Vědci vytvořili v laboratoři minimalistickou formu života. Biologii se otevírají úplně nové možnosti vytváření „organismů na přání“.

Těsně před smrtí 15. února 1988 si slavný teoretický fyzik Richard Feyman zapsal křídou na tabuli: „Co neumím vytvořit, tomu nerozumím.“

Tým molekulárních biologů pod vedením Američana Johna Craiga Ventera ohlásil na stránkách vědeckého časopisu Science vytvoření mikroba, jakého svět ještě neviděl. V dědičné informaci si nese jen to základní a zcela nezbytné pro samostatnou existenci, jakousi elementární sadu genů, s nimiž stojí a padá život buňky. Znamená to, že jsme tvorbou „umělé buňky“ označované kódem JCVI-syn3.0 konečně pochopili základní biologické principy pozemského života?

Zdaleka ne. Už proto, že Venter a spol. zatím netuší, jaké úlohy plní plná třetina životně nezbytných genů. Vědci se také přesvědčili, že dědičná informace, kterou si nejprve „nadesignují“ v počítači a následně vyrobí v laboratoři, ztrácí funkčnost. Venter byl nakonec odkázán na kopírování přírody způsobem připomínajícím žáka, který opisuje správné řešení úlohy, aniž by ho plně chápal. Přesto se lidstvo k pochopení základů života přiblížilo jako nikdy předtím.

Hledá se minimální genom

Všechny pozemské organismy využívají jednotný genetický kód, ale jejich dědičné informace nabraly evolucí roztodivných podob. Některé genomy jsou obří. Rostlina Paris japonica příbuzná našemu vranímu oku čtyřlistému se pyšní největším známým genomem o150miliardách písmen genetického kódu. Každá její buňka ukrývá v jádru více než 90 metrů dvojité šroubovice DNA. Na druhé straně spektra stojí bakterie Nasuia deltocephalinicola s dědičnou informací o pouhých 112 000 písmenech genetického kódu. Její DNA měří na délku necelých sedm centimetrů. Bakterie si může takový „kapesní“ genom dovolit jen díky tomu, že žije v organismu hmyzu kříska Macrosteles quadrilineatus, od kterého získává vše, co si sama vyrobit neumí.

Mezi soběstačnými organismy disponuje nejmenší dědičnou informací bakterie Mycoplasma genitalium žijící v pohlavních orgánech mužů a žen. Vystačí si se zhruba 580 000 písmeny genetického kódu a 521 geny. Člověk je s třemi miliardami písmen genetického kódu a23000geny v podstatě průměrný představitel forem pozemského života.

Když bylo 26. června roku 2000 slavnostně ohlášeno hrubé přečtení lidského genomu, stál u toho i Craig Venter a jeho soukromá společnost Celera Genomics. V té době už však měl Venter za sebou pět let usilovné honby za jiným, neméně ambiciózním cílem – za minimálním genomem. Ten by měl zodpovědět otázku, co je základem života každé buňky.

Při pohledu na genom člověka a bakterie Mycoplasma genitalium je zřejmé, že existuje spousta genů, které nejsou pro život buněk nezbytně nutné a plní funkce „nadstavby“. Dokonce i mykoplazma má zřejmě některé geny „navíc“. Jak asi vypadá „základní sada“ genů?

Venter se pokusil přijít téhle záhadě na kloub tím, že v roce 1995 se svými spolupracovníky narušoval systematicky geny v buňkách bakterie Mycoplasma genitalium a sledoval, jak si bez nich buňky vedou. Došli k závěru, že by buňky mohly pokrýt všechny své základní životní potřeby s výbavou pouhých 382 genů. To však byl v té době ryze teoretický předpoklad nepodložený hmatatelnými důkazy.

Dvacet let hledání

K reálnému minimálnímu genomu vedla dlouhá a komplikovaná cesta, na které strávil Craig Venter se svým týmem více než dvě desetiletí. Museli vyřešit řadu „technických detailů“, z nichž každý představoval vrcholnou vědeckou výzvu. Nejdřív zvládli syntézu celé dědičné informace bakterie Mycoplasma genitalium. Záhy se ale ukázalo, že za výhodu malého genomu platí vědci při práci s touto mykoplazmou krutou daň v podobě pomalého množení buněk. Ke zdvojnásobení počtu buněk v kultuře potřebujeMycoplasma genitalium dlouhých 18 hodin. Venterův tým proto přesedlal na bakteriiMycoplasma mycoides s dědičnou informací o více než milionu písmen genetického kódu a bezmála tisícovkou genů. Tahle bakterie zdvojnásobí počet buněk každou hodinu.

Venter a spol. nejprve zvládli syntézu genomu Mycoplasmy mycoides a následně i přenos takto připravené dědičné informace do buněk Mycoplasmy capricolum. Synteticky připravená DNA se v cizí buňce ujala vlády a vzniklá bakterie vykazovala vlastnosti kódované umělým genomem. V roce 2010 tak byly položeny základy pro vytvoření nové formy života nesoucí jen nezbytně nutnou dědičnou informací. Chyběl už „jen“ minimální genom.

