Máme se proto bát biologických zbraní? Syntetická biologie vytváří organismy, jaké svět dosud neviděl. Na jedné straně jsou syntetické formy života obrovskou nadějí pro zvládnutí ožehavých problémů současného lidstva. Na druhé straně se jich mnozí lidé bojí, protože nikdo neví, co by stalo, kdyby se nám syntetický život vymkl z kontroly.
Virus obrny leží v mnoha mikrobiologických sbírkách. V některých koutech světa tento mikroorganismus stále ještě koluje lidskou populací a vyvolává závažná onemocnění. Americký virolog Eckard Wimmer ze State University of New York ve Stony Brook si virus obrny „postavil“ ve své laboratoři. Od firem dodávajících laboratorně syntetizované krátké řetězce DNA si objednal „součástky“. Kompletaci viru pak provedl se svými spolupracovníky. Wimmerovi zabrala výroba laboratorního viru obrny tři roky tvrdé práce a v roce 2002 byl jedním z mála vědců, který byl s to něco takového zvládnout. Dnes je ale všechno jinak a výroba mikroorganismů se stala realitou.
Syntetičtí zabijáci
Zatímco Wimmer vyrobil virus, který se ve světě stále ještě vyskytuje, jiní vědci svou prací přivádějí na svět mikroorganismy, jaké už dlouho nikdo nepotkal nebo je dokonce ještě ani nikdy nikdo neviděl. Američtí virologové například rekonstruovali virus španělské chřipky, která v létech 1918 až 1919 připravila na celém světě o život nejméně 40 milionů lidí. V zasažených zemích jí padl za oběť každý pátý člověk. Použili k tomu zlomky dědičné informace viru izolované z jedné z jeho obětí pochovaných na Aljašce do věčně zmrzlé půdy. Chřipkový virus prokázal v laboratorních podmínkách své výjimečné zabijácké schopnosti. Při testech na myších i opicích vyvolával smrtelná poškození plic, jaká dnešní „potomci“ viru španělské chřipky – běžné chřipkové viry typu H1N1 – vyvolat nedokážou. Zákonitě se ozvaly hlasy obviňující Wimmera z hazardu. Americký chemik však kontruje tvrzením, že jen díky oživení viru víme, co nás může čekat třeba v případě, že se z viru ptačí chřipky H5N1 přeci jen vyvine původce celosvětové chřipkové pandemie.
Pod dohledem CIA
Americká výzvědná služba CIA po zveřejnění výsledků podobných pokusů zbystřila. Varovala, že podobným postupem si můžou teroristé vytvořit v laboratořích nové nebezpečné mikroorganismy a použít je jako biologické zbraně hromadného ničení. Výzva CIA k důkladné kontrole experimentů v oboru tzv. syntetické biologie zapadla do celospolečenské „nálady“ lidí, kteří se cítí nejnovějšími pokroky v této vědní disciplíně znepokojeni nebo dokonce ohroženi.
Odborníci na biologické zbraně považují podobné obavy za zbytečné. Tvrdí, že mikroorganismy vhodné pro teroristický útok lze získat mnohem snáze a laciněji než syntézou nových virů nebo výraznou úpravou choroboplodných bakterií. Na světě se vyskytuje dost „přírodních“ virů či bakterií dokonale uzpůsobených pro účely biologické války. Ideální „teroristické“ mikroorganismy vyvolávají závažná onemocnění, není proti nim k dispozici vakcína, nezabírají na ně běžné léky a rychle se šíří. Likvidace epidemie, kterou způsobí, rozhodně není jednoduchá. Použití „přírodního“ mikroorganismu má i tu výhodu, že znesnadňuje odhalení pachatele bioteroristického útoku.
Vědci přesto cítí potřebu vyjít veřejnosti vstříc a hledají pravidla, za kterých by mohli s minimálním rizikem pokračovat v práci na tvorbě nových mikrobů. Firmy dodávající syntetické řetězce DNA například srovnávají objednávky svých klientů s databázemi dědičné informace nebezpečných choroboplodných zárodků a pokud narazí na podezřelou shodu, požadují po zákazníkovi vysvětlení. Když je vysvětlení neuspokojí, objednávku jednoduše zruší. Německá společnost Geneart tak například odmítla pro indického zákazníka syntetizovat část DNA mikroorganismu, jehož export z Německa je zakázán. Americká společnost DNA 2.0 odmítla podobnou dodávku úseku dědičné informace choroboplodného mikroorganismu, který je na seznamu nebezpečných původců chorob využitelných pro bioteroristický útok.
