Poprvé vědátoři vytvořili genom na míru v počítači

TLDR verze: Již dříve jsme tu měli minimální genom, který se skládal z esenciálních genů jednoho organismu. Nyní tu ale máme minimální genom, který ideu syntetické DNA dotahuje mnohem dál (studie tu). 

Znovu a lépe

Je tomu už víc jak dekádu, kdy se Craig Venter (jemuž se přezdívá „Steve Jobs syntetické biochemie“ – asi aby ho to nasralo) představil výsledek několikaleté práce, 40 milionů dolarů a 20 členů jeho vědeckého týmu: uměle syntetizovaný genom bakterie Mykoplazmy. Vědci tehdy do genomu zahrnuli všechny geny, bez nichž to mykoplazma prostě neutáhne, a ani o jeden navíc. Byť je mykoplazma parazit, který už tak deleguje spoustu životních funkcí na svého hostitele. Byl to zrod toho, co lze označit jako syntetická DNA.

Tehdy to byl první takzvaný „minimální genom“, propagovaný jako nezbytný základ života. Není bez zajímavosti, že u pětiny z cca 450 genů ani tehdy vědci vůbec netušili, k čemu jsou a proč je mykoplazma vlastně potřebuje.

Rychloposuvem se přesuňme do dnešní moderní éry. Steve Jobs je sice už v lidské Valhale, ale s geny si dnes díky CRISPRu hrajeme pomalu jako s LEGO stavebnicí… a dva švýcarští vědátoři nyní přišli s novou úrovni toho, co syntetická DNA dovede.

Podařil se jim totiž vytvořit „upgrade“ vodní bakterie Caulobacter ethensis, pojmenovaný jako C. ethensis2.0, který byl poskládán čistě rukou člověka od nuly. Vědátoři, v tomto případě bratři Beat a Matthias Christensenovi ze švýcarské ETH Curych, sice využili původní Caulobacter ethensis jako předlohu (podobně jako Venter). Ale genom při syntéze i drasticky upravovali.

Například přes polovinu kodonů všech genů (tří písmenka, která říkají, kam v proteinu přijde která aminokyselina) změnili na jejich synonymní varianty (měla by tam přijít stejná aminokyselina, ale ta tři písmenka jsou jiná). To potenciálně umožňuje zařadit do proteinů aminokyseliny, které se běžně v přírodě nevyskytují.Vznikl tak de facto první syntetický druh!

Stroj: EHT Curych, Blade Runner/Warner Bros.

Funguje to vůbec?

V součtu vytvořili genom C. ethensis2.0 z nezbytného minima 530 potřebných genů. Původní C. ethensis běžně potřebuje na 6000 genů, ale bez většiny z nich se jako správný zero-waster dovede obejít. Christensenovi tak syntezovali 530 vybraných genů od nulya postupně je skládali do jedné velké DNA molekuly. Samotný živočich C. ethensis2.0, který by podle dané DNA vznikl, tedy neexistuje. Na obrázku výše je běžná C. ethensis. Místo výskytu jeho verze 2.0 je momentálně omezeno na genovou databázi. Alespoň zatím.

Syntetická DNA není bez svých výzev. Jednou z hlavních překážek syntézy genomu od nuly je fakt, že genom je dlouhý. Navíc DNA, jako molekula, má své „manýry“ – sekvence, které mají chemické vlastnosti, které vyloženě brání v umělé syntéze. Christensenovi tyto manýry ve velkém zkrotili, a podařilo se jim vyvinout algoritmus skládání genomu ze stále větších dílků, čímž eliminovali problém „na velikosti záleží“.

Vzhledem k tomu, že si ono DNA nehoví uvnitř buněk skutečné bakterie, nabízí se samozřejmě i otázka… Zdali na syntézu došlo skutečně v cajku? Christensenovi ovšem jednotlivé kousky svého frankensteinovského genomu pokusně jako analogy vložili do živých bakterií C. ethensis (tedy modelu 1.0) a sledovali, co to s nimi provede.

Nakonec se ukázalo, že jejich syntéza nebyla bezchybná. Na 100 z530 genů totiž skutečně nefungovalo, jak mělo. C. ethensis2.0 by tak nejspíše v případě „skutečného“ vzniku nejspíše velmi rychle putovala do mikrobuněčné Valhaly. Přesto lze práci ze Švajcu označit za překvapivě překvapivý úspěch toho, kam to syntetická DNA může dotáhnout!

Venter totiž svůj umělý genom dekádu nazpět vytvořil s mnohem většími prostředky. Christensenovi ale genom C. ethensis2.0 vytvořili s pár lidmi a jejich výzkum vyšel v součtu na 100 tisíc eur. To je oproti Venterově úspěchu snížení o 400 řádů! A to se vyplatí! Ale k čemu tyhle šílené vědátoroviny budou? 

I algoritmus je cíl

Lze předpokládat – a Christensenovi o tom sami mluví – že další pilování jejich vlastního algoritmu resekvenování a syntézy genomů by úspěšnost mohlo zvýšit. Potenciálně je to totiž právě nový a levnější algoritmus, co je hlavním přínosem jejich studie. Další výraznou pomocí by byla přesnější anotace genomických databází. V současnosti laboratoře sekvenují jako divé, a i přes veškerou snahu jsou některé části genomů v databázích špatně označené. Což je při in silico (tj. uvnitř kompjůtru) skládání genomu samozřejmě problém, protože přesně na tyhle anotace spoléháte.

Ale! Po překonání problémů by brzy s podobným nástrojem bylo možné vyrábět funkční bakteriální buňky s vlastním genomem šitým na míru! Mezi jejich možné aplikace patří syntetické mikroorganismy, které by mohly třeba vyrábět komplexní léčiva nebo třeba palivo. Samozřejmě za předpokladu, že se další pilování dopiluje. Syntetická DNA má však rozhodně široké možnosti!

Skuteční doktoři „Frankensteini“ by však mohli vytvářet nikoliv monstra, ale nové producenty kritických léků. Christensenovi by tak mohli napomoct vývoji nástroje, který vytváření vlastního umělého organismu udělat podobně snadné jako stavebnici!

Jsou tomu také už tři roky, co George Church de facto oznámil, že to „deseti let budeme moct syntetizovat unikátní DNA celého člověka“. A ačkoliv z této sumy stále schází cca 7 let, nezdá se, že by jeho vize byla přestřelená. Zatím samozřejmě skutečné umělé buňky ještě nejsme. Minimálně její půdorys však znát máme načrtnutý!

[LL, TL]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, která připravuje přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!

Diskuze