Bakterie jsou většinou studovány lékaři či chemiky. V poslední době si je však oblíbili i někteří matematikové a specialisté na počítače. S pomocí mikrobiologů dokázali bakterie speciálně upravit a přinutit, aby se pustily do řešení komplikovaných matematických problémů.
Doba, kdy od sebe byly jednotlivé vědecké obory odděleny neprodyšnými bariérami, mizí pomalu, ale jistě v propadlišti dějin. Vědcům nejrůznějších oborů začíná být jasné, že klíč k úspěchu budou v budoucnu držet ti, kterým se podaří propojit obory, o jejichž spojení by ještě před dvaceti lety nenapadlo nikoho ani uvažovat. Krásným příkladem takového přístupu je nově vznikající obor, takzvaná syntetická biologie. Ta v sobě zahrnuje laboratorní techniky molekulární biologie a genetiky, principy známé z nejrůznějších inženýrských projektů a matematické modelování, které většinou obstarávají počítačoví specialisté. Ideálními pracovními nástroji syntetických biologů jsou bakterie, které mají jednoduchou a účelnou stavbu a dají se také výborně kultivovat v laboratorních podmínkách.
Programovatelné superbakterie na scéně
Anglický výraz „superbakterie“ (superbug) se donedávna používal takřka výhradně v souvislosti s takovými kmeny bakterií, které jsou odolné vůči většině doposud známých antibiotik. Rozsáhlý tým biologů a matematiků z amerických univerzit Davidson College v Severní Karolíně a Missouri Western State University v Missouri pod vedením Jordana Baumgardnera dal nedávno výrazu superbakterie nový význam. V průběhu posledních dvou let začali drezírovat běžnou laboratorní bakterii Escherichia coli, aby jim napomohla v řešení jistých zapeklitých kybernetických problémů. Že se to jeví na první pohled jako čiré bláznovství? Možná, ale jen do té doby, než si připomeneme, jak vlastně bakterie fungují. Pro práci Američanů byl důležitý v první řadě jednoduchý a efektivní způsob, jakým je organizován genom bakterií. Na rozdíl od eukaryotních organismů, jejichž DNA je umístěna v buněčném jádře na mnoha chromozomech, je genetická informace bakterií uspořádána pouze na chromozomu jediném. Ten je většinou uspořádán kruhově a neobsahuje vložené, nekódující sekvence, tzv. introny. Díky tomu mohou bakterie procesy přepisování DNA (transkripci) a překladu do řeči proteinů (translaci) v podstatě propojit a dosahovat tak efektivity, proti níž mohou „těžkopádná“ eukaryota leda blednout závistí.
Molekulární obraceč lívanců
Právě mimořádná rychlost a efektivita, s níž bakterie dokážou bakterie přepisovat své geny a množit se, dává vědcům do rukou řadu trumfů, díky nimž mohou při řešení jistých problémů se svými organickými „bakteriálními počítači“ porazit neživou výpočetní techniku. A jak je to vůbec možné? Při správném naprogramování může každá z nich fungovat jako samostatně počítající jednotka. Na jedné Petriho misce pak vedle mohu běžet celé miliardy drobných ,výpočetních center´,“ říká Karmella A. Haynesová, která byla jednou z hlav celého projektu. Takto obrovské množství je nesmírně výhodné v případech, kdy je třeba pro úspěšné řešení nějakého výpočetního problému otestovat nemírné množství možností. První eso z rukávu vytáhli členové výzkumného týmu, kteří patří mezi molekulární biology. Pro řešení problémum nazvaného „problém připálených lívanců“ (viz rámeček)m si vzali na pomoc zvláštní enzym, tzv. Hin/hix DNA rekombinázu, kterou si „vypůjčili“ od bakterie Salmonella typhimurium a speciálně ji upravili. Tento enzym dokázal vlastně napodobit kuchařovo „obracení lívanců“ tím, že z molekuly DNA „vystřihával“ krátké sekvence a vracel je do něj obráceně. Tento „Střihoruký Edward“ byl vypuštěn na oblast DNA, která je zodpovědná za obranu bakterií proti antibiotiku tetracyklinu. Správné vyřešení problému se potom pozná jednoduše – bakterie začne být proti tomuto antibiotiku odolná.
Nejkratší cesta mezi městy
Povzbuzeni svým úspěchem s řešením „problému připálených lívanců“ se Američané z týmu, který zahrnoval i 15 studentů, rozhodli nasadit bakteriálním počtářům laťku opět o něco výše. Další úloha, kterou nechali své bakterie řešit, patří opět mezi ty, u nichž šplhá množství možných cest k řešení do těžko představitelných počtů. Jde o hledání optimálního řešení v takzvaném „problému obchodního cestujícího“. Své mikroskopické svěřence opět naprogramovali pomocí svého„Střihorukého Edwarda“, enzymu DNA rekombinázy. Signalizace úspěchu řešení jejich úlohy byla však v tomto případě jiná. Namísto genů pro rezistenci vůči antibiotikům vpravili do jejich genomu úseky, které kódují dva druhy fluorescenčních proteinů – červený a zelený. Správné vyřešení problému obchodního cestujícího, kterého pro zjednodušení nechali „projet“ pouze tři města, tedy uzly sítě. Když bakterie právně propojila úseky, které kódovaly oba tyto proteiny, zbarvila se Petriho miska barvou jejich směsi, tedy žlutou. A k čemuže vlastně tyto hrátky s bakteriemi vlastně jsou? Přímé bezprostřední využití asi jen tak nenajdou, znamenají však velký krok kupředu ve spolupráci vědců z různých oborů. „Syntetická biologie má ve světě velký potenciál. Své využití nenajde pouze v matematice, ale i v medicíně, energetice a ochraně životního prostředí,“ vysvětluje povahu disciplíny, která mu učarovala Baumgardner.
Počítače a obchodní cestující
Aby své komplikované formální úvahy přeložili matematikové do jazyka běžných smrtelníků, uchylují se rádi k velmi jednoduchým a názorným příkladům. Jedním ze známých problémů je takzvaný „problém obchodního cestujícího“. Tento problém lze popsat zhruba následovně: Obchodník musí projet několik měst (uzlů), které jsou spojeny silnicemi o různých, ale známých délkách. Jeho úkolem je, aby mezi nimi našel nejkratší možnou trasu, přičemž každé město smí navštívit právě jednou. Matematik by řekl, že úkolem řešitele je vlastně nalézt v grafu nejjednodušší hamiltonovskou cestu. A v čem je vlastně problém s řešením takto zdánlivě jednoduchého problému? Nalézt takovou cestu je sice poměrně snadné. Do nesnází se ale začneme dostávat s tím, jak se bude postupně zvětšovat počet měst (uzlů) v síti. Už při několika desítkách uzlů je počet možných řešení gigantický. Hlavním úkolem tedy je najít efektivní algoritmus, který by optimalizoval jejich vyhledávání. Řešení tohoto problému nalézají využití ve všech oblastech, kde je třeba nalézt optimální řešení od logistiky po genetiku.
Souboj matematiků s lívanci
Ačkoliv většina lidí se snahám o rozlousknutí nejrůznějších logických hádanek a rébusů raději vyhýbá, přece jen existuje skupina lidí, kteří v jejich řešení doslova vyžívají. Řeč je pochopitelně o matematicích. Pěkným příkladem disciplíny, která je pro matematické hračičky skutečným rájem, je vypracovávání tzv. řídicích algoritmů. Takové algoritmy provádějí třídění velkého množství dat podle předem určeného pořadí. Do kategorie řídicích algoritmů patří i problém, který je známý pod názvem „problém připálených lívanců“ (burnt pancake problem). Náš hypotetický kuchař má před sebou určitá počet lívanců. Každý z nich má dvě strany – jednu vrchní, dozlatova opečenou a druhou spodní, připálenou dohněda. Každý z lívanců má i jinou velikost. Úkolem kuchaře je lívance obracet a srovnat do úhledné pyramidy podle velikosti, pro jejich obracení ale smí použít jen jejich spodní, připálenou stranu. S rostoucím počtem lívanců roste počet možností do tak obrovských čísel, že k proklestění cesty skrze ně je třeba velmi chytře vymyšleného algoritmu. Snahám o sestavení toho nejefektivnější věnovala dokonce i řada známých osobností, například zakladatel firmy Microsoft Bill Gates či spoluscenárista kreslených seriálů Simpsonovi a Futurama David X. Cohen.
