Slavný vizionář vytvořil umělý organismus jen s 473 geny. Budeme brzy vyrábět bakterie 'na míru'?

- Příroda autor: Jan Toman

Představovali jste si někdy, jaké by bylo navrhnout si vlastní organismus? V éře genových manipulací a bouřlivě se rozvíjející molekulární biologie se tato naivní představa pomalu stává skutečností. Ještě před pár lety vědci sotva rozuměli roli několika hlavních genů, zatímco dnes se jejich orchestrace, stejně jako vliv na vzhled a vlastnosti organismů, začíná odkrývat ve vší složitosti. 

JCVI-syn3.0

JCVI-syn3.0,zdroj: J. Craig Venter Institute

Moderní molekulárně biologické metody zase umožňují rychle "nasnovat" předem naplánovanou sekvenci DNA a vložit ji do buněčného obalu. Syntetické biologii se tak už dnes daří plnit odvěký lidský sen o vytvoření "umělého" života.

Jak jsme se před pár dny mohli dočíst na stránkách prestižního vědeckého časopisu Science, první skutečně významný krok do budoucnosti syntetické biologie se povedl výzkumnému týmu amerického biologa, biotechnologa, podnikatele a vizionáře Craiga Ventera.

Jméno této vědecké celebrity se do širšího povědomí poprvé dostalo na přelomu tisíciletí v souvislosti s úspěšným přečtením lidského genomu, na čemž se výrazně podílel.

Později stál se svou biotechnologickou firmou u zrodu mnoha nových molekulárně biologických metod, projektů zaměřených na čtení DNA přímo z prostředí či právě syntetické biologie zaměřené na konstrukci životaschopných organismů ze základních komponent v přímo laboratoři.

I když by jistě bylo vzrušující navrhnout si nějaké makroskopické zvíře nebo rostlinu, vědci se zatím musí uskromnit. Především se dnešní syntetičtí biologové musí spokojit s vytvářením genetického materiálu. Ostatní buněčné komponenty pocházejí od "živých dárců".

Při vší složitosti genetické stavby organismů je navíc hranicí současných možností už syntéza malých bakteriálních genomů. Pro účely syntetické biologie se nejvíc hodí ty nejmenší z nejmenších. Proto výzkumníci pracují s bakteriemi rodu Mycoplasma, které jsou mikroskopickými parazity živočichů a oplývají vůbec nejmenším známým genomem. Ostatně, není se čemu divit.

V těle svého hostitele mají mykoplasmy dostatek živin a mnoho genů, bez kterých jejich volně žijící sestřenice nepřežijí, si tak mohly dovolit poztrácet na úkor rychlejšího množení.

První dílčí průlom se podařil Venterovu výzkumnému týmu v roce 2008 s druhem Mycoplasma genitalium. Vědci přečetli genom této bakterie a "písmeno po písmenu" sestavili jeho kopii. Tu následně vložili do buňky, jejíž genetická informace byla předtím odstraněná.

Úspěšně. Napůl syntetická bakterie přežila a rozmnožila se. Tentokrát si však výzkumníci vybrali daleko větší sousto. Rozhodli se zkonstruovat nejmenší životaschopný genom. Jinými slovy takový, který by obsahoval jen pro život naprosto nezbytné geny, a který by následně mohl posloužit jako templát při vytváření prakticky využitelných syntetických bakterií.

Výzkumníci začali s genomem druhu Mycoplasma mycoides, který se množí o něco rychleji než Mycoplasma genitalium. Ten původně obsahoval zhruba 900 genů a syntetizován byl v osmi oddělených částech. Jeho sestavování mimochodem nezabralo ani tři týdny a bylo tak řádově rychlejší než syntéza prvního syntetického genomu v roce 2008.

Vědci následně porovnali genom s příbuznými druhy, shromáždili známé funkce jeho genů a 440 z nich – takové, které by neměly být pro přežití nezbytně nutné – odstranili. Jen jedna z osmi částí ovšem dokázala při kombinaci s "neseškrtaným" zbytkem vytvořit životaschopnou bakterii. Původní odhad nezbytných genů byl očividně špatný.

Výzkumníci proto pomocí náhodného "rozstřelu" jednotlivých genů u různých jedinců určili, jaké z nich jsou nezbytné, téměř nezbytné a postradatelné. Postradatelné geny odstranili a genom opět otestovali. Tentokrát dokázala životaschopnou bakterii vytvořit každá z osmi částí, pokud byla doplněna "neseškrtaným" zbytkem genomu. Dohromady však bakterii při životě neudržely.

Důvod byl nabíledni. Různé zdánlivě zbytečné geny zastávaly stejné funkce a navzájem se tak zálohovaly. Odstranění všech záloh ovšem vedlo k neživotaschopnosti syntetického organismu. Po několika dalších kolech testování nezbytnosti genů, pokusů a omylů se podařilo vytvořit nejmenší životaschopný genom, který výzkumníci nazvali syn3.0.

Syn3.0 obsahuje pouhých 473 genů. Zachována byla naprostá většina genů zodpovědných za nakládání s DNA, její kopírování, čtení a opravy. Ty tvoří dobrou polovinu minimálního genomu. Po necelých dvaceti procentech genomu potom zabírají geny s neznámou funkcí, geny zodpovědné za vytváření buněčné stěny a metabolické geny.

Malé zastoupení metabolických genů nepřekvapuje, protože testovaný organismus dostával téměř všechny živiny přímo "na talíři" a sám si je vytvářet nemusel. Dokonce i původní Mycoplasma jich většinu od hostitele dostává už zpracovanou.

Buňky Syn3.0 také obsahují řadu ne úplně nezbytných genů, bez kterých by se ale množily extrémně pomalu nebo jen skomíraly. Takhle se dělí zhruba jednou za tři hodiny a lze s nimi dále pracovat.

A na co že mohou být dobré? Minimální genom snad bude výhledově možné "ověsit" geny podle vlastního výběru a vytvořit si tak třeba bakterie rozkládající plasty nebo toxické chemikálie, případně bakterie syntetizující léky či ropu.

V některých kruzích mohou možnosti syntetické biologie vyvolávat obavy. Jak ale upozorňují biologové, daleko větší hrozbu představují pro člověka staří známí vycizelovaní miliony let evoluce. V přímém souboji s nimi by syntetické organismy zřejmě neměly šanci a případné zneužití již existujících organismů coby biologických zbraní je nesrovnatelně jednodušší.

Zdroj: CA Hutchison, RY Chuang, VN Noskov, ... & JC Venter (2016): Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science, 351(6280).

Tagy: bakterie biologické inženýrství genetika věda a poznání molekulární biologie

Zdroje: Vlastní