Hra na boha?

Zamyšlení nad článkem Alexandry M. Goho „Život na objednávku“

Nedávné rozluštění lidského genomu nejen vzrušilo vědeckou veřejnost, ale stalo se i žhavým mediálním tématem. Genom zaujal představivost prostých čtenářů, kterou potom bulvární novináři po drahnou dobu živili články senzačního nádechu a mizivého informačního obsahu. Spolu s klonovanou ovcí Dolly se tak do širokého povědomí implantovala představa o brzkých možnostech úžasných genetických manipulací, klonování lidí na objednávku a podobných operací z žánru sci-fi. Na druhé straně propaganda zaměřená proti geneticky modifikovaným potravinám, přibližně se stejnou mírou solidnosti, šířila strach z důsledků genetického výzkumu na všechny strany. Vyvážených publikací, informujících jasně a srozumitelně o stávajícím stavu genetického výzkumu a jeho možných důsledcích pro společnost však bylo a je jako šafránu.

Před několika měsíci uveřejnil MIT Technological Review článek Alexandry M. Goho „Life Made to Order (Život na objednávku)“, který je výjimkou. I když ani on nepostrádá punc „popularizační žurnalistiky“, podle názoru redakce AKADEMON patří mezi publikace, které hovoří jasně a srozumitelně o složitých problémech, aniž by se dopouštěly neúnosných vulgarizací. Rozhodli jsme se jej proto přetisknout v následujících odstavcích v plném znění (volný překlad Ivan Dvořák) :

Po několik minulých dekád se vědci pilně věnovali dekódování genomů desítek organizmů, od bakterií až po lidi. Toto úsilí, které vyvrcholilo v roce 2000, kdy se podařilo rozluštit lidský genom obsahující zhruba třicet tisíc genů, dokumentuje narůstající zručnost při čtení „jazyka DNA“ (desoxyribonukleové kyseliny). Je to biologická gramotnost, která přináší dramatický pokrok pro pochopení genetických základů zdraví a nemoci a slibuje vývoj bezpečnějších a efektivnějších léků.

Nyní se však malá skupinka vědců zaměřuje na cíle,které jsou daleko ambicióznější než prosté přečtení sekvence existující genetické informace: pokoušejí se vytvořit ze základních stavebních kamenů zcela nové genomy. V podstatě usilují o vytvoření syntetického života, jaký na Zemi nikdy předtím v této podobě neexistoval, vytvořeného z přesných sekvencí DNA kódujících všechny vlastnosti nových organizmů.

Je to zatím dosud nejdrzejší pokus biologů zahrát si na Boha. Nepřekvapí, že tato skupina je vedena Craigem Venterem, legendárním vizionářem genomiky a zakladatelem Celera Genomics. Byl to právě on, kdo vedl kontroverzní soukromou skupinu, které se podařilo nasekvenovat lidský genom rychleji než z veřejných zdrojů dotovanému projektu „Human Genome Project“. V dubnu 2002 rozběhl Venter Institute for Biological Energy Alternatives, neziskovou organizaci se sídlem v Rockwille (stát Maryland, USA), kde usiluje o syntézu nové bakterie vytvořené kolem uměle vytvořeného genomu. Tento cíl míří nejen k dosažení hlavního deklarovaného cíle Institutu – syntézy využitelných mikroorganismů speciálně navržených např. pro vysoce efektivní pohlcování oxidu uhličitého nebo produkci vodíku – nýbrž i na posunutí na novou úroveň samotného genetického inženýrství.

Venterovým záměrem přitom není pouze kombinovat existující prvky živých organismů zabudováváním genů (do již existujícího geonomu), které kódují požadované prvky, což je základní postup klasického genetického inženýrství. Místo toho chce syntetizovat celý nový genom, tj. molekulu DNA, písmeno po písmeni tak, aby obsahoval pouze požadované geny, kódující vlastnosti nezbytné pro přežití (nového) organizmu a realizaci požadovaných procesů.