Craig Venter pověřil nadesignováním minimálního genomu dva nezávislé týmy. Ty si rozhodly, co je v genomu bakterie Mycoplasma mycoides zbytečné a co nezbytné, a pustily se do práce. Výsledkem byl plán genomu o 483 000 písmenech genetického kódu a 471 genech. Vědci převedli plán do reality syntézou DNA, kterou vnesli do buněk Mycoplasmy capricolum zbavených vlastní dědičné informace.

„Dočkali jsme se velkého překvapení,“ přiznal na tiskové konferenci Craig Venter. „Neuspěli jsme.“

Na papíře – či spíše v počítači – nebyla v navrženém minimálním genomu patrná žádná „díra“. Přesto nefungoval.

JCVI-syn3.0

V této fázi nezbylo Johnu Craigu Venterovi a jeho nejbližším spolupracovníkům Clydeovi Hutchisonovi a Hamiltonu Smithovi než dát hlavy dohromady a vymyslet náhradní strategii. Rozhodli se rozdělit genom Mycoplasmy mycoides do osmi segmentů. V jednom vyřadili některé sekvence, pak jej spojili se zbývajícími sedmi segmenty a otestovali funkci pozměněného genomu. Po stovkách pokusů a omylů se propracovali ke genomu o 531 000 písmenech genetického kódu a 473 genech, který po vnesení do buněk Mycoplasmy capricolum plnil všechny funkce potřebné k životu buňky.

Bakterie s minimálním genomem se dělí poměrně čile a jejich počet se za optimálních podmínek zdvojnásobí každé tři hodiny. Je to pomalejší tempo než u „plnohodnotné“ Mycoplasmy mycoides, ale o poznání svižnější než u „loudavé“ Mycoplasmy genitalium.

Nový organismus zvaný JCVI-syn3.0 za to ale vděčí několika málo „zbytečným“ genům, které nejsou nutné k přežití, ale usnadňují bakterii množení. Bez nich by buňka přežívala, ale pohybovala by se na hranici živoření a dělila by se neúnosně pomalu. I tak má JCVI-syn3.0 nejmenší genom a nejmenší sadu genů ze všech známých organismů schopných samostatné existence. Trumfnou jej jenom „trpaslíci“ typu zmíněné bakterie Nasuia deltocephalinicola žijící na cizí účet.

Úspěch oznámený s velkým mediálním halasem na Velký pátek 2016 je zároveň mementem omezenosti našich znalostí dědičné informace i těch nejjednodušších organismů. JCVI-syn3.0 ukázala, kde se oba týmy při designování minimálního genomu dopouštěly fatálních chyb. Vědci často „vyškrtávali“ části DNA, které leží mezi geny v jakémsi „území nikoho“, protože je nepovažovali za důležité. Bez těchto „přívěsků“ ale některé geny nepracují, i když jejich samotná struktura je v perfektním stavu.

Když se vědci podívali na seznam životně důležitých genů, čekalo je další velké překvapení, U 149 pro život nezbytných genů nebyli s to říct, k čemu je buňka potřebuje. Funkce těchto genů zůstává i nadále záhadou.

K čemu poslouží?

Vědci bezpochyby brzy odhalí funkce „záhadných“ životně důležitých genů a poučí se z chyb, jichž se dopouštěli, když vynechávali důležité úseky z DNA ležící mimo geny. Pak se jistě vrátí k původnímu záměru a nadesignují plně funkční minimální genom. Možná ještě menší než má JVCI-syn3.0. Proč ale tyto náročné experimenty vůbec podnikat? Pořizovací cena JCVI-syn3.0 se pohybovala kolem 40 milionů dolarů. Vyplatí se to?

Organismy s minimálním genomem nás mohou přiblížit představě, jak vznikal pozemský život. Jak vypadaly první organismy vzniklé na této planetě a co bylo pro vznik prvních forem života nezbytné. To jsou zcela fundamentální otázky, které se nás bytostně týkají.

Ke konstrukci mikroorganismů s minimálním genomem nás však povedou i ryze zištné motivy. Craig Venter se od počátku svého projektu netají plány vytvořit z bakterií s minimálním genomem jakési „šasi“, na které pak budou vědci „montovat“ speciálně vytvářené genetické „moduly“ zajišťující určité funkce. Takové buňky by mohly vyrábět zcela nové léky, likvidovat nebezpečné odpady nebo produkovat levná ekologická paliva. Jiné genetické moduly by mohly v buňkách sloužit podobně jako elektronické logické obvody v počítačích. Mohli bychom získat buňky, které budou registrovat změny ve svém okolí, ukládat si je do vnitřní paměti, vyhodnocovat je a na základě výsledků těchto analýz pak spouštět potřebné akce. Tyto „buněčné mikropočítače“ by nás mohly chránit před civilizačními chorobami.

Řada nevládních organizací se obává zneužití mikrobů se speciálně designovaným genomem pro teroristické útoky. Teoreticky je možné vyrobit nového původce smrtící choroby, ale bylo by to složité a drahé. Potenciálním bioteroristům nabízí příroda bezpočet mikrobů, kteří jsou už k dispozici.

Autor je biolog, profesor České zemědělské univerzity, působí ve Výzkumném ústavu živočišné výroby.

LN, 2.4.2016