O pokusech vědců zapsat informace do DNA jsme na oslovi psali již v roce 2008 v článku „První umělá DNA“.  A ještě několikrát později, například v článku "DNA v roli média pro gigantická úložiště dat". Vždy zatím ale šlo o DNA syntetickou. Tentokrát tu ale máme zapisování něčeho nepřirozeného do DNA  živých organismů. Ve Wyss Institutu na Harvardu s tím začali už loni, kde se trio výzkumníků rozhodlo postavit si první „molekulární videorekordér“. Vedoucím skupiny je Georg Church, kterého překladače tvrdošíjně přejmenovávají na Řehoře Kostel. Zvláštností výzkumnického počinu jeho party je, že zapisují přímo do DNA živých bakterií a jako záznamové zařízení k tomu využívají proteinově enzymatický CRISPR systém. Pochopitelně, že svým svěřenkyním (Escherichia coli) výzkumníci nemohli extra porci dat nacpat do tělíček jen tak. Aby se jim nenamontovali do genů, nahráli informace do vymezeného chlívečku v jejich DNA vlákně, kterému říkají CRISPR lokus. To stále ještě mluvíme o jejich loňském pokusu, který jim sloužil jen jako zahřívací kolo, v němž si ověřovali, zda sled znaků půjde nahrát podle časové osy. Ukázalo se, že to je schůdné a tak to letos rozjeli ve velkém stylu a o jejich  „filmu“ se můžeme dočíst v renomovaných časopisech, tak v bulváru, který je pasoval na „bio-umělce hodných transgenních náhrobků“.

Umělci nabídli společnosti alternativu uctívání bližních, která by místo rozšiřujících se ploch hřbitovů se spoustou kamení vylepšovala plíce planety. (Kredit: Shiho Fukuhara)

Abychom pochopili narážku na náhrobky, musíme se vrátit o třináct let zpátky a zavítat do světa umělců. Když kumštýře  popadne nutkání někoho malovat, nebo sochat, jde jim o to, vyjádřit na něm nějakou charakteristickou zvláštnost. Umělci Georg Tremmel, původem Rakušan a Shiho Fukuhara, absolventi na londýnské Royal College of Art, také chtěli vkládat do svých děl něco jedinečného. Tím, že jim neunikaly ani novinky z vědy, zaujalo je, jak jsme každý z nás geneticky jedinečný a že naše specifické sekvence nás charakterizují dokonaleji než otisky prstů.

Biolog Bernard Lamb z Imperial College ve chvilce, kdy ho umělci seznámili se svou představou. (Kredit: Shiho Fukuhara)

Výtvarníky napadlo oslavit život také něčím ze života, pokud možno trvanlivým a jali se to realizovat vkládáním lidské specifické sekvence do stromů. Navštívili několik genetiků z prestižních institucích a ti jim kupodivu záměr tvořit geneticky upravené stromy nerozmlouvali. Výtvarníci si založili společnost Biopresence a jejím jménem podali záměr projektu. V něm stromy chtěli upravovat podle přání zákazníka a nejvíce zájemců se jim dostalo  z řad těch, kteří požadovali do genomu rostliny vpašovat nějakou informaci – většinou jedinečnou sekvenci milované osoby.

Kalkulovaná cena za jeden GMO stromek vyšla v přepočtu na 1 400 000 korun. Britské nadaci podporující vědu a umění NESTA (National Endowment for Science Technology and the Arts)  se projekt zamlouval, a tak vyčlenila na jeho podporu 35 000 liber (v přepočtu téměř dva a půl miliónu korun).

Joe Davies z MIT si byl dobře vědom, že myšlenka „transgenních náhrobků“ je poněkud naivní, nicméně jako příznivec navrhl metodu, kterou by nápad šel realizovat. Pokud by tehdy k němu došlo, byly by stromy dnes vzrostlé, lapaly obávaný CO2 a pro ty, kteří se nebojí jíst geny, by dávaly i něco k snědku. (Kredit: MIT's Biology Lab in Boston)

Joe Davies z Biologické laboratoře Massachusettského technologického institutu je výzkumník (a duší umělec) a myšlenka transgenních pomníčků ho také zaujala. Dokonce natolik, že vypracoval způsob, jak informace do DNA požadovaného organismu namontovat, aniž by ho negativně ovlivňovaly. Jeho nápad vycházel z faktu, že  většina bazických tripletů (kodon) kóduje dvě nebo více aminokyselin a že je tedy možné toho využít a vytvářet rozdíly v genotypu, aniž by to ovlivňovalo fenotyp.