Konstruujeme buňku
Výroba virů – ať již neškodných nebo nebezpečných – není jediným hitem syntetické biologie. Možnosti tohoto oboru jsou dnes jen těžko odhadnutelné. Americký biolog Wendell Lim z University of California v San Franciscu je přesvědčen, že syntetická biologie otevírá zcela nové možnosti pro léčbu mnoha chorob nápravou defektů uvnitř buněk. Lim vidí budoucnost syntetické biologie v léčbě nádorových onemocnění nebo v regeneraci orgánů zničených chorobou či poškozených úrazem. Americký genetik Craig Venter zase plánuje vytvoření umělých mikroorganismů schopných využívat sluneční energii k rozkladu vody na kyslík a vodík. Je přesvědčen, že tak získáme vydatný a levný zdroj ekologicky čistého paliva do automobilových motorů i pro pohon elektrárenských turbín.
Procesy probíhající uvnitř buněk těch nejprimitivnějších pozemských mikroorganismů jsou velice spletité. Vědci je však už od 90. let minulého století pomalu rozplétají a pronikají do jejich tajů. Vyvstává před nimi obraz složitých vztahů, které tak trochu připomínají komplikovaná schémata známá z mikroelektroniky a dalších technických oborů. V těchto případech není autorem schémat konstruktér ale příroda a evoluce. Vědci si začali pohrávat s myšlenkou, zda by nešlo procesy uvnitř buněk postrčit směrem, který by lépe vyhovoval záměrům člověka. V laboratořích syntetických biologů se začínají kreslit schémata a obvody, které by bylo možné zbudovat uvnitř buněk mikrobů.
Už v roce 2000 se biologům z americké Princeton University v New Jersey podařilo vymyslet genetický „obvod“, který po zabudování do bakteriální buňky zajistil opakovanou produkci světélkující bílkoviny. Bakterie se díky tomu samy od sebe rozsvěcovaly a opět zhasínaly. Vznikl tak jakýsi živý mikrobiální maják. To však bylo jen pouhé „školní cvičení“ – průprava na podstatně složitější a o poznání užitečnější počiny.
Americký chemik Jay Keasling působící v Lawrence Berkeley National Laboratory vymyslel „genetický obvod“, který by zajistil v buňkách střevní bakterie Escherichia coli syntézu základní suroviny pro výrobu léku artemisinu. Ten se získává z pelyňku Artemisia annua a představuje jeden z nejúčinnějších léků proti malárii. Jeho tradiční výroba je však příliš drahá a to nedovoluje masové nasazení artemisinu tam, kde je ho nejvíce potřeba – v chudých zemích třetího světa. Keasling vytvořil v bakterii molekulární výrobní linku, jaká v žádném přírodním mikroorganismu neexistuje a přirozenou cestou by ani nikdy nevznikla. Proces tvorby artemisinu zajišťují bílkoviny vytvořené podle desítky genů posbíraných v nejrůznějších pozemských organismech – pelyňkem Artemisia annua počínaje a kvasinkami pekařského droždí konče.
Exotické součástky nových molekul
Tvorba nových „obvodů“ z přírodních „součástek“ zdaleka nepředstavuje nejprogresivnější typ podnikání v oboru syntetické biologie. Vědci si pohrávají s myšlenkou použít nové nebo zcela umělé „součástky“. Názornou ukázkou jsou bílkoviny, které buňky v drtivé většině vyrábějí z dvacítky základních kamenů – aminokyselin. V přírodě existuje mnohem více aminokyselin, které jsou ze syntézy bílkovin vyloučeny. Další aminokyseliny lze vymyslet a syntetizovat uměle. Jak by se asi chovaly bílkoviny, do kterých by byly zabudovány „exotické“ nebo dokonce „syntetické“ aminokyseliny? Vědci si od podobných bílkovin slibují, že by mohly působit jako léky, jež by odolávaly rozkladným procesům v buňkách a mohly by být pacientovi podávány v mnohem menších dávkách.
