Před čtyřmi lety byl oznámen vznik prvních umělých bakterií. Nyní vědci udělali velký pokrok ve svém pokusu syntetizovat mnohem složitější organismus: kvasinky.
V květnu 2010, tedy téměř před čtyřmi lety, oznámil slavný americký genetik John Craig Venter vytvoření první částečně syntetické živé buňky schopné reprodukce na světě. Tohoto úspěchu bylo dosaženo v rámci projektu Minimal Genome Project, jehož cílem bylo získat organismus s minimální, ale pro život dostatečnou sadou genů. Venter a jeho tým z Rockville Institute for Genomic Research provedli své experimenty na bakteriích rodu Mycoplasma.
Současně se zahájením prací na vytvoření umělé bakterie zahájila další skupina vědců z Johns Hopkins University v Baltimoru spolu s kolegy z New York University a také specialisty z Číny, Austrálie, Singapuru a Velké Británie umělou syntézu pekařské nebo pivovarské kvasnice (Saccharomyces cerevisiae).
Komplexní kvasinky se nevyrovnají primitivním bakteriím
Kvasinky jsou organismus, který je nesrovnatelně složitější než bakterie. Na rozdíl od bakterií jsou kvasinky eukaryota, to znamená, že jejich buňky obsahují jádra a právě v nich se nacházejí chromozomy, které jsou nositeli dědičné informace. Proto, ačkoliv byl genom kvasinek rozluštěn již dávno, téměř před 20 lety, jeho umělá rekonstrukce v laboratoři a hlavně získání životaschopného organismu na tomto základě je nesmírně obtížný úkol. A nyní v časopise Science vědci představili to, co lze na této cestě považovat za epochální úspěch: kvasinky, v jejichž genomu byl jeden z chromozomů nahrazen analogem kompletně syntetizovaným v laboratoři.
Konkrétně mluvíme o chromozomu číslo 3. V kvasinkové buňce je 16 chromozomů a chromozom číslo 3 je jedním z nejmenších: tvoří pouze 2,5 procenta dědičného materiálu, který se skládá z 12 milionů párů nukleotidových bází. Jinými slovy, kvasinky popsané v časopise Science jsou z 97,5 procent přírodní. Prakticky se neliší od přírodních odrůd: dokonce by se daly použít k pečení nebo vaření, kdyby nebyly tak drahé. Ale právě v tom spočívá senzační povaha práce: kvasinky „bez stížností“ přijaly umělý chromozom, který nahradil ten přirozený, a přitom si zachovaly nejen životaschopnost, ale i všechny jeho obvyklé vlastnosti.
Místo přirozeného chromozomu – vylepšená umělá kopie
Experimenty trvaly sedm let. Kvasinky se totiž odedávna využívají nejen v potravinářském a chemickém průmyslu, ale také jako modelový organismus v biologických laboratořích. Genetici přitom do jejich genomu vkládají různé mutace, cizí geny nebo uměle syntetizované fragmenty DNA, aby kvasinkám dodali určité vlastnosti, které jsou v průmyslové výrobě žádané. Vědci se však v této práci uchýlili k metodě, která má s tradičním genetickým inženýrstvím pramálo společného: nejprve celý chromozom navrhli v počítači a poté jej v přísném souladu s tímto plánem syntetizovali v chemické laboratoři.
Pro tuto práci je zvláště důležitá skutečnost, že umělý chromozom není zcela identický s přirozeným. Vedoucí projektu Synthetic Yeast 2.0 Jef Boeke, profesor molekulární biologie a genetiky na Johns Hopkins University a ředitel Institutu pro systémovou genomiku na New York University Langone Medical Center, vysvětluje: „Nesyntetizovali jsme přesnou kopii původního chromozomu kvasinek. , ale několik jeho upravená verze. Originál se skládá z 316 tisíc párů nukleotidových bází a naše kopie jen z 272 tisíc párů. Odstranili jsme některé nekódující části DNA a redukovali repetice v genetickém kódu, protože naše předchozí experimenty ukázaly, že tyto fragmenty DNA jsou „volitelné“, dalo by se říci „nadbytečné“. Zároveň jsme přidali poměrně významný počet párů nukleotidových bází pro účely značení genů a jejich pozdější modifikace. Provádění změn v genomu je ve skutečnosti loterie: jedna chyba a buňka zemře. Podařilo se nám však provést přes 50 tisíc změn genetického kódu v našem chromozomu a kvasinky jsou živé a zdravé.“
Cílem jsou bezpečné a kontrolovatelné syntetické kvasinky
Jak říká vědec, dokončené dílo lze považovat za „dobytí Everestu syntetické biologie“. K dosažení konečného cíle projektu však zbývá ještě dlouhá cesta. Koneckonců, výzkumníci budou muset zbývajících 15 chromozomů nejen uměle vytvořit, ale také upravit. Tato úprava má jednak zajistit biologickou bezpečnost prostředí, pro které musí být uměle syntetizované kvasinky mimo bioreaktory či laboratoře neživotaschopné, a jednak poskytnout kvasinkám takovou „kontrolovatelnost“, která by umožnila mají být použity pro průmyslovou výrobu různých chemikálií, ať už jde o biopaliva, léky nebo vakcíny. Kontrolovatelnosti lze dosáhnout zavedením cizích genů vypůjčených z jiných hub, rostlin nebo zvířat do genomu kvasinkových buněk.
Technologie, kterou použili k vytvoření syntetického chromozomu, je to, co sami vývojáři nazývají mícháním dědičného materiálu. Geny jsou v podstatě zamíchány jako balíček karet. “V důsledku smíchání skončíme s mnoha genomy,” říká profesor Buka. „Na chromozomu číslo tři jsme označili 98 genů, které podléhají další modifikaci. Celkem chceme mít v genomu kvasinek asi 5 tisíc takových míst. To nám umožní vytvořit obrovské množství různých kombinací a vybrat z nich ty, které jsou potřebné pro konkrétní úkol.“
Syntetická biologie podle vědce přechází od teorie k praxi. Další skupiny výzkumníků již pracují na syntéze dalších chromozomů, a proto je profesor Buka přesvědčen, že kvasinky s kompletně syntetizovaným genomem budou dostupné do čtyř let. Jedinou otázkou je, zda budou životaschopné jako kvasinky s jedním umělým chromozomem. Někteří odborníci o tom pochybují.