Clyde Hutchinson, bioložka z University v Severní Karolíně, tvrdí, že dlouhodobou výhodou vytvoření organizmu z chemicky syntetizovaného genomu je obrovské pružnost v designu. Vědci, nyní již neomezovaní pouze nabídkou organizmů vytvořených přírodou, mohou vytvářet celé spektrum syntetických organizmů, z nichž každý je navržen pro realizaci zcela speciálních procesů, jako jsou např. desaktivace ropných povlaků nebo syntézu plastických hmot. A protože tento mikroorganizmus bude navržen tak, že většinu svých energetických zdrojů bude využívat na plnění svého základního úkolu, bude nezbytně mnohem efektivnější, než bakterie s obdobným účelem vytvořená metodami klasického genetického inženýrství.

Eugene Konin, evoluční biolog v Národním centru pro biotechnologickou informaci (National Institutes of Health, Bethesda, Maryland) označil případné vytvoření takového organizmu za „obrovský úspěch“. Zdůraznil však, že (úspěšné) syntéze mikroorganizmů ze základních prvků hrozí několik velkých překážek : I velmi jednoduchý organizmus, jako je např. bakterie, obsahuje tisíce nebo miliony „písmen“ DNA. A i když vědci navrhnou přesnou sekvenci „písmen“ DNA, která by měla zajisti požadované vlastnosti (nového) organizmu, musí ještě přijít na to jak ji „napsat“ tj. spojit jednotlivá „písmena“ do dlouhé řetězce DNA; současné metody neumožňují totiž syntetizovat řetězce delší než několik set „písmen“. A lepit dohromady celý genom z tak křehkých komponent představuje strašně časově náročnou operaci, velmi citlivou na možné chyby.

I přes všechny nesnáze tohoto podniku Venter zdaleka není jediný, kdo má ambici přepsat „jazyk života“. Jiná malá skupinka vědců, působících jak v akademických institucích, tak i v průmyslu, rozpracovává technologie, které mohou učinit ze syntézy geonomu rutinní proces. Jedním z jejich (vyvíjených) nástrojů je přístroj schopný syntetizovat automaticky a s vysokou přesností DNA vlákna délky celého genomu. A zatímco tito vědci pilují svou šikovnost v syntéze DNA, jiní zkoumají, jak by bylo možno změnit samotný genetický „jazyk“, např. přidáním zcela nových písmen k „DNA abecedě“. To by umožnilo vytvoření principiálně nových organizmů, s vlastnostmi, které nemá žádný organizmus vytvořený přírodou. Informatik z MIT Tom Knight komentoval toto úsilí slovy : „(Genetický) program byl vytvořen před čtyřmi miliony let. Je na čase ho přepsat“.

Minimalismus  

Kořeny Venterova přístupu leží v myšlenkách tzv. Minimal Geonome Project (Projekt minimálního genomu) z poloviny devadesátých let, kdy vědci z Venterova Institute for Genomic Research dešifrovali první dva kompletní genomy – oba bakteriální. Vybaveni novou informací o tom, které geny jsou pro daný organizmus unikátní, začali vědci zkoumat, které z genů jsou naprosto nezbytné pro udržení živého organizmu. Nebyla to však pouze zvědavost, které tento projekt vyvolala : vědci se domnívali, že kdyby se totiž podařilo tyto geny identifikovat, bylo by možno modelovat zcela základní životní aktivity. (Výše citovaná) Clyde Hutchinson to vyjádřila: „Pomohlo by to pro pochopení složitějších buněk a navrhování nových.“

Vědecký tým začas studiem jednoduché bakterie Mycoplasma genitalium, jejíž malinký genom se skládá pouze z 517 genů složených z 580 000 „písmen“ DNA. Položili jsme otázku : „Potřebuje bakterie všechny tyto geny ?“ komentovala to Clyde Hutchinson, která si pro práci na tomto projektu vzala roční dovolenou z University v Severní Karolíně. Selektivní deaktivací jednotlivých genů zjistili, že pouze 265 z 350 jsou pro život bakterie skutečně nezbytné – dostatečně malý počet množství, aby bylo představitelné, že vědci dají dohromady celý geonom z jednotlivých genů, i když tento projekt může zabrat i deset nebo více let.

