Syntetická biológia už má svoje „hviezdy“ a smery

25. sep. 2020 • Biologické vedy

Syntetická biológia už má svoje „hviezdy“ a smery

Centrom výskumu syntetickej biológie sú už od jej vzniku Spojené štáty. Odtiaľ aj pochádzajú doteraz najväčšie „hviezdy“ tejto disciplíny a, samozrejme, aj najviac objavov.

Seriózny vedecký výskum trvá v syntetickej biológii necelých dvadsať rokov. Prvou lastovičkou vzniku špecializovaných ústavov bolo oficiálne založenie oddelenia syntetickej biológie, ktoré vzniklo v USA ako súčasť Národného laboratória Lawrenca Berkeleyho v roku 2003.

Srdce európskej syntetickej biológie bije v Británii

Centrom súčasného výskumu na poli syntetickej biológie je Amerika, výskumné laboratóriá však existujú aj v Číne, Rusku a Európe. Jedným z najznámejších európskych centier je britská univerzita v Cambridge, kde sa nielenže napĺňajú experimentálne výzvy syntetickej biológie, ale aj prakticky realizujú snahy o jej zavedenie do bakalárskych, magisterských a postgraduálnych študijných programov.

Práve v Cambridge sa vedcom podarilo dosiahnuť jeden z najväčších míľnikov vedeckého výskumu na poli syntetickej biológie. Bioinžinieri z Laboratória molekulárnej biológie pre lekársky výskum vytvorili takzvaný ortogonálny proteínový systém v baktérii Escheriachia coli, ktorý je schopný syntetizovať želané proteíny úplne nezávisle od prírodných biochemických a metabolických procesov prebiehajúcich v bakteriálnej bunke.

V tomto systéme sa syntéza mRNA nazývaná O-mRNA („ortogonálna mRNA“) uskutočňuje pomocou špecifickej RNA polymerázy. Tá sa viaže na ortogonálny - O-ribozóm, ktorý je tiež súčasťou umelého systému a je schopný syntetizovať umelý proteín iba na základe informácie zapísanej v O-mRNA, teda bez interakcie s vlastnou bunkou mRNA.

Bill Gates genetiky

K najznámejším predstaviteľom syntetickej biológie patrí americký molekulárny biológ a genetik John Craig Venter, ktorý spája výskum a výzvy syntetickej biológie s podnikateľskými aktivitami.

Jeho kolegovia ho niekedy možno aj trochu ironicky nazývajú Billom Gatesom genetiky. Je to primerané prirovnanie. Tak, ako sa Bill Gates pričinil o progres v IT technológiách, tak prispel John Craig Venter k historickému „zmapovaniu“/osekvenovaniu ľudského genómu (pozostávajúceho z troch miliárd písmen/báz), teda k poznaniu a prečítaniu ľudskej genetickej informácie zakódovanej v DNA.

Urýchlením sekvenovania a úspešným zavŕšením projektu HUGO (Human Genome Project) v roku 2000 sa tento bývalý náruživý surfista a v súčasnosti riaditeľ súkromného vedeckého ústavu, ktorý nesie jeho meno (John Craig Venter Institute, skr. JCVI - Ústav Johna Craiga Ventera), zapísal do histórie vedy. Spolu s americkým genetikom Franciscom Collinsom dal ľudstvu nepriamo do vienka možnosť diagnostikovať a cielene liečiť množstvo dedičných a neurodegeneratívnych chorôb.

Zlé jazyky tvrdia, že C. Venter poskytol na sekvenovanie v rámci projektu HUGO svoju vlastnú DNA, pričom v jeho genóme boli nájdené úseky/sekvencie, o ktorých by najradšej pomlčal. Snahou tímu C. Ventera je pripraviť také molekuly a organizmy, ktoré nevznikli v procese evolúcie, a preskúmať potenciálne cesty, ktoré evolúcia pri ich kreovaní nevyužila.

Aj vďaka Venterovmu tímu sa v syntetickej biológii vyprofilovali dva základné smery výskumu, ktoré sa v odborných kruhoch označujú ako top–down (postup zhora nadol) a bottom-up (postup zdola nahor).

Zjednodušovanie biologických systémov (top-down)

Prvý smer zhora nadol (top-down) umožňuje nadšencom nového odboru meniť zložité biologické systémy tak, aby boli čo najjednoduchšie, a preto aj ľahšie ovládateľné.

Príkladom takýchto výskumných zámerov je snaha o vytvorenie minimálnej bunky s minimálnym genóm. Znamená to, že by fungoval s minimálnym počtom/minimálnou sadou génov, a bunke by pritom zaistil všetky nevyhnutné životné funkcie, predovšetkým jej replikáciu/rozmnožovanie.

Odborníci majú predstavu, že bunka s takýmto genómom/DNA by fungovala ako základná doska – šasi, do ktorej by sa mohli „montovať“/pridávať rôzne sady génov potrebných na plnenie vopred presne naprogramovaných funkcií bunky, napr. výrobu látok využiteľných vo farmakológii.

Ilustračná foto: Anatómia bunky. Zdroj: iStockphoto.sk

Plody „minimalizmu“

V máji roku 2010 J. C. Venter informoval prostredníctvom prestížneho vedeckého časopisu Science, že sa jeho tímu podarila chemická syntéza genómu baktérie Mycoplasma mycoides, ktorá je schopná sa sama rozmnožovať.

Keďže takú dlhú molekulu DNA tvoriacu komplexný genóm tejto baktérie vedci pomocou vtedajšej laboratórnej techniky nedokázali vyrobiť vcelku, syntetizovali najprv kratšie úseky napríklad aj v kvasinkách, ktoré potom rôznymi technikami pospájali.

Tímu J. C. Ventera sa potom podarilo genóm baktérie Mycoplasma mycoides transplantovať do príbuznej baktérie zvanej Mycobacterium capriculum, ktorú predtým zbavili jej vlastného genómu/DNA. Vdýchli jej nový život, pretože sa bunky M. capricolum začali správať podľa nového softvéru ako baktéria M. mycoides. V roku 2010 sa teda narodila Synthia – prvá životaschopná baktéria s umelo vytvoreným genómom.

Treba však zdôrazniť, že syntetický genóm Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0 je len napodobneninou prirodzeného genómu, ktorý „nadizajnovala“ príroda. Vedci pod taktovkou C. Ventera nestvorili prvý umelý organizmus, respektíve prvú syntetickú formu života na Zemi, ako niektoré médiá nesprávne informovali. Syntetická je len dedičná informácia zakódovaná v genóme/DNA baktérie Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0, všetko ostatné si museli výskumníci požičať od živej bakteriálnej bunky Mycobacterium capriculum, ktorá vznikla počas evolúcie v prírode.

Prelomovým krokom na ceste k tvorbe umelej syntetickej bunky bolo aj vytvorenie minimálnej bunky v roku 2016. Na jej tvorbu použil Venterov tím syntetický genóm baktérie M. mycoides, ktorý postupným vypínaním génov vedci zredukovali a označili ako JCVI-syn 3.0. V snahe nájsť najjednoduchšiu formu života Venter odobral z jej DNA skoro všetko, čo nepotrebovala k životu. Bakteriálna bunka s minimálnym genómom je dosiaľ najjednoduchším synteticky vyrobeným organizmom, ktorý je schopný sa samostatne rozmnožovať.

Biologické LEGO – skladačka komplexity (bottom-up)

Druhý špecifický postup zvaný odspodu nahor (bottom-up) využívajú tí stúpenci syntetickej biológie, ktorých snahou je v laboratórnych podmienkach vytvoriť „de novo“ (od piky) syntetickú bunku (takzvanú protobunku), čo predstavuje jednu z najnáročnejších výziev syntetickej biológie.

Týmto prístupom sa výskumníci snažia z jednotlivých súčiastok vybudovať zložitejšie funkčné celky, ktoré by vykazovali známky života a boli by schopné vykonávať základné životné funkcie, napríklad látkovú výmenu a replikáciu.

Takýto postup by sme mohli prirovnať k hre s biologickým LEGOM, pri ktorej je možné z menších súčiastok poskladať zložitú stavbu. Za zmienku stojí aj úvaha, že syntetická protobunka by dokonca nemusela kopírovať evolúciou overené princípy. Jej dedičná informácia nemusí mať presnú podobu DNA, ktorá sa bežne nachádza v bunkách živých organizmov. Jej syntetická náhrada by predstavovala nový typ genetického materiálu.

Alternatívna molekula by sa mohla od nej v niečom aj odlišovať, no pritom si zachovať najdôležitejšie vlastnosti, a to uchovávanie informácie a schopnosť replikácie. Správanie takejto bunky je v rukách jej konštruktéra, ktorého ambíciou je navrhnúť a syntetizovať bunku tak, aby zodpovedala jeho požiadavkám, teda tomu, aby prinášala benefit a prispela k riešeniu pálčivých problémov ľudstva.

Odporcovia syntetickej biológie požadujú, aby boli najprv vyriešené otázky bezpečnosti baktérií so syntetickým genómom. Odborníci z tímu J. C. Ventera argumentujú, že mykoplazmy, ktoré použili v experimentoch, sú bezpečnejšie než bežná črevná baktéria Escherichia coli, pretože sú schopné prežívať len v špeciálnych živných roztokoch.

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

 

Hore
Vedecká cukráreň 10/2020
Veda v CENTRE 10/2020
sutaz FB TVT 2020
Noc výskumníkov 2020
Veda v CENTRE / Vedecká kaviareň 9/2020
Quark_10/2020
TVT2020 prihlasovanie
Agrofilm
Aurelium - centrum vedy
Quark 25 rokov
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Ľudský mozog má 1450 gramov, zabezpečuje celú psychiku človeka a nachádza sa v ňom sieť neurónov.
Zistite viac