Georg Tremmel propagátor „bio-umění“ na Festivalu umění Yohohama. VIMEO ZDE

Například kodony UUU a UUC (kód pro aminokyselinu fenylalanin), přiřazením „nuly“ k UUU a „jedničky“ k UUC, je možné psát buď 0 nebo 1 bez změny výsledné tvorby aminokyseliny, protože jak UUU tak UUC ji produkují.

Projekt, poté, co si ho vzala na paškál media, narazil na odpor veřejnosti, a tak stanoviska etické a bezpečnostní komise byla zamítavá. Zájemci se tak svých jabloní nakonec nedočkali. Zatímco v Evropě umělcům pšenka nerostla, v Japonsku  Shiho Fukuhara a Georg Tremmel sklízeli ovace.

Video:  Science, art, and design -- crossing borders and hacking society | Shiho Fukuhara | TEDxTokyo

O co šlo bio-umělcům?

Geneticky modifikovaný strom měl být nositelem symboliky - každá buňka by byla jakousi genetickou ozvěnou milované osoby a strom by tak byl skutečným živým odkazem. Jak umělci, tak mnozí genetici ani dnes v této myšlence nespatřují nic zvrhlého a je to podle nich jen jiný způsob uchování památky na jedinečnost člověka, tedy něco o co se snaží i umělci, kteří modelují typický a jedinečný rys člověka do hlíny, kamene či bronzu.

O co jde těm, co je překřtili na filmaře a hrobníky?

Než se parta z Harvardu dostala k „filmařině“ tak to nějaký čas trvalo. V časopisu Nature podrobně popisují, jak do vlákna nejprve zakódovali digitalizovaný obrázek lidské ruky, což měla být jakási reminiscence na první umělecké výtvory pravěkých lidí na stěnách jeskyně. Teprve pak si troufli na film, v němž hlavní roli přisoudili bakteriím a CRISPR. Přesněji jde jen o zhotovení „kopii“ jednoho z prvních filmů, na němž je cválající kůň s jezdcem. I když se všude píše o filmu, je to jako když o Bugatti Chiron prohlásíte, že jde o auto. Ve skutečnosti jde pouze o šest obrázků, jimž by více slušelo říkat animovaný gif.

VIDEO

Co je CRISPR?

Je to zkratka anglického Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. V překladu to znamená úseky s nahromaděnými pravidelně rozmístěnými krátkými repeticemi (opakování nukleotidů). Přičemž tyto repetice jsou přerušovány krátkými segmenty zvanými spacer DNA. U těch se zjistilo, že jsou pozůstatkem dřívějších setkání bakterie s jejími nepřáteli. Spacerová DNA je pak schopna tyto genetické elementy (rozuměj, se kterými se již měla bakterie tu čest se utkat) rozpoznat a celý systém nepřátelsky naladěné cizí DNA (charakterizovanou oním spacerem) deaktivovat mechanismem RNA interference. Přeloženo do lidštiny: CRISPR je očkovací průkaz, do něhož má bakterie zapsáno, na co je imunní. V praxi to pak funguje následovně. CRISPR jsou repetice a Cas zase geny kódující nukleázy a helikázy. Dohromady jsou udělátkem, pro které je hračkou dvoušroubovici DNA rozvolnit a stříhnout.

Ukázka převádění charakteristiky pixelů z obrázku do pixetů a tripletů oligonukleotidů – morzeovky používané živou přírodou. (Kredit: Shipman a kol., Harvard Univ. 2017)

Na Oslu píšeme o CRISPR a editaci genů poměrně často, nicméně většinou ve spojení s  oblíbenými Cas9 geny. V případě našeho filmování si Churchova parta pro své záznamové zařízení nevybrala „devítku“, ale geny kódující enzymy Cas1 a Cas2. Upravila je tak, aby  samy vkládaly ony již jmenované krátké spojovací segmenty, „spacers“ sekvenčně. 
Pak už jen zbývalo digitální informace obsažené v každém pixelu obrázku v buňkách překlopit do sekvencí (nukleotidů).  A protože šlo o „film“, tak to zařídit pro každý obrázek zvlášť a s dodatkem o číslem snímku. Zbytek už byla nahrávací rutina, kterou udělal CRISPR s enzymy, přičemž po bakteriích chtělo, aby nedělaly nic, jen pasivně protrpěly, než jim vědci všechny sbírky (po sobě jdoucí spacery) a to pro každý z obrázek, nahrají. Názorně práci CRISPR lze vidět na videu zde.

Nutno přiznat, že bakteriím to nijak zvlášť nevadilo, neboť na přidávání spacerů (někde jim říkají distanční rozpěrky) jsou od přírody zvyklé. Je to princip fungování jejich imunitního systému. Trochu nepříjemná jim mohla být jen elektroporace, což je výraz pro elektrické šoky, kterými se buněčná membrána přiměje k tomu, aby se stala na mžik prostupnou a do buněk mohlo vklouznout potřebné množství „cihel“ (oligonukleotidů) potřebných k prodloužení vlákna DNA a zapsání informací z obrázku. Jednou vložené informace bakteriím v jejich radostech života nepřekážely, a tak se i jejich potomkům dostalo do vínku kopií „pohyblivých obrázků“.

Seth L. Shipman, první autor publikace v nejnovějším čísle časopisu Nature.

Psát o tom, že z namnožených bakterií lze DNA extrahovat a automatickou mašinkou (sekvenátorem) je přečíst, by bylo nošením dříví do lesa. I z buněk následných generací jde číst, co vědci "nukleotidovou morseovkou“ zapsali pra,pra,pra,pra... rodičům  do genomu a také z toho rekonstruovat každý pixel obrázku a počítačem ho převést zpátky do jazyka nul a jedniček a na obrazovce přehrát jako běžícího koníka.

Dokonce ani mutace, které každý živý organismus na cestě životem provázejí, nejsou v tomto případě moc na škodu. Při čtení genomů bakteriální kultury lze totiž hodnoty pixelům přiřazovat na základě nejpočetnějšího údaje spojeného s daným pixelem a tím chyby eliminovat.

Ne všechny druhy bakterií jsou ale k uskladňování informací stejně vhodné. V tomto případě šlo o E. coli. Náš střevní souputník zvládá 100 bytů, což na krátký filmový záběr bohatě stačilo. Aby nedošlo k mýlce, lze nahrávat na více jedinců, jakoby na více kazet. Protože ale je u každého pixelu poznámka kam patří, nevadí, že si každá kazeta pak žije vlastním životem a ve finále čteme "směs".  Přesto v případě delších „fláků“ by se ale více hodila  Sulfolobus tokodaii, té nedělá problém ani desetkrát větší nálož a místo "kazet" bychom už měli "cédéčka".

Jízlivě se dá poznamenat, že zapsat jeden koňský skok vyžadovalo rok práce, což kinematografický průmysl rozhodně neohrozí a vzhledem ke složitému způsobu zápisu a nutnosti následně data dolovat z rektální bakterie nám nehrozí ani ústup od flešek, disků a paměťových karet. Vkrádá se tedy znovu otázka - proč to dělali?

Jde o princip

Ve skutečnosti u tohoto pokusu nejde ani o obrázky a ani o bakterie. Jde o ukládání molekulárních záznamů v jiných typech buněk. To už bude jiná káva. Cílem bude buňky nutit, aby si nahrávky dělaly zcela samy. Například aby si zaznamenávaly biologické informace typu -  kdy se rozhodly provést přechod z jednoho vývojového stádia do druhého. Laicky řečeno, namluvit jim, aby si vedly teenagerovský deníček, v němž by na sebe  práskly co, kdy, kde s kým a na čí podnět prováděly. A protože bychom je navedly, kam si ho mají schovat, šmírováním bychom se dostali k choreografii jejich buněčného života. Například co kmenové buňky ponoukne k tomu, aby se v našem mozku změnily v konkrétní a vysoce specializovaný typ neuronů. Nejspíš zatím ani netušíme, kde všude by se takové poznatky daly využít, ale v regenerační terapii jisto jistě ano.