Projekt minimálního genomu byl však v roce 1999 dán k ledu, když se Venter soustředil na rozluštění lidského genomu. Nyní se však projekt opět rozbíhá, tentokrát se zaměřením na konkrétní aplikaci : vytvořit umělou bakterii, která poskytne čistší zdroj energie. Pod vedením laureáta Nobelovy ceny Hamiltona Smíthe, který opustil Celeru v na podzim roku 2002, aby se stal vědeckým ředitelem Institute for Biological Energy Alternatives, se vědci pokusí napřed syntetizovat minimální genom a tím nahradit (předem zničený) genom živé bakteriální buňky. Doufají, že syntetický genom převezme řízení buňky a tím vznikne nová forma života. Pokud se tento předběžný experiment podaří, vědci začnou vytvářet organismy, ve kterých tento minimální genom bude doplněn dalšími geny, nesoucími instrukce například na rozklad oxidu uhličitého nebo produkci vodíku.

Skládání genomu z jednotlivých genů nejen umožňuje vytváření nových organizmů s úžasnou přesností, ale, jak podotýká Venter, umožňuje buňky rovněž zbavit řady funkcí, nezbytných pro přežití v přirozeném (divokém) životním prostředí. V důsledku toho mohou tyto (nové) organizmy fungovat pouze v předem přesně specifikovaných a řízených podmínkách, např. takových, které panují v biologických filtrech lapačů kouře na komínech elektráren spalujících fosilní paliva.

Venter prohlašuje : „Podle našich orientačních výpočtů by nemělo být příliš obtížné vyrobit (biologický) lapač oxidu uhlíku, který bude schopen konvertovat veškerý oxid uhlíku produkovaný tepelnou elektrárnou na něco ekonomicky užitečného – např. umělou hmotu. Nebo mohou vědci vyrobit bakterii, které bude využívat metan vznikající na skládkách k produkci vodíkového paliva. Pokud je mi známo, žádný z existujících organizmů nedokáže buď zachycovat oxid uhličitý nebo produkovat vodík se svým existujícím metabolismem s efektivitou dostatečnou pro ekonomické využití.

Rychlý písař  

Umělé bakterie s metabolismem navržený podle přání zákazníka existují dosud jenom na papíře. A může to trvat desetiletí než náčrtky tužkou nahradí živé organizmy. Ale stále se množí důkazy, že se to může, snad, podařit.

V létě roku 2002 vědci z Newyorské Státní University ve Stony Brook prokázali, že je možné syntetizovat nový organizmus – byť na příkladu organizmu přírodě existujícího – pouze z informace o genových sekvencích a chemikálií ve zkumavce. Molekulární biolog Eckard Wimmer a jeho kolegové použili kombinaci syntetizátorů DNA a metody „brute force“ pro rekonstrukci genomu viru obrny dlouhého 7 500 DNA „písmen“. Poté k tomuto řetězci vytvořili komplementární řetězec RNA (ribonukleové kyseliny), genetického „bratrance“ DNA, ze kteréhože tvořeno mnoho genomů virů, na tuto RNA napojili enzymy a molekuly dalších látek přidaných do zkumavky a pak už jen sledovali, jak se celý virus obrny spontánně dává dohromady. Byl to první pokus, kdy se vědcům opravdu podařilo syntetizovat virus – nebo vůbec jakýkoliv živý organizmus – z jednotlivých dílčích komponent.

Když byly tyto výsledky zveřejněny, mnoho vědců je označilo za vědecký humbuk se zdůvodněním, že tým ze Stony Brook si pro práci vybral nebezpečný organizmus pouze ve snaze přitáhnout pozornost bulvárního tisku. Přesto tato práce umožnila osvětlit jeden závažný technologický problém – syntéza dlouhých vláken DNA běžnými technikami je úkol časově téměř nezvládnutelný. Vědci ve Stony Brook napřed syntetizovali krátké úseky pomocí běžných DNA syntetizátorů. Tyto přístroje používají komplikované série chemických reakcí aby napojili jedno „písmeno“ DNA na druhé. Vzhledem k nebezpečí chyby při každé další syntéze roste s délkou molekuly i počet chyb, které obsahuje, což v praxi omezuje použitelnost této metody pouze pro molekuly DNA s maximální délkou 80 DNA „písmen“. Pro syntézu delších řetězců DNA proto dávali do zkumavky mnoho úseků dlouhých 80 DNA „písmen“ spolu s enzymy, které vyvolávají spojení jejich konců. Výsledkem bylo dlouhé vlákno DNA s množstvím jednoduchých chyb pouze v jediném „písmeni“. Jejich opravy pak přidávají další práci a prodlužují čas potřebný pro syntézu. Kdyby si tým ze Stone Brook vybral organizmus s geonomem delším než 7500 „písmen“ možná by na svém projektu stále ještě pracoval.

To vše se však může změnit ! Glen Evans, ředitel Egea Biosciences, společnosti působící v San Diego (stát Kalifornie, USA), myslí, že jeho společnost našla řešení, které může myšlenku syntézy nových organizmů učinit realitou. „Badatelům nad virem obrny trvalo dva roky, než se jim podařilo tento virus syntetizovat. My to umíme za méně než týden !“ říká.

Zdrojem Evansovy hrdosti je nový přístroj vyvinutý jeho společností , který je schopen rychle syntetizovat dlouhé řetězce DNA s relativně dobrou přesností : podle Evansova tvrzení udělá jednu chybu přibližně na 10 000 „písmen“, na rozdíl od dosud používaných přístrojů, které mají tento poměr 1 : 100. Tato přesnost umožňuje, že současnou verzí přístroje je možno syntetizovat současně několik genů, Evans však doufá, že se výskyt chyb podaří snížit natolik, že bude možné syntetizovat najednou celý genom. Evans si poprvé uvědomil možnosti této technologie, když byl ředitelem Human Geonome Sequencing Center na Southwestern Medical Center University of Texas. Sám k tomu říká : „uvědomili jsme si, že umíme číst genetický kód, ale neumíme psát genetický kód !“

Pro odstranění tohoto nedostatku vyvinul „systém na psaní genetického kódu“, který kombinuje hardwarové a softwarové prvky. S použitím software genetik může navrhnout bílkovinu – např. nový lék – na počítači, který potom již sám navrhne sekvenci nukleových bází („písmen“ DNA), která syntézu bílkoviny v genomu kóduje. Evans to nazývá „textový procesor“ DNA. Hardwarovou komponentu tvoří robotizovaná chemická laboratoř, která syntetizuje automaticky dlouhé řetězce DNA, čímž nahrazuje pracné a dlouhodobé postupy ruční syntézy. Robot napřed syntetizuje zlomky DNA asi 50 – 100 „písmen“ dlouhé a uspořádá je do miniaturních „studniček“. Potom bere jeden zlomek po druhém a připojuje je k předchozímu pomocí speciálně připraveného „koktailu“ enzymů tak dlouho, až je celý gen – o délce několika tisíc „písmen“ - hotov. Evans říká, že Egea vyvinula prototyp, který díky automatizaci je schopen syntetizovat 10 000 bází („písmen“ DNA) za pouhé dva dny. Tvrdí, že technologii lze dále rozvíjet tak, až bude schopná syntetizovat v průběhu několika týdnů řetězce dlouhé 100 000 bází („písmen“ DNA) s vysokou přesností. Tato délka již odpovídá délce velmi jednoduchého bakteriálního genomu.

Automatizace a robotizace také umožní velmi přesné řízení každé chemické reakce vystupující v celém procesu. Tato kontrola, spolu s enzymovým „koktailem“ umožňuje získat řetězce DNA prakticky bez chyb, které znehodnocují řetězce vyráběné dosud dostupnými metodami. Zatímco Venter a další vědci soustředění na vytvoření syntetického organizmu mají před sebou ještě mnoho problémů než se jim podaří navrhnout nový životaschopný genom, technologie podobné té, kterou vyvinula Egea Biosciences, může ulehčit břemeno konstrukce genomu. Již několik společností se nyní pouští do syntézy „polévkové DNA“. Knight z Massachusetts Institute of Technology k tomu říká „“Brzy již nebudeme DNA skladovat ve velkých ledničkách. Prostě si ji napíšeme když ji budeme potřebovat.“

Hra s bloky  

Zatímco Evans a ostatní pracují na strojích, které mohou rozšířit výzkumníkovu schopnost psát genomy, chemici v Scripps Research Institute v La Jolla (stát Kalifornie, USA) rozšiřují samotnou genetickou abecedu. Floyd Romesberk z tohoto ústavu říká : „Náš repertoár je pochopitelně omezen na báze (genetická „písmena“) A,T,C a G. Protože tato „písmena“ říkají organizmu jaké bílkoviny má syntetizovat, rovněž počet bílkovin, které je možno do geonomu zapsat je omezený. Pokud by (např.) bakterie měla produkovat nové typy bílkoviny, je nutno do genetického kódu přidat nová písmena.“

A to je přesně to, co Romesbergova laboratoř dělá. Vycházejíce z pionýrské práce Stevena Bennerazu University of Florida Romesberg a jeho kolegové vytvořili nové „písmeno“ tvořené chemikálií fluorbenzen. Toto „umělé písmeno DNA“ se vůbec nepodobá přirozeným písmenům, takže je problémem a výzvou zmást replikaci DNA v buňce tak, aby je rozeznala a replikovala. Zatím Scrippsův tým syntetizoval krátké fragmenty DNA, ve kterých je zabudováno nové písmeno a úspěšně rovněž syntetizovali enzym, který dokáže řídit replikaci modifikovaého kódu. Příštím krokem bude vyvinout systém pro přeložení tohoto kódy do úplně nové bílkoviny – např. nového léku.

Aby toho dosáhl Romesberg spolupracuje s dalším chemikem ze Scrippsova Institutu Petrem Schulzem. Zatímco Romesbergův tým veksluje s genetickou abecedou, Schulzova laboratoř si hraje s další sadou biologických stavebních kamenů – aminokyselinami, ze kterých jsou tvořeny bílkoviny. V živých organizmech nacházíme celkem 20 aminokyselin, které vytvářejí bílkoviny podle instrukcí zakódovaných v DNA. Schulzova skupiny vytvořila bakterii, která obsahuje 21 aminokyselin, kde přidaná dvacátá první je chemickou modifikací jedné z přirozených aminokyselin. Tyto syntetické aminokyseliny přinášejí možnost zabudovávat do bílkovin nové funkce. Schultz říká : „Existuje celá řada chemických skupin, které můžeme zabudovat do bílkovin přimět je dělat zajímavé věci.“ Pracuje již např. na vytvoření fotosenzitivní aminokyseliny, která může aktivovat určité reakce v buňce při jejím ozáření světlem.

Navíc oba dva týmy ze Scrippsova Institutu svoje techniky kombinují. Cílem je vytvoření buňky se všemi enzymy a dalšími molekulami nezbytnými pro přeložení DNA kódu obsahujícího Remsbergovy umělé písmeno do bílkovin, které mají zabudovanou Schulzovu umělou aminokyselinu. Podle Schultze může mít tato technologie nesmírný dopad na nové léky na bázi bílkovin. Zatím vědci vyvíjející tyto léky používají typicky modifikace nějaké přírodní bílkoviny – např. přidáním specifického cukru, který se váže na kancerogenní buňky – aby zvýšili efektivitu jejich účinku. „To, co tito lidé dělají, je špinavá chemie“ říká Schultz a dodává : „Pokud by se tyto zvláštní chemické skupiny používaly jako umělé aminokyseliny, které se zabudují přímo do bílkoviny, a zakódovaly se přímo do syntetického genu kódujícího tuto bílkovinu, umožnilo by to vědcům modifikovat bílkoviny s neuvěřitelnou selektivitou a současně vytvořit živé továrny které budou chrlit nové bílkoviny.

