V den, kdy se tento text objeví na síti, již bude zastaralý. Objevy na poli molekulární biologie jsou totiž natolik rychlé, že než čtenář dočte první stránku, bude někde na Zemi sekvenován další organismus či dojde k dalšímu přelomovému objevu. Lynn Margulisová († 2011), autorka endosymbiotické teorie, zdůrazňovala na přednáškách svým studentům, že vědu děláme teď, a že čas je důležitým hráčem. Jak je to staré osm let, už je to sociologie.

Dějiny molekulární biologie nám přinášejí velmi důležitý vzkaz: můžeme sledovat geometrickou posloupnost nových objevů, a co bude za deset let, je mimo naši fantazii. Říká se, že jen dvě oblasti lidského bádání jsou rychlejší než fantazie autorů sci-fi: počítačové technologie a molekulární biologie. V roce 1953, kdy byla objevena dvoušroubovicová struktura DNA, bylo zcela mimo představivost, že o padesát let později bude přečten genom člověka a že dalších deset let nato budou vědci jako o cíli dosažitelném v blízké době mluvit o nasekvenování všech druhů žijících organismů a všech lidí na Zemi. O úsilí přečíst i všechny vyhynulé organismy, jejichž DNA se dochovala, ani nemluvě.

Cesta k syntetickému genomu

V roce 1928 přinesl Frederick Griffith první důkaz existence tehdy tajemného faktoru, který umožňuje přenos vlastností z jednoho bakteriálního kmene na druhý. Že jde o DNA, tehdy ještě nikdo netušil. Až roku 1944 Oswald Avery, Maclyn McCarthy a Colin MacLeod potvrdili, že oním faktorem nejsou proteiny, ale DNA.

Přelomovým datem je 25. duben 1953. Watson s Crickem publikovali v Nature článek (PDF), který sice jen o dva řádky přesáhl rozsah jedné stránky, ale sdělení, které přinesl, je dnes považováno za největší biologický objev 20. století. Nešlo pouze o odhalení prostorové struktury DNA – dvoušroubovice. Struktura napovídá funkci. Rozpletením dvou vláken mohou vzniknout vzory, na které se podle principu komplementarity mohou nesyntetizovat vlákna nová. Poznání struktury umožnilo pochopit princip kopírování dědičné informace.

V 60. letech následovalo rozluštění genetického kódu, tedy šifry, s jejíž pomocí se čtyřpísmenný jazyk DNA překládá do jazyka proteinů (sekvence aminokyselin).

V roce 1967 Arthur Kornberg úspěšně vytvořil první „syntetický“ život, když se mu zdařilo s pomocí pročištěných enzymů a templátové DNA vytvořit  in vitro kopii fága φX 174 se schopností úspěšně infikovat E. coli. V roce 1971 Paul Berg ze Stanfordovy univerzity úspěšně vložil část DNA fága λ do opičího viru SV 40. O rok později Herbert Boyer a Stanley Cohen totéž dokázali u bakterií.

První transgenní živočich se narodil roku 1974, když Rudolf Jaenisch a Beatrice Mintzová vložili cizí DNA do myšího embrya.

V roce 1977 Boyer a Keiiči Itakura vytvořili bakterii E. coli, která produkovala lidský somatostatin. Bylo to poprvé, kdy nějakou bílkovinu specifickou pro lidský organismus nevytvořily buňky lidského těla, ale bakterie.

Ve stejném roce Fred Sanger a jeho tým osekvenoval genom fága φX 174 o velikosti 5386 párů bází. Sanger za tento objev v roce 1980 obdrží Nobelovu cenu, v jeho případě již druhou – první získal v roce 1958 za objev struktury inzulinu.

Roku 1982 se na trhu objevuje první rekombinantní protein, bakteriemi produkovaný lidský inzulín, který je prodáván pod komerčním názvem Humulin.

Éra syntetických genomů začíná v roce 2002, kdy Jeronimo Cello a Eckard Wimmer se svým týmem syntetizovali z chemikálií genom polioviru, velký 7500 párů bází.

Další ikonickou událostí je publikování článku v časopise Science, v němž 21. května 2010 tým Craiga Ventera oznamuje, že se mu podařilo syntetizovat genom bakterie Mycoplasma mycoides a vložit ho do buňky druhu Mycoplasma capricolum, jejíž vlastní DNA byla předtím odstraněna. „Syntetická“ bakterie byla životaschopná a úspěšně se množila.

Software si začal vyrábět svůj vlastní hardware. Zrodila se bakterie Mycoplasma laboratorium, neboli Synthia.

