Rostliny jako senzory

Uvedli jsme, že prostřednictvím transgenese lze získat rostliny zářící ve tmě jako světlušky. Přenosem genů lze získat další užitečnou modifikaci rostlin - připravit hlídače různých látek v prostředí.

Základní funkce rostlin jako producentů organické hmoty je vázána na získávání oxidu uhličitého z prostředí a vypouštění kyslíku. U suchozemských rostlin jde o plynné substance a systém průduchů výměnu plynů umožňuje a reguluje. Je samozřejmé, že tímto způsobem se k rostlinným buňkám bezprostředně dostávají i jiné plynné složky okolního ovzduší.

Z  živočišné říše víme, že existují biologické detektory reagující na nepatrné stopy určitých plynných sloučenin. Dokladem je nejen ve známé písničce opěvovaný „pes policejní, nad kterého nejní", ale i třeba můry, které na velkou vzdálenost zjistí feromon vydávaný samičkou. Takové zjišťování látek není však omezeno jen na živočišnou říši - tam je pro nás jen nejpatrnější a nejdéle známé. Podobně se orientují i bakterie a řídí svoji chemotaxi, tj. pohyb ve směru přítomnosti živiny.

Propojit tyto dvě vlastnosti si dala za úkol výzkumná skupina Státní univerzity Koloráda a Duke univerzity v Severní Karolíně vedená June I. Medfordem. Aby organismus reagoval na jakoukoli látku z prostředí, musí mít receptor - obvykle bílkovinu -, která se s příslušnou látkou váže a tím spustí řetězec procesů vedoucích k biologické odpovědi. Klíčem tedy je, mít na povrchu buňky takovou molekulu a na ní navazující „spouštěč" dalších procesů. Vhodným spouštěčem u bakterií i rostlin je enzym fosforylující aminokyselinu histidin - histidin kináza - na kterou navazují další molekuly a signál se šíří předáváním fosfátu. Výsledkem je spuštění přepisu určitých genů v jádře.

Druh plynné látky, na kterou budou buňky reagovat, je dán tvarem bílkoviny - receptoru, protože s ním se látka musí pevně a specificky vázat. Existují počítačové programy, které modelují tvary bílkovin podle aminokyselinového složení. Výzkumný tým je použil v opačném směru, podle molekuly látky, která se měla zjišťovat zadal tvar receptorové bílkoviny a získal optimální aminokyselinové složení. To je metoda tzv. proteinového  inženýrství. Pak se připravila potřebná sekvence polynukleotidového řetězce, který by požadovanou sekvenci aminokyselin kódoval, a tento syntetický gen se vložil do rostlinné buňky.

Výběr molekul, které by se mohly takto z ovzduší zjišťovat, byl, pochopitelně, dán společenskou objednávkou (přeloženo: nejvydatnějším zdrojem finanční podpory), a ta přišla z ministerstva obrany. Proto první látky, pro které se zhotovily detekční proteiny v periplasmatickém prostoru byly výbušniny, konkrétně trinitritoluol. Specifický vypočítaný a sestrojený protein není velký, pouze 4x7x8 nm, takže snadno pronikne do rostlinného protoplastu. Příprava takových detekčních proteinů specificky se vážících s určitými ligandami není nová. Již v minulosti vznikla idea spojit je s vhodnými elektrodami, které by přeměnily navázání ligandu na elektrický signál. Problémem však byla malá stabilita proteinů v tomto systému. Elektronická signalizace tedy nevyšla, bylo nutno hledat biologickou.

Vyžadovalo to značnou práci na řetězci, který předává signál od povrchového receptoru do jádra. Autoři kombinovali systém bakterií a rostlin a nakonec použili známou metodu fluorescenčního proteinu z medusy, aby si ověřili, že signál se přenáší. Potvrdili, že vyvinutý řetězec skutečně přenese v modelové rostlině huseníčku signál až na jadernou DNA a iniciuje expresi genu.

Nastala příprava konečného stupně - jak má rostlina „dát najevo", že zjistila ligandovou molekulu- trinitrotoluen (TNT). Použili k tomu už dříve popsaný systém založený na oxido-redukčních reakcích, který způsobí odbarvení chlorofylu, takže rostlina zbledne. Nazývá se proto „odzeleňující genový okruh" (de-greening gene circuit). Přenos signálu od receptoru na povrchu buňky se upravil tak, že spouštěl právě tento odzeleňující pochod. Ukázalo se, že systém funguje nejen při reakci ligandu s listy, ale i s kořeny, takže rostliny mohou signalizovat TNT i v půdě, tedy např. přítomnost min. Reakce se viditelně dostavila během dvou hodin. Je velmi specifická (nespouští se stresem rostlin) a takto modifikované rostliny se dají množit semeny. Citlivost je buď lepší, nebo stejná jako u zmíněných psů - tedy v rozmezí 10^-8 až 10^-9.

Autor: Prof. Jaroslav Drobník

Obrazové přílohy: http://www.sxc.hu/