„Odstranili jsme miliardy let trvající omezení našich možní nakládat s bílkovinami“ tvrdí Schultz a dodává otázku : „kdyby Bůh v neděli neodpočíval a použil pro svou práci více aminokyselin, co asi tak mohlo být výsledkem ?“ Měly by organizmy s rozšířeným genetickým kódem a širším, výběrem aminokyselin vývojovou selektivní výhodu ? Možná je zde nějaký důvod, pro který všechny známé organizmy mají bílkoviny postavené pouze z dvaceti prvků ? Stehen Freeland, evoluční genetik z University of Maryland se pak ptá :“Je to skutečně jenom náhoda, že ranná historie života šla touto cestou ? Nebo je v tom něco víc ?

Kdyby vědci uměli odpovědět tyto závažné teoretické otázky, říká Freeland, bylo by jednoho dne možné poznat životy na jiných planetách, které bychom jinak třeba vůbec nerozeznali. A když technika syntetického geonomu pracuje u Scrippse, v Egea i Venterově institutu a uspěje, potom život na Zemi se bude jevit ještě a rozmanitější a tajemnější.

Tolik Alexandra M. Goho v MIT Technological Review.

Je pravděpodobné, že techniky popisované v reflektovaném článku ve skutečnosti nejsou na takovém stupni preciznosti, na jakém by si je jich autoři přáli vidět. Je rovněž téměř jisté, že jejich prognózy se ukážou jako příliš optimistické a že budou muset v dalším rozvoji svých metod překonat řadu překážek, o kterých zatím nic ani netuší. Jejich záměr je však jasný a pochopitelný, ba – zdá se - i reálný. Stěží lze podcenit fundamentální význam, který rutinní zvládnutí popisovaných technik genetického inženýrství pro svět může mít. Zároveň však tato možnost opět podtrhává obrovskou odpovědnost, která v důsledku genetických objevů poslední doby na vědcích, a nejen na nich, leží.

Není náhodou, že v citovaných interview se sami zúčastnění vědci (možná žertem, možná vážně) srovnávají s Bohem. Skutečně, vytvoření nové formy života, s jiným (nebo alespoň modifikovaným) způsobem kódování a s jiným (přesněji rozšířeným) množstvím stavebních kamenů bílkovin je skutečně počin, který zde od doby vzniku života (ať již spontánního, jak věří ateisté, nebo stvořeného, jak věří věřící) nebyl. Tyto nové formy samozřejmě mohou přinést dnes jen tušené, avšak nepochybné, dobro : nové organismy jako zdroje energie, nové léky nebo „vypěstované“ biologické továrny mohou výrazně přispět ke zvýšení kvality života celé lidské populace. Tyto formy však mohou přinést stejně dobře dnes rovněž tušené a obtížně představitelné, ale možná ještě děsnější zlo : co když nové formy života se ukážou jako lépe adaptované, agresívnější a hostilní pro stávající formy ? Co když výsledkem jejich masového rozšíření nebude symbióza se současnými formami, ale jejich eliminace ? Dokážeme potom využít potenciálního dobra, aniž bychom vypustili z pandořiny skřínky potenciální zlo ?

Je zjevné, že vědecký výzkum nelze zastavit : nebylo by to správné, neodpovídalo by to lidské psýché a ani by nemělo smysl se o to pokoušet. Měli bychom si však být těchto nebezpečí vědomi a měli bychom se snažit možným rizikům nových genetických výzkumů předejít. Je opravdu škoda, když i vzdělanci a „opinion makeři“ podléhají – pod vlivem senzacechtivých médií - psychóze ovcí Dolly, zatímco skutečně závažné problémy vědecké etiky a regulace rizik vědeckého pokroku nechávají zcela nepovšimnuté.