A letos v březnu ohlásil mezinárodní tým pod vedením Jefa Boekeho z New York University syntézu prvního plně funkčního chromozomu eukaryotického organismu (kvasinky Saccharomyces cerevisiae).

Synthia, buňka s umělým genomem

Pro práci na prvním syntetickém genomu volně žijícího organismu si Venterův tým původně – a logicky – vybral genom bakterie Mycoplasma genitalium, o které bylo známo, že má nejmenší genom ze známých bakterií (580 000 párů bází). Kvůli nízké růstové rychlosti a dalším problémům byla nakonec jako výchozí organismus zvolena Mycoplasma mycoides s genomem o velikosti 1 083 241 párů bází. Za příjemce uměle vytvořeného genomu vědci vybrali blízce příbuzný druh Mycoplasma capricolum. Genom Mycoplasma genitalium již byl dávno znám, v roce 1995 ho totiž sekvenoval přímo Venterův tým.

Venterovi lidé tedy přečetli genom M. mycoides, tuto sekvenci nasyntetizovali v laboratoři a celý uměle vytvořený genom přenesli do M. capricolum, jejíž vlastní DNA byla předtím odstraněna. Venterův tým pak s úžasem pozoroval, jak se tvar M. capricolum mění a buňky získávají podobu M. mycoides. Software si začal vyrábět svůj vlastní hardware. Zrodila se bakterie Mycoplasma laboratorium, neboli Synthia.

Je tedy zřejmé, že nebyla vytvořena přímo „syntetická buňka“. Pouze její genom byl skutečně syntetický. Aby o jeho umělém původu nebylo pochyb, vědci do něj vložili genetické „vodoznaky“. Do sekvence bází zakódovali jména všech 46 výzkumníků, kteří se na úkolu podíleli, odkaz na webové stránky a emailovou adresu, kam kdokoli, kdo kód rozluští, může výzkumníkům napsat. Kromě toho genom obsahoval také citáty Jamese Joyce, Roberta Oppenheimera a Richarda Feynmana.

Craig Venter o Synthii mluvil jako o prvním druhu, jehož rodičem je počítač, a také jako o prvním druhu, který má ve své DNA zapsán odkaz na své webové stránky. První část výroku je nepochybně přehnaná, rodičem Synthie není počítač, neboť sekvence DNA je „opsána“ z přírody: Je to kopie genomu M. mycoides, jen s drobnými doplňky.

Mycoplasma laboratorium, neboli Synthie, první organismus se syntetickým genomem.

Mycoplasma laboratorium, neboli Synthie, první organismus se syntetickým genomem. Foto: JVC Institute, Tom Deerinck & Mark Ellisman{National Center for Microscopy and Imaging Research, University of California.

Filozoficky je vznik M. laboratorium významným krokem. Někdy se hovoří o tom, že jsme se z analogové biologie dostali do věku biologie digitální. Genomy již totiž nejenom čteme, nýbrž učíme se je i psát. Vznik M. laboratorium je v kontextu moderní biologie dalším krokem na cestě, na jejímž počátku bylo klonování. Při něm se snažíme vytvořit kopie existujících organismů. Druhým krokem bylo vytváření geneticky modifikovaných organismů, kdy jsme do stávajících organismů začali přidávat vhodné geny. V případě M. laboratorium se pomalu dostáváme do třetí fáze: nové organismy si začínáme vyrábět přímo z chemikálií, byť zatím jen ve velmi omezené míře.

Udělej si sám, biologie v garáži

Už v době, kdy se Venterův tým snažil vytvořit Synthii, se rozvíjel pozoruhodný fenomén. Na různých místech světa se rozbíhaly snahy vynést syntetickou biologii ze sofistikovaných laboratoří a od vysoce kvalifikovaných odborníků k co nejširšímu spektru zájemců. Jednou z těchto iniciativ je i soutěž iGEM, určená pro týmy středoškolských a vysokoškolských studentů a pro absolventy vysokých škol.

Na začátku dostane každý tým „kit“ skládající se přibližně z tisíce standardizovaných částí DNA, tzv. biocihel (BioBricks), které může použít pro práci na svém projektu.

V roce 2006 například zvítězil tým, který vytvořil Eau d´e coli – biologický systém založený na bakteriích Escherichia coli, určený pro produkci různých vůní v závislosti na fázích růstového cyklu bakterie. Kolonie E. coli vyvářely v exponenciální růstové fázi vůni rostliny libavka (Gaultheria) a ve stacionární fázi vůni banánů.

O tři roky později zvítězil projekt nazvaný E. chromi. Tvořily ho kolonie E. coli sedmi jasně odlišitelných barev, které by mohly sloužit jako biosenzor. Barvu totiž mění v závislosti na přítomnosti těžkