VEDA NA DOSAH – váš zdroj informácií o slovenskej vede

Syntetická biológia, veda budúcnosti s veľkými ambíciami

Eva Miadoková

Vízie a méty odborníkov syntetickej biológie sú niekedy až príliš fantastické a môžu pôsobiť absurdne. Aj to je dôvod, prečo si vo vedeckej komunite tento odbor získaval podporu len postupne.

Ilustračné foto. Zdroj: iStockphoto.com

Na jednej strane je to pochopiteľné, na druhej ide o paradox. Syntetická biológia má totiž reálne výsledky, ktoré ovplyvňujú náš život. Jedným z nich je okrem iného vývoj vakcín proti vírusu SARS-COV-2. Napríklad vakcína mRNA-1273 patrí medzi najperspektívnejšie synteticko-biologické vakcíny.

Ide o lipidovú nanočasticu, ktorú tvorí zapuzdrená mRNA-1273 kódujúca takzvaný S proteín (S ako spike, angl. hrot/špic). Tento obalový glykoproteín zodpovedá za prenikanie vírusu SARS-CoV-2 do buniek väzbou na receptory nachádzajúce sa na ich povrchu.

„Kto dáva nádej, najviac dáva.“ Túto vetu možno teda v súčasnosti aplikovať aj na syntetickú biológiu. Dáva totiž ľudstvu nádej, že vďaka svojmu zapojeniu sa do vývoja vakcín môžeme zdolať pandémiu COVID-19.

O čo ide v syntetickej biológii?

Jedna z definícií hovorí, že ide o nový, progresívny a interdisciplinárny vedný odbor, ktorý využíva poznatky genetiky, molekulárnej biológie, chémie, systémovej a evolučnej biológie, programovania, biotechnológií, nanotechnológií a materiálového inžinierstva v prospech ľudstva.

Zjednodušene možno povedať, že syntetická biológia spája tradičné biologické odbory a biotechnológie s technickými odbormi a informačnými technológiami. Kombinuje biologické vedy, technológie a inžinierske postupy s fantastickým cieľom urýchliť a uľahčiť poznávanie, zásadné modifikovanie (rekonštrukciu) a vytváranie umelej DNA (nositeľky genetickej informácie živých organizmov).

Syntetická biológia má viaceré názvy: biologické inžinierstvo, prírodné inžinierstvo, konštrukčná biológia, cielená biológia a syntetická genomika. Experti v tejto problematike si vytýčili za najdôležitejší cieľ kreovanie nových foriem života (s novými jedinečnými vlastnosťami a funkciami), ktoré sa v prírode nevyskytujú. Snažia sa vytvoriť niečo nové – život z neživej hmoty.

Jedným z cieľov syntetickej biológie je napríklad vytvoriť také unikátne umelé formy života, ktoré budú odolnejšie voči chorobám, suchu a dokážu vegetovať aj v zasolenej pôde. Mali by poskytovať vyššie výnosy a pomôcť odstrániť hlad v oblastiach s rýchlo sa rozrastajúcou populáciou. Budú tiež vhodnejšie na výrobu palív, na čistenie, detoxikáciu a regeneráciu zamorených území i na výrobu účinnejších liečiv. Ambície výskumníkov v syntetickej biológii neustále narastajú. Ich cieľom je priniesť ľudstvu veľké množstvo ekologických, zdravotných, ale aj ekonomických a sociálnych benefitov.

Základným kameňom je bunka ako počítač

Za východiskový bod pre začínajúcich amerických bioinžinierov/syntetických biológov možno považovať vytvorenie jednoduchých génových regulačných obvodov, ktoré vykonávajú funkcie analogickým spôsobom ako elektrické obvody.

Pionieri syntetickej biológie vychádzali z poznatkov o regulácii „čítania“/expresie génov (v takzvaných inducibilných alebo represibilných regulačných obvodoch/jednotkách) a z jednoduchých matematických modelov, pričom využili genetický materiál (genóm/DNA) baktérie s latinským názvom Escherichia coli, ktorá je bežnou súčasťou črevnej flóry človeka a zvierat.

Ilustračná foto: Anatómia bunky. Zdroj: iStockphoto.com

Ďalšou paralelou, ktorú začali syntetickí biológovia využívať, je analógia medzi počítačom a bunkou. Keďže počítač predstavuje zariadenie, ktoré vykonáva logické operácie so vstupnými dátami, pričom výsledkom sú výstupy, môže byť v tomto zmysle aj bunka počítačom, presnejšie biomolekulovým počítačom. Na fungovanie biologických prístrojov sa nepoužívajú súčiastky, napr. rezistory, tranzistory, rôzne drôty, pretože v bunke sú hardvérom základné bunkové štruktúry (organely) komponované z rôznych biomolekúl. Softvérom sú molekuly života – DNA a RNA, ktoré poskytuje samotná príroda.

Každá bunka neustále „meria“ vstupné parametre vonkajšieho a vnútorného prostredia, napríklad teplotu, pH, koncentráciu živín, prípadné poškodenie DNA, prítomnosť signálov od iných buniek a podobne.  Ak sa zmení niektorý z týchto vstupných parametrov (ktoré prostredníctvom regulačnej siete génov bunka integruje), výstupom môže byť zmena niektorej zo základných funkcií.

Na programovanie biomolekulových počítačov bunka využíva namiesto počítačového programovacieho jazyka (založeného na jednotkách a nulách) jazyk DNA spočívajúci na kombinácii štyroch základných „kameňov“/báz, respektíve „biotehličiek“.

Umelo syntetizovanú DNA možno považovať za nový softvér, ktorý sa vkladá do bunky – hardvéru biomolekulového počítača, pričom bunka získava pokyn pre novú požadovanú funkciu. Môže to byť napríklad schopnosť syntetizovať nový typ bielkoviny, ktorý by sme v prírode márne hľadali.

Etické otázky, na ktoré nepoznáme odpoveď

Syntetická biológia teda výskumníkom umožňuje navrhovať, upravovať a konštruovať živé organizmy a biologické systémy, ktoré predtým v prírode neexistovali tak, aby vyhovovali špecifickým požiadavkám ich tvorcov, a tak realizovať sen o vytvorení umelého života, predovšetkým umelého genómu.

Umožňuje nielen „prečítať“ pomocou sekvenovania genetickú informáciu, ktorú obsahujú molekuly DNA ukrytú v bunkách živých organizmov, ale aj vyrábať/syntetizovať ich kúsky/úseky, zámerne ich vkladať do iných buniek a pomocou takýchto syntetických „súčiastok“ ovládať správanie buniek.

Syntetickí biológovia po prvý raz v dejinách ľudstva umelo pretvárajú prírodu. V porovnaní s GMO (geneticky modifikovanými organizmami) a aplikáciou kmeňových buniek získavaných z ľudských embryí v biomedicíne idú prívrženci syntetickej biológie oveľa ďalej. Zatiaľ čo sa genetické inžinierstvo zameriava na výmenu alebo modifikáciu jedného alebo dvoch génov, syntetická biológia často využíva prírodu ako jeden zo zdrojov „stavebných tehličiek“, resp. kúskov/úsekov DNA na tvorbu nových foriem života.

Niet divu, že syntetická biológia nastolila viacero etických otázok, na ktoré dodnes hľadáme odpovede. Mnohí syntetickí biológovia sa zamýšľajú nad tým, „čo môže priniesť ľudstvu tvorba nových organizmov, ktoré síce budú vyhovovať potrebám a želaniam ľudí, ale ktoré by príroda počas evolúcie nevytvorila.“

Prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc., Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave

 

O autorovi

Eva Miadoková

Eva Miadoková | externá redaktorka

Prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc.

  • V rokoch 1963 – 1968 študovala na Prírodovedeckej fakulte UK kombináciu biológia – chémia, pričom od tretieho ročníka sa zamerala na odbor genetika.
  • Od roku 1969 je členkou Katedry genetiky PRIF UK, na ktorej pôsobila najprv ako interná doktorandka, docentka a od roku 2001 ako profesorka. Tiež pôsobila ako prodekanka pre zahraničné vzťahy PRIF UK.
  • Ako vedecko-pedagogická pracovníčka sa primárne špecializuje na genetickú toxikológiu. Viedla desiatky bakalárskych, magisterských a doktorandských prác.
  • V oblasti vedeckého výskumu sa venuje štúdiu molekulárnych mechanizmov účinku prírodných látok a ich antimutagénnym a karcinogénnym potenciálom.
  • So svojím vedeckým tímom publikovala desiatky vedeckých článkov vo významných zahraničných vedeckých časopisoch, na ktoré získala vyše 1000 citačných ohlasov.

Operačný program MSSR

Investícia do Vašej budúcnosti
Tento projekt je podporený z Európskeho fondu regionálneho rozvoja

Táto webová stránka vznikla vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Podpora národného systému pre popularizáciu výskumu a vývoja
(kód ITMS: 313011T136), spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.