První bílkovinu s netradiční aminokyselinou donutil bakterie vyrábět americký chemik Peter Schultz už v roce 1989. Jediná exotická aminokyselina dodala enzymu produkovanému bakterií některé nové vlastnosti. Dnes už čítá spektrum exotických aminokyselin, jež se podařilo zabudovat do bílkovin, asi stovku položek.
Zhruba ve stejné době začali vědci měnit i samotný základ pozemského života – genetický kód. Ten se skládá ze čtyř základních písmen, jež najdeme v dědičné informaci všech organismů – od střevní bakterie, přes šípkovou růži až po člověka. Genetici se začali zcela vážně zabývat otázkou, jak by vypadaly formy života nesoucí ve své dědičné informaci pět, šest nebo sedm písmen genetického kódu.
Podobný výzkum nám pomáhá pochopit vznik života na Zemi. Proč se vyvinul právě tak, jak jej známe? A nemohla se jeho evoluce ubírat jinými molekulárními cestičkami? Odpovědi na tyto otázky jsou klíčové pro vytvoření alespoň rámcových představ o mimozemských formách života. Musí mít nutně stejná čtyři základní písmena genetického kódu, protože tento kvartet představuje ideální evoluční kombinaci? A nebo existují i jiná, dokonce i lepší řešení?
Umělé buňky
Syntéza virů je komplikovaná. Ve srovnání se syntézou té nejjednodušší buňky je to však celkem banální záležitost. Při tvorbě nových virů stačí vědcům syntetizovat dědičnou informaci viru a tu vpravit do buněk jeho hostitelského druhu. Buňky už vyrobí kompletní virové částice samy. V možnostech moderní chemie je laboratorní produkce dědičné informace jednoduchých bakterií, ale pro vytvoření kompletní bakterie samotná DNA nestačí.
Vytvoření buňky, v níž by uměle syntetizovaná DNA bez potíží fungovala, je nad síly dnešní vědy. Vědci proto chtějí využít buňky přírodních mikrobů, které by zbavili jejich vlastní dědičné informace. Tu by pak nahradili syntetizovanou DNA. Zatím usilovně bádají nad tím, jak by měla taková syntetická bakteriální DNA vypadat. Bakterie jsou z hlediska dědičné informace velmi různorodé a je zřejmé, že zdaleka ne všechny geny potřebují nutně k životu. Mnohé geny jim dodávají z lidského hlediska zcela zbytečné nebo dokonce nežádoucí vlastnosti – například odolnost k antibiotikům nebo schopnost produkovat nebezpečné toxiny. Genetici proto hledají „minimální genom“ – nejmenší sadu genů, která ještě zajistí bakteriální buňce vše potřebné a dovolí jí samostatně žít. V centru vědeckého zájmu se ocitají mikrobi s nejmenší dědičnou informací. K těm patří původce pohlavní choroby Mycoplasma genitalium nebo bakterie Mesoplasma florum. K životu jim vystačí zhruba šest stovek genů. Z výzkumu jejich DNA se zdá, že základní genetická výbava nezbytná pro život jednobuněčného organismu by nemusela obsahovat více než 300 až 350 genů.
Tři až čtyři stovky genů nejsou pro genetiky velké sousto. Mnozí se však obávají, že pro minimální genom bude nutné „sežvýkat“ mnohem větší porci DNA. Nejmenší genom mívají obvykle mikroorganismy, které žijí v těsném svazku se svým hostitelem. Jejich „domácí“ jim nabízí četné molekulární služby, díky nimž se tito mikrobi obejdou bez genů, jež by pro volně žijící bakterie byly životně důležité. Proto vědci zkoušejí zjednodušit i mnohem komplikovanější genomy. Zcela logicky padá jejich volba na střevní bakterii Escherichia coli, jež patří k nejdůkladněji prozkoumaným pozemským organismům. Bakterie se vyskytuje v mnoha kmenech, jejichž dědičná informace se liší poměrně dlouhými úseky DNA obsahujícími četné geny. Ze 4444 genů známých z dědičné informace Escherichia coli se zdá zbytečných nejméně tisícovka. A možná jich nakonec bude moci bakterie postrádat mnohem více.