Zvětšit obrázek

Jak rychle dochází k zápisu informací do DNA, ukázaly čtecí testy prováděné po dodání stavebního materiálu do buněk. Teprve až po poněkud násilném vpravení stavebních kamenů do buněk (elektroporací) se CRISPR mohl pustit do zápisu a začít s prodlužováním DNA vlákna. Přečíst na něm, že jde o ruku, se dalo poznat již zhruba po hodině (časy čtení jsou uvedeny v záhlaví snímků v pořadí den, hodina, minuta). Po šesti dnech, kdy už v kultuře byla zhruba 48 generace bakterií, a obrázek zůstával stabilní, už vědci dál v testech nepokračovali. (Kredit: Shipman a kol., Harvard Univ. 2017)

Kromě nastíněných vzdušných zámků má nynější hračičkování s filmem ještě jeden praktický dopad - politický. Bere vítr z plachet zeleným spolkům, které si z boje proti technologii GMO udělali program a snaží se jí postavit mimo zákon všude, kde to je možné. Jde stále o totéž i tytéž, kteří si dříve nasazovali plynové masky a vyráželi na pokusná políčka trhat rostliny, až se jejich přičiněním biotechnologický výzkum z Evropy z velké části odstěhoval. Bohužel se ukazuje, že stranické linie se hned tak vzdát nelze, a tak se novým cílem aktivistů stala technologie CRISPR. Je dostatečně tajemná a GMO s ní jde tvořit velmi snadno. Bohužel nejspíš ani netuší, že se uchylují k argumentaci, v níž využívají závěry nepodložených pokusů.

U „filmu“ z pěti obrázků bylo třeba přepsat pixely každého z nich samostatně a do DNA zapsat v samostatných rámcích. (Kredit: Shipman a kol., Harvard Univ. 2017)

V poslední době jim jako kladivo na CRISPR slouží studie  Stephena Tsanga z Kolumbijské univerzity. Ta ji označila za rizikovou. Argumentuje se v ní nechtěnými změnami, které tento genomový editor vyvolal i tam, kde neměl. To, co k tomu ale už naši přátelé od Greenpeace zapomínají dodat, že inkriminovaná studie je postavena na pouhopouhých třech myších. Nezmiňují ani to, že jiné kolektivy vědců Tsanga usvědčují, ne-li z podvodu, tak z blamáže.

V potaz neberou ani další novější studie, například tu z Harvardu od Luca Pinello, která uvádí, že ony zmíněné tři myši se s velkou pravděpodobností lišily už v době, kdy si je Tsang bral do pokusu a kdy mylně předpokládal, že jsou geneticky shodné. Tsangem zjištěné změny jsou totiž zcela jinde v genomu, nikoli v blízkosti editovaných míst. K podobně kritickým závěrům dochází další a další týmy, a tak už i z Austrálie zaznívá, že v případě Tsangovy práce jde o vědecký škvár, který seriózní časopis neměl otisknout.

Teď, když Seth Shipmanův článek furiantsky na „filmových záběrech“ ukázal, jak přesně se dá s technologií CRISPR pracovat, to budou mít vytrubovači nebezpečnosti CRISPR technologie zase o něco těžší.  A je moc dobře, že v Harvardu zvolili „ruku“ a „film“, což z čistě vědeckého pohledu je model zbytečně pracný, až nesmyslný. Má to ale symboliku a nám laikům to názorně přibližuje, jak mají vědci svou techniku pevně v rukou, jak přesně a cíleně s ní dovedou pracovat. Nutí nás k to přemýšlení víc, než kdyby jen argumentovali tisícovkami nukleotidů.  Ano, je to správná cesta, jak veřejnosti neznalé detailů tento výzkum přiblížit, aby sama přišla na to, že netřeba sedat na lep všem těm, kterým ujel vlak a už nemají na to, něčím rozumným přispět k pokroku. Právě takoví se rádi uchylují ke strašení peklem, což byl odjakživa výnosný obchod. Za jejich horováním o ochraně veřejných zájmů je především snaha vyvářet zdání potřeby nových placených funkcí s kulatým razítkem a velkými pravomocemi, na něž je dostatečnou kvalifikací vágní termín předběžné opatrnictví.

Technika CRISPR bere evoluci tomu, co na ní měl zatím monopol, razantně z rukou. Zásadně změní zdravotnictví i zemědělství. A nejspíš i osud lidské rasy. V biologii jsme na prahu změn, které si s pokrokem v oblasti elektroniky, nijak nezadají. Nikdo netrpí iluzí, že CRISPR pracuje naprosto bezchybně, ale bylo by smutné, kdyby těm, co to s technologií CRISPR umí, bránili v práci hlupáci.

Literatura

Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis, George M. Church.:  CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature (2017) doi:10.1038/nature23017