Biologické lego

Syntetická biológia má obrovský potenciál zlepšiť naše životy. Poskytuje riešenia pre mnohé medicínske, environmentálne aj ekonomické problémy. Zhodujú sa na tom nielen vedci a univerzitní profesori, ale aj podnikatelia a investori. O tom, ako nám v súčasnosti môže syntetická biológia pomôcť a aké sú jej limity, sme sa rozprávali s Miroslavom Gašpárkom.

Čím sa zaoberá syntetická biológia?
Toto odvetvie inžinierstva sa zaoberá dizajnom, úpravou a vytváraním nových biologických systémov tak, aby sme ich dokázali využiť na účely prospešné ľudstvu. Syntetickí biológovia a genetickí inžinieri doslova čítajú (sekvenujú) informácie obsiahnuté v základných molekulách života, akými sú napríklad DNA, RNA alebo proteíny. Dokážu identifikovať funkcie jednotlivých kúskov DNA nazývaných gény, v ktorých sú zakódované informácie potrebné na výrobu proteínov a reprodukciu buniek. Inžinieri dokonca vedia vybrať gény z jedného organizmu a vložiť ich do iného, kde sa pôvodne nenachádzali. Kúsky DNA dokážeme priamo vyrobiť umelo, teda syntetizovať ich, prostredníctvom našich prístrojov a potom ich vložiť do rôznych organizmov, pričom môžu plniť svoju pôvodnú funkciu alebo dokážu vykonávať alternatívne funkcie. Principiálne si syntetickú biológiu môžeme predstaviť ako hru s biologickým legom, v ktorej z menších súčiastok skladáme zložitú a komplexnú stavbu.

V roku 2016 tím J. C. Ventera ohlásil vytvorenie minimálnej bunky. Použil syntetizovaný genóm baktérie Mycoplasma mycoides, ktorý postupným vypínaním jednotlivých génov napokon zredukovali na 473 génov nevyhnutných na prežitie baktérie. Minimálny genóm bol označený ako JCVI-syn 3.0. Bunka s týmto genómom predstavuje zatiaľ najjednoduchší synteticky zhotovený organizmus, ktorý je schopný samostatne sa rozmnožovať, foto Tom Deerinck, Mark Ellisman, NCMIR.

Čo všetko nám umožňuje?

Vďaka syntetickej biológii môžeme geneticky upraviť baktérie tak, aby dokázali efektívne premieňať skleníkové plyny v ovzduší na neškodné, ba dokonca priemyselne užitočné látky, ako napríklad etanol. Podobným spôsobom by sme tiež mohli efektívne a úsporne vyrábať biopalivá, ktoré by neznečisťovali životné prostredie. Okrem pozitívneho vplyvu na životné prostredie nám syntetická biológia môže pomôcť aj ekonomicky. Spoločnosť Amyris už dokázala geneticky upraviť neškodné kvasinky tak, aby vedeli vyrábať látku artemisinín, ktorá je základnou súčasťou jedného z najefektívnejších liekov na maláriu. Tento proces je oveľa lacnejší a dostupnejší než pôvodný, ktorým bolo získavanie artemisinínu z rastliny nazývanej Artemisia annua. Startup Antheia sa zasa usiluje podobným spôsobom v kvasinkách vyrábať molekuly potrebné na výrobu opiátov, pričom farmaceutický priemysel sa doteraz zameriaval primárne na výrobu opiátov z maku siateho. Tím profesorky Christiny Smolkovej zo Stanfordovej univerzity v Kalifornii, ktorá tento startup založila, nechce zostať len pri lepšej výrobe, ale chce tiež vyrobiť lepšie a bezpečnejšie opiáty, ktoré budú predstavovať menšie riziko vzniku závislostí.

Aké nové prístupy priniesla syntetická biológia do oblasti medicíny?

Syntetická biológia má práve v medicíne nesmierne široké využitie – od jednoduchej a lacnej diagnostiky istých infekčných ochorení (syntetický biosenzor sa napríklad podarilo vytvoriť na diagnostiku vírusu zika, ktorý sa pred niekoľkými rokmi nebezpečne šíril v Južnej Amerike) cez personalizované probiotické baktérie, ktoré by mohli pomôcť napraviť zloženie poškodenej črevnej mikroflóry, až po produkciu nových a unikátnych antibiotík, proti ktorým by baktérie neboli rezistentné. Jedným z najsľubnejších spôsobov liečby istých typov rakoviny je takzvaná CAR-T (Chimeric Antigen Receptor Therapy), pri ktorej lekári pacientovi vezmú jeho vlastné imunitné T-bunky a následne ich geneticky upravia tak, aby dokázali lepšie rozpoznávať a útočiť na rakovinové bunky. V prípade rakoviny lymfatických uzlín bola úspešnosť liečby pacientov asi 80 percent. Zdá sa, že množstvo problémov s biologickou podstatou vyrieši technológia založená na uplatnení ľudského inžinierskeho umu v biologických systémoch.

Miroslav Gašpárek je doktorandom inžinierstva na Oxfordskej univerzite, kde sa venuje syntetickej biológii a modelovaniu biologických systémov. Vyštudoval biomedicínske inžinierstvo na Imperial College London. Absolvoval výskumné pobyty na Kalifornskom technologickom inštitúte a na Stanfordovej univerzite, kde pracoval na výskume syntetických buniek. Je členom výkonného výboru Európskej spoločnosti pre syntetickú biológiu (EUSynBioS). Angažuje sa v neziskovej študentskej organizácii Unimak, v ktorej s kolegami bezplatne pomáha slovenským a českým študentom s prijímacími procesmi na zahraničné univerzity.

Aké ťažkosti stoja vedcom v ceste?

Najväčšie ťažkosti predstavujú štyri fenomény. Tým prvým je zložitosť biologických systémov a živých organizmov. Aj tá najmenšia bunka vyskytujúca sa v prírode, Mycoplasma mycoides, obsahuje asi 500 génov. Pritom musí vykonávať veľké množstvo biologických procesov: musí byť schopná reagovať na podnety z vonkajšieho prostredia, prijímať a spracovávať živiny, musí udržiavať svoj imunitný systém, ktorým sa bráni proti vírusom napádajúcim práve baktérie. Zároveň musí byť bunka schopná replikovať sa z predlohy DNA, ktorú v sebe obsahuje, musí vytvoriť novú kópiu DNA, bunkový obal aj celú bunkovú mašinériu. Tieto procesy sú mimoriadne zložité a doteraz mnohým z nich poriadne nerozumieme. Preto sa často stáva, že cudzie gény, ktoré do buniek vložíme, sa správajú inak, ako by sme očakávali. Závisí to od toho, aké gény obsahuje organizmus, do ktorého našu synteticko-biologickú skladačku vkladáme. Predstavte si, že staviate lego a červená kocka sa po pripojení k zvyšku stavby zmení na modrú alebo zelenú podľa toho, či skladáme domček alebo autíčko. Uznajte, takéto lego sa skladá ťažko.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 9/2020. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku
Foto archív autora

Komentáre