Biologové naučili bakterie syntetizovat bílkoviny z aminokyselin, jaké dosud žádný pozemský organismus pro tento účel nepoužil. Otevřeli tak lidstvu přístup k obrovskému množství látek využitelných např. jako léky.

V laboratořích proslulé cambridgeské univerzity pěstuje tým Jasona China bakterii Escherichia coli, která nerespektuje základní pravidla fungování pozemských organismů. Kmen bakterie s kódovým označením Syn61Δ3 je tak trochu „mimozemšťan“. Produkuje bílkovinné molekuly, jaké naše planeta ještě nikdy neviděla. Navíc mikrob využívá svou dědičnou informaci způsobem, který ho dokonale chrání před nákazou jakýmkoli virem. Americký expert z oboru syntetické biologie Abhishek Chatterjee z Boston College označil vznik bakterie Syn61Δ3 za „opravdu zásadní průlom“.

„Otevírá nám cestu k produkci nepřeberného množství zcela nových léků,“ komentoval Chatterjee vyhlídky na praktické využití objevu publikovaného vědeckým časopisem Science.

Všechny pozemské formy života, bakterii E. coli nevyjímaje, mají dědičnou informaci uloženou v dvojité šroubovici DNA. Instrukce pro produkci bílkovinných molekul jsou v ní zapsané čtyřmi různými písmeny genetického kódu. Kombinace tří po sobě jdoucích písmen představuje povel k tomu, aby buňka zařadila do bílkoviny jednu aminokyselinu. Bílkoviny jsou běžně tvořeny stovkami aminokyselin a jejich tvorba je ve dvojité šroubovici DNA naprogramována sekvencemi o několika tisících písmen genetického kódu.

Čtyři písmena genetického kódu lze nakombinovat do čtyřiašedesáti různých trojic. Tři trojice slouží jako signál pro ukončení syntézy bílkovinné molekuly, tedy jako jakási tečka na konci věty. Zbývající trojice by ale vystačily k výrobě bílkovin ze šedesátky různých aminokyselin, přičemž příroda jich nabízí stovky. Pozemský život z nich však běžně využívá jen dvě desítky a pouze výjimečně k nim přidává další tři.

Dědičná informace tak svou kapacitou marnotratně plýtvá. Například aminokyselinu serin zařadí buňka do bílkovinné molekuly na povel hned šestera různých trojic písmen genetického kódu. K ukončení syntézy bílkovinné molekuly z aminokyselin zavelí třemi různými trojicemi písmen. Jason Chin a jeho spolupracovníci se rozhodli tyhle „skryté rezervy“ genetického kódu využít.

Korektura DNA

Před dvěma roky vyrobil tým Jasona China v laboratoři dědičnou informaci bakterie E. coli tvořenou čtyřmi a půl miliony písmen genetického kódu. Od přírodní DNA běžně se vyskytující v buňkách bakterií tohoto druhu se její syntetická nápodoba lišila na osmnácti tisících místech. V důsledku provedených genetických korektur neměla bakterie pro zařazení aminokyseliny serinu do bílkovin k dispozici obvyklou šestici různých trojic písmen genetického kódu a musela vystačit jenom se čtyřmi. Přišla také o jeden z povelů „stop“.

Chin a jeho spolupracovníci tak ušetřili tři povely a měli je v rezervě pro další pokusy. Bakterii to nevadilo. V synteticky připravené DNA se na příslušných místech nacházely „rezervní“ povely. Aminokyselina serin se tak i nadále dostávala na všechna správná místa bílkovinných molekul. Tam, kde měla tvorba bílkovin končit, tam také ustávala, protože ušetřený povel pokaždé zastoupila jiná genetická „tečka“.

Následně vědci zbavili bakterie i mašinérie, která zajišťovala reakci na trio ušetřených povelů. Bakterie Syn61Δ3 tak nejen postrádala tři genetické povely, ale pokud by se do její dědičné informace některý z nich vrátil, nedokázala by na něj už zareagovat.

Imunita vůči virům

Bakterie si tím zajistila překvapivou odolnost vůči bakteriofágům. Tito viroví „požírači bakterií“ propašují do buňky mikroba svou dědičnou informaci a nedobrovolného hostitele donutí, aby podle ní vyráběl nové viry. Dědičná informace virů ale obsahuje i ty trojice písmen genetického kódu, které Jason Chin se spolupracovníky z bakterií Syn61Δ3 odstranili.

Pokud bakterii Syn61Δ3 napadne bakteriofág, nijak jí to neublíží. Když má mikrob podle podvržené virové DNA vyrábět pro bakteriofága jeho bílkoviny, nedokáže do nich pokaždé vložit potřebné molekuly serinu a také pokaždé včas neukončí syntézu těchto bílkovin. Bakteriofágy vznikající v nakažené bakterii Syn61Δ3 dostávají do vínku tolik defektů, že jsou nefunkční. Syn61Δ3 je proti nim imunní.

Odolnost k virům nebyla jedinou vlastností, kterou Jason Chin bakterii Syn61Δ3 přidal. V novém experimentu vybavil bakterie mašinérií, která podle „ušetřených“ povelů zařadí do vznikající bílkovinné molekuly takové aminokyseliny, jaké dosud žádný pozemský organismus nevyužil.

Kruhové bílkoviny

Následně vědci vnesli do jednoho z genů bakterie Syn61Δ3 „ušetřené“ povely a s napětím čekali, jak si mikrob s touhle výzvou poradí. Bakterie dodanou instrukci uposlechla a vyráběla podle ní bílkovinu, která obsahovala na vybraných místech tři „exotické“ aminokyseliny.

Vědci také přiměli bakterii Syn61Δ3 k tvorbě řetězců složených výhradně z „exotických“ aminokyselin. Spojením konců pak vznikaly kruhové molekuly. Podobný tvar mají molekuly některých antibiotik nebo chemoterapeutik užívaných k léčbě zhoubných nádorů.

Cyklické molekuly produkované bakterií Syn61Δ3 léčivé účinky nemají. O to v téhle fázi výzkumu ani nešlo. Hlavní přínos studie spočívá v tom, že ukázala rozšíření spektra aminokyselin pro výrobu bílkovin pomocí bakterií jako reálné.

LN, 9.6.2021