Vědci vytvořili první stabilní polosyntetický organismus

Genetický kód života až doposud obsahoval pouze čtyři základní písmena (nukleové báze). Tyto báze se vždy po dvou vzájemně párují, vytvářejí tak základní stavební bloky DNA. Změna v jejich pořadí, počtu a uspořádání pak určuje, zda buňka bude bakterie, motýla, tučňáka nebo člověka. Čtyři báze vytvořili život tak, jak ho dnes známe. 

To však platilo až do ledna 2017. Vědci z The Scripps Research Institutu (TSRI) nyní oznámili, že vytvořili první stabilní polosyntetický organismus. Vycházeli ze svých experimentů z roku 2014, ve kterých vytvořili pátou a šestou bázi genetického kódu. Vytvořili tak bakterii, která měla kromě základních bází (A, C, T a G) ještě další dvě báze X a Y.

Profesor Floyd Romesberg a jeho kolegové v nové studii prokázali, že jejich jednobuněčný organismus si tyto syntetické báze dokáže udržet a navíc je předat i do dceřiných buněk při buněčném dělení. Závěry průlomového objevu byly publikovány v lednu 2017 v prestižním časopise Proceedings of the Natural Academy of Sciences (PNAS).

Reálné aplikace takového výzkumu jsou však zatím hudbou daleké budoucnosti. Vědci věří, že díky syntetickým bázím mohou mikroorganismům „vnutit“ nové specifické funkce, které mohou mít uplatnění např. při hledání nových léků.

Stavba unikátního organismu

Když v roce 2014 Prof. Romesberg a jeho kolegové oznámili vývoj bází genetického kódu X a Y, tak dosáhli toho, že bakterie E.coli dokáže tyto syntetické báze zabudovat do své DNA. Co ale takto upravená E.coli nedokázala, bylo udržet si tyto báze i po rozdělení. Báze X a Y tedy po čase z populace E.coli vymizely.

 „Genom nemůže být stabilní jen jeden den, musí být stabilní po celý váš život. Pokud tomu tak není, nemůžete přežít. Podobně to musí platit i pro syntetické báze X a Y. Musí se zajistit jejich zachování i v budoucích generacích buněk“, vysvětluje Prof. Romesberg.

Teprve experimenty provedené se studenty Yorke Zhangem a Brianem Lambem přinesly průlomové výsledky. Vědci přiměli bakterii nejenom si báze X a Y udržet, ale i předat další generaci buněk.

Nejprve studenti Zhang a Lamb optimalizovali tzv. nukleotidový transportní systém, který přes cytoplasmatickou membránu přináší stavební materiál pro syntetické báze X, Y. „Tento transportní systém byl využit již v roce 2014, ale bakterii nedělal moc dobře“, vysvětluje Zhang. Úpravou transportního systému však vědci tento problém odstranili. Bakterie se tak mohla rozmnožit a udržet si funkční báze X a Y.

Vědci se také specificky zaměřili na bázi Y a v nové studii vylepšili předchozí verzi. Nová báze Y s pozměněnou chemickou strukturou je lépe rozpoznána DNA dependentní DNA syntázou, která je pro replikaci DNA při dělení buňky klíčová. Bakterie si tak dokázala efektivněji vytvářet kopie těchto syntetických bází.

Nové využití pro CRISPR-Cas9 systém

Nakonec vědci v bakterii nastavili jak říkají tzv. „kontrolu pravopisu“ s využitím CRISPR-Cas9 systému, který je stále populárnějším nástrojem pro genomovou editaci. Ale místo toho aby vědci upravili genom, využili původní funkce CRISPR-Cas9 systému.

Genetický nástroj CRISPR-Cas9, složený z DNA segmentu a enzymu, slouží bakteriím podobně jako imunitní odpověď vyšších organismů. Když totiž bakterie čelí nějaké hrozbě, např. napadení virem, vezme si fragment virové genetické informace a vloží si ho do svého genomu, aby příště virus snadněji odhalila a lépe se bránila. K tomu využije právě vložený virový fragment ve svém genomu, aby nasměrovala své enzymy účinněji proti viru.

Na základě znalosti fungování CRISPR-CAs9 systému přiměli vědci bakterii nebrat syntetické báze X a Y jako cizí hrozbu. Naopak, pokud buňka ztratila bázi X nebo Y, tak sama spustila buněčnou smrt. Tím pádem přežívaly jen ty buňky, které měly syntetické báze X a Y. Polosyntetický mikroorganismus byl pak schopen udržet si syntetické báze X a Y i po 60 generacích, což bylo pro vědce dostatečným důkazem, že si je dokáže udržet již navždy.

„Nyní tedy již dokážeme udržet světlo života“, říká s nadsázkou Prof. Romesberg. „Je to navíc důkaz, že jsme schopni manipulovat jakýmkoliv procesem v buňce“.

Prof. Romesberg zdůrazňuje, že tato studie je zaměřena pouze na jednobuněčné organismy a není aplikovatelná na mnohobuněčné živočichy nebo rostliny. Současné využití takto modifikovaných buněk je zatím malé. V další fázi se vědci chystají přimět buňku přepsat tyto syntetické báze do mRNA, ze které si pak buňka syntetizuje nové proteiny. Tato studie je tedy pouze prvním krokem na ještě dlouhé cestě za autonomními polosyntetickými mikroorganismy.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Yorke Zhang, Brian M. Lamb, Aaron W. Feldman, Anne Xiaozhou Zhou, Thomas Lavergne, Lingjun Li, Floyd E. Romesberg. A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; 201616443 DOI: 10.1073/pnas.1616443114

Scripps Research Institute. "First stable semisynthetic organism created." ScienceDaily. ScienceDaily, 23 January 2017. <www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170123214717.htm>.