z genomu přirozené bakterie, takže zcela o syntetický kód vlastně ani nejde. Kredit: Venter Institute, Gibson, D. G., J. I. Glass, et al. 2010. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, Published online May 20 2010.

Arzenál genů potřebný pro takové mikroby hledá  Craig Venter v rámci dalších projektů. Na své soukromé jachtě Sorcerer II obeplul svět. Na mnoha místech odebral mořskou vodu i s mikroorganismy a DNA, kterou z nich izoloval, podrobil zevrubné analýze. Odborníci byli šokováni druhovou  pestrostí mikroskopických forem života v oceánech. Genetiky zaskočilo spektrum genů, které tyto mikroorganismy nesou ve své dědičné informaci. Není pochyb, že „genetické suroviny“ má Venter pro realizaci svých smělých vizí dost a dost.

Zbraně a patenty
Ozývají se hlasy varující před zneužitím oboru, pro nějž se ujalo označení „syntetická biologie“. Bakterie s umělým geonomem by mohly být teoreticky použity jako biologické zbraně při teroristických útocích. Syntéza DNA se však zdá pro účely bioterorismu jako mrhání časem, silami a penězi. Na Zemi žije dost a dost mikroorganismů, které se dají pro teroristický útok využít bez jakýchkoli úprav. Ideálem bioteroristy je například Burkholderia pseudomallei. Původce onemocnění označovaného jako melioidóza je domovem v jihovýchodní Asii a severní Austrálii. Bakterie přežívá v půdě, ve vodě i v lidském organismu. Při melioidóze se  často vytvářejí zánětlivá ložiska a z nich se infekce šíří do celého těla. Pokud infekce přeroste v otravu krve, jsou pacientovy šance na přežití jedna ku deseti. Melioidózu není jednoduché diagnostikovat a její původce vzdoruje většině běžných antibiotik.

Zvětšit obrázek

Mycoplasma mycoides, jejíž genom vědci transplantovali do kvasinky, změnili jej a vrátili zpět do příbuzné bakterie. Syntetická DNA okamžitě převzala kontrolu a celou buňku „přeprogramovala“. Buňky se začaly množit a vytvořily miliardy svých kopií, které rovněž nesou umělý genom. (Kredit: J. Craig Venter Institute)

Širokému využití mikrobů se syntetickým genomem  se mohou postavit do cesty patentová práva. Craig Venter si  na ně podal patentovou přihlášku už v říjnu roku 2006. Udělení patentů vázlo kromě jiného na tom, že neměl v ruce bakterii s kompletně syntetickým genomem. Tato námitka však právě padla. Nyní vidí odborníci na patentové právo výsledek patentového řízení celkem jednoznačně. Nejvyšší soud USA už před mnoha lety patentování mikroorganismů s pozměněnou dědičnou informací schválil. Někteří experti z oboru syntetické biologie se však domnívají, že se Venterovi nepodaří prokázat jasný přínos bakterií se syntetickým genomem  „Neexistuje žádný důvod, proč bychom potřebovali kompletně syntetickou mykoplasmu  a proč by vodík nemohla stejně dobře vyrábět i běžná střevní bakterie Escherichia coli s poupravenou dědičnou informací,“ řekl v rozhovoru pro vědecký týdeník Science harvardský biolog George Church.
Odpůrci syntetické biologie požadují, aby byly nejprve vyřešeny otázky bezpečnosti bakterií se syntetickým genomem. Odborníci však namítají, že mykoplazmy použité ve Venterových experimentech  jsou bezpečnější než jiné mikroorganismy. Dokážou přežít jen ve speciálních živných roztocích.

„Pokud by unikla mimo laboratoř, tak uhyne,“ tvrdí o mykoplasmě se syntetickým genomem biolog Frederick Blattner z University of Wisconsin v americkém Madisonu.

 
Pokroky v čtení a syntéze DNA
Rozvoj syntetické biologie byl umožněn revolučními inovacemi v molekulární genetice i v technikách, které byly pro tuto vědní disciplínu v polední době vyvinuty.
V roce 1977 byla poprvé přečtena kompletní dědičná informace. Patřila viru a skládala se zhruba z 5000 písmen genetického kódu. Genetik Sydney Brenner tehdy řekl, že čtení DNA by nechal za trest dělat těm nejtěžším zločincům.
„Čím horší zločin, tím větší kus dědičné informace by museli přečíst,“ řekl pozdější laureát Nobely ceny.

V roce 1995 přečetl Craig Venter první kompletní genom bakterie Haemophilus influenzae s necelými dvěma miliony písmen genetického kódu. Před deseti roky byl nahrubo přečten lidský genom složený z tří miliard písmen genetického kódu. Genomy složené z miliard písmen genetického kódu lze dnes těmi nejmodernějšími technikami přečíst během několika dní. Většinu práce přitom odvedou automaty bez zásahu lidské ruky.
Stejně tak pokročila syntéza DNA. Nedávno bylo možné v laboratoři vyrobit řetězce složené nejvýše z desítek či stovek písmen genetického kódu. V roce 2002 se podařil americkým genetikům syntetizovat kompletní genom viru obrny čítající bezmála osm tisíc písmen genetického kódu. Dnes se posunula hranice možného při syntéze genomů za hranici milionu písmem genetického kódu.

Limitem pro syntetickou biologii se jeví její rozšíření na vyšší formy života. Kvasinky jsou jednobuněčné organismy podobně jako mykoplasmy a jejich genom obsahuje 12 milionů písmen genetického kódu. Není však uložen v buňce „volně“, jako u bakterií, nýbrž v buněčném jádru. To má velmi složitou strukturu, kterou zatím v laboratoři napodobit neumíme.  Houby, rostliny nebo zvířata s umělým genomem proto ještě nadlouho zůstanou doménou autorů science fiction.

Vyjádření  Craiga Ventera:

Venter na tiskovce ve Washingtonu: