Súčasné vedecké bádanie si už ani nevieme predstaviť bez výdobytkov techniky. Vďaka úžasnému technologickému vývoju vznikajú aj nové vedné odbory. Jedným z nich je aj bioinformatika.
Práca typického mikrobiológa ešte do polovice minulého storočia spočívala v pestovaní baktérií na Petriho miskách v laboratóriu. Mikrobiológovia hľadali optimálnu kombináciu výživných látok v kultivačnom agare, aby mohli popísať životné nároky pre čo najviac bakteriálnych druhov. Ak išlo o baktériu nebezpečnú pre človeka, v rôznych podmienkach zisťovali, aké antibiotiká na ňu účinkujú. Ich obzor poznania siahal len po baktérie, ktoré im na Petriho miskách vyrástli.
V roku 1969 však americkí vedci objavili dovtedy neznámu baktériu žijúcu v horúcom prameni v Yellowstonskom národnom parku. Tento prameň mal teplotu vyššiu než 90 °C, čo je teplota, pri ktorej sa taví už aj agar na Petriho miske. Vtedy si vedci uvedomili, že určite existujú aj také baktérie, ktoré pestovať v laboratóriu nikdy nebude možné. Ako však študovať ich nároky na živiny, ich životný cyklus, ich schopnosti a toxicitu pre ľudí bez pestovania na Petriho miskách? Vyriešil to až vynález DNA sekvenátora.
Sekvenovanie
Vedci najprv osekvenovali genóm baktérie Haemophilusinfluenzae, ktorá spôsobuje zápal pľúc. Použili na to jednu bakteriálnu kolóniu, ktorá im vyrástla na Petriho miske. Jedna kolónia obsahuje niekoľko tisíc identických kópií jednej bakteriálnej bunky. DNA izolovanú z týchto buniek vložili do sekvenátora a získali sekvenciu kompletného genómu Haemophilusinfluenzae. Keďže sa Haemophilus pestuje v laboratóriu veľmi jednoducho a všetky jeho vlastnosti už boli dobre známe, vedci vedeli k sekvenciám jeho génov priradiť ich funkciu. Potom sa pustili do sekvenovania genómov ďalších ľahko pestovateľných baktérií. Tak vytvorili jednu veľkú databázu, ktorá v súčasnosti obsahuje niekoľko desiatok tisíc buď kompletných, alebo čiastočne osekvenovaných genómov baktérií.
Vedci začali odoberať environmentálne vzorky z rôznych miest – z jazier, horúcich prameňov, ľadu v Antarktíde, rôznych častí ľudského tela… Najväčšie prekvapenie nastalo, keď vyseparovali baktérie z ľudského výkalu a osekvenovali ich DNA bez predpestovania na Petriho miskách. Porovnali získané sekvencie so spomínanou obrovskou databázou genómov všetkých ľahko pestovateľných baktérií a výsledok bol, že viac než 60 % baktérií z ľudského výkalu bolo dovtedy úplne neznámych!
Počítač – najbližší pomocník
Pred nástupom sekvenovania DNA si vedci mysleli, že najrozšírenejšou baktériou v našom tráviacom trakte je Escherichiacoli. Keďže táto baktéria nepotrebuje na svoj rast nijaké zvláštne výživné látky, uchytila sa na Petriho miskách ako prvá. Ostatné, náročnejšie baktérie, na miskách vôbec nevyrástli. Až sekvenovanie DNA ukázalo, že pestovanie na Petriho miskách zloženie ľudského mikrobiómu veľmi skresľuje. Vysvitlo, že v skutočnosti najrozšírenejšou baktériou v tráviacom trakte niektorých ľudí je Faecalibacterium, zatiaľ čo iných ľudí Bacteroides, Prevotella, Ruminococcus či Akkermansia. Sekvenovanie DNA ukázalo, že Escherichiacoli tvorí menej než jedno percento z celého ľudského črevného mikrobiómu.
Súčasní mikrobiológovia však už nechcú len napodobňovať prírodné prostredie v laboratóriu, ale chcú presne vedieť, ako to v prírode naozaj funguje. To všetko im prezradia DNA sekvencie baktérií. V súčasnosti mikrobiológ baktérie na agare v Petriho miskách takmer vôbec nepestuje. V laboratóriu je iba niekoľko dní, keď pripravuje environmentálnu vzorku na sekvenovanie. Väčšinu svojho času trávi pri počítači, kde spracúva milióny získaných sekvencií. Takto vznikol úplne nový vedný odbor – bioinformatika.
Sekvenovanie DNA sa tak rozbehlo, že už existujú firmy, ktorým môžete poslať svoju vzorku výkalu a oni vám pošlú zoznam baktérií, ktoré obývajú váš tráviaci trakt – váš mikrobiálny profil. Naďalej však treba mať na pamäti, že väčšinu baktérií v našom tráviacom trakte ešte nepoznáme, a tak musíme byť s interpretáciou týchto výsledkov veľmi opatrní.
Autor: Ing. Mária Džunková, PhD.
Foto: archív autorky
Uverejnila: ZVČ
Viac o bioinformatike a o práci mikrobiológov pri sekvenovaní DNA, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 4/2017), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.