Mikroskopičtí služebníci
Jakmile vědci vytvoří umělou bakterii tak, že syntetizovaný minimální genom vpraví do „vykuchané“ bakteriální buňky, bude čas na druhé kolo úprav. Při nich budou vědci umělé bakterii geny opět přidávat. Zúročí přitom výsledky výzkumu dědičné informace těch nejexotičtějších tvorů, jako jsou mikroorganismy obývající mořské hlubiny, vroucí minerální vřídla nebo pukliny v horninách hluboko pod zemským povrchem. Ke slovu přijdou také zkušenosti s konstrukcí „genetických obvodů“, jež se už v rámci oboru syntetické biologie slibně rozvíjí. Biologičtí syntezátoři tak budou vytvářet cíleně konstruované mikroby schopné zcela jedinečných kousků.
Syntetické mikroorganismy by mohly likvidovat nebezpečné odpady na neškodné zplodiny, mohly by pro nás produkovat jednoduše, levně a ve velkém cenná léčiva, mohly by produkovat látky využitelné pro ekologickou energetiku. Zdaleka nemusí jít jen o vodík. Velká pozornost se upíná i k mikrobům, kteří by dokázali rozkládat rostlinnou biomasu a zároveň ji kvasit na biolíh využitelný pro pohon spalovacích motorů.
Dřív než k tomu dojde, je nutné vyřešit bezpečnostní otázky spojené se syntetickou biologií. Jak budou mikrobi testováni s ohledem na jejich vliv na životní prostředí? Jak bude zaručeno, že nenapáchají ekologické škody nebo nevyvolají onemocnění lidí, zvířat či rostlin? Syntetická biologie musí tyto problémy vyřešit s vysokými garancemi a včas. Navíc musí získat důvěru široké veřejnosti, protože bez ní bude jen skomírat v zajetí nesmyslných omezujících předpisů a nařízení a svůj potenciál nikdy pořádně nerozvine.
Geneticky modifikovaná „superkvasinka“
Produkce biolihu pro pohon automobilových motorů je omezena výkonností kvasinek. Tyto mikroorganismy vyrábějí etanol jako zplodinu vlastní látkové výměny. Etanol je však pro ně toxický. Kvasinky hynou v prostředí, kde koncentrace etanolu vystoupí na 12 až 15%. Získat odolnější kvasinku se zdálo nemožné, protože toleranci k etanolu zajišťuje početná plejáda genů. Změna aktivity jednoho nebo několika málo genů odolnost nezajistí, zato naruší poměry uvnitř buňky natolik, že kvasinka zahyne. Tým amerických vědců vedených Gregem Stephanopoulosem z Massachusetts Institute of Technology přesto získal kvasinku, která je k etanolu mnohonásobně odolnější. Tato kvasinka fermentuje cukry s nepolevující intenzitou i ve stoupajících koncentracích etanolu. Během jednadvacetihodinové fermentace díky tomu vyrobí o 50% etanolu více než klasické kmeny kvasinek.
Stephanopoulosův tým využil důmyslné genetické modifikace kvasinky druhu Saccharomyces cerevisiae. Genom této kvasinky byl kompletně přečten a genetici v něm objevili i gen SPT15, podle kterého je syntetizována bílkovina řídící aktivitu široké škály genů důležitých pro celkový metabolismus buňky. Zvýšením aktivity genu SPT15 došlo zároveň ke zvýšení aktivity mnoha genů a výsledkem je zvýšená odolnost buňky k etanolu.
Pro výrobu biolihu je tento experiment obrovským příslibem. Pokud by se podařilo podobným způsobem zvýšit rezistenci průmyslových kmenů kvasinek, výroba etanolu by se mnohonásobně zefektivnila.
Jak oživit virus
Virus španělské chřipky z roku 1918 byl oživen metodou reverzní genetiky (biologickou funkci genu přitom zjišťujeme jeho vyřazením nebo naopak přidáním do organismu a podle potřeby jej aktivujeme). S její pomocí lze získávat viry, kteří využívají jako dědičné informace molekul ribonukleové kyseliny. K těm patří i virus chřipky skrývající ve svém nitru hned sedm řetězců RNA. Molekuly RNA jsou velice křehké a z virové dědičné informace se obvykle zachovají jen zlomky. Vědci je proto převedou do podoby mnohem stabilnější DNA. Tento přepis probíhá „proti směru“ obvyklého přenosu dědičné informace, při němž se podle DNA tvoří molekuly RNA. Mluvíme o něm proto jako o reverzním přepisu. DNA vzniklá reverzním přepisem je jakýmsi „negativem“ původní dědičné informace viru. Když je virový „negativ“ ve formě DNA kompletní, vědci jej podstrčí do dědičné informace savčích buněk. Ty začnou podle DNA vyrábět jak dědičnou informaci viru ve formě RNA, tak i virovou RNA, podle níž se tvoří bílkovinné součástky viru. V buňce pak virus dokončí svůj životní cyklus tím, že si sbalí nově vzniklou dědičnou informaci do nových bílkovinných obalů a vytvoří kompletní virus schopný nakazit další buňky.
DNA velikosti XXXL
Molekula deoxyribonukleové kyseliny (DNA) má typický tvar dvojité šroubovice. Velikost jednotlivých stavebních kamenů – tzv. bazí – určuje nejen tvar, ale i velikost molekuly DNA. Ta má za normálních podmínek jasně určený průměr i délku šroubovicových závitů. Američtí vědci vyrobili v laboratoři molekulu DNA z pozměněných bází. Tato DNA má větší rozměry a jiné vlastnosti.
V normální DNA se vyskytují čtyři základní písmena genetického kódu adenin (A), thymin (T), guanin (G) a cytosin (C). Adenin se vždy váže s thyminem a guanin s cytosinem. Americký chemik Eric Kool ze Stanfordské university v USAvyrobil zvětšená „písmena“ genetického kódu tím, že k adeninu a thyminu přidal ještě molekulu benzenu. Vznikla tak písmena xA a xT. Ta jsou asi o třetinu větší než obvyklá písmena. Kool měl ze začátku potíže, aby se mu „extravelká“ písmena do dvojité šroubovice DNA vůbec vešla. Nakonec se mu to povedlo. xA se váže s normálně velkým T a xT na sebe váže normálně velké A. Tak vzniká dvojitá šroubovice, která je asi o čtvrtinu větší. Má i další nezvyklé vlastnosti. Ve tmě fluoreskuje a navíc je odolná k vysokým teplotám. Zatímco normální dvojšroubovice DNA se v laboratorních podmínkách začíná rozplétat už při 21°C, extravelká DNA vydrží i zahřátí na 55°C.
Kapsa na TNT
Příroda nemá bílkoviny, které by rozeznaly molekuly vyráběné člověkem. Výbušnina trinitrotoluen (TNT) se před umělou syntézou v laboratoři nikde v přírodě nevyskytovala. Vědci ale dokážou spočítat, jak by bílkovina rozeznávající TNT měla vypadat a umějí ji vyrobit.
Biochemik Homme Hellinga z Duke University v USApoužil jako surovinu pro výrobu bílkovinného detektoru TNT bílkoviny, kterými zkoumají cizí molekuly obyčejné bakterie. Tyto bílkoviny mají v jedné části molekuly „kapsu“, do které musí rozeznaná bílkovina přesně zapadnout. Tím, že se molekula zasune do bílkovinné kapsy jako klíč do zámku, uvede celou bílkovinu do činnosti.
Hellinga vytvořil počítačový program, který mu dovoluje spočítat, jaké stavební kameny musí vpravit do bakteriální bílkovinné molekuly, aby se vytvořila „kapsa“ šitá na míru třeba právě TNT. Postup dostal přezdívku supra-astronomický výpočet, protože se při něm probírá více kombinací, než kolik je částic hmoty ve známém vesmíru. Kapsu tvoří 15 aminokyselin. Ty lze vybrat z dvacítky aminokyselin používaných běžně pro syntézu bílkovin. Každá aminokyselina může v daném místě zaujmout asi 6000 různých prostorových pozic. Na první pohled se zdá, že počet kombinací je bez konce. Hellingův program přesto dokáže vyhmátnout tu pravou. Dokazuje to výmluvně fakt, že právě tímhle způsobem vytvořil bílkovinu rozeznávající spolehlivě TNT od všech jiných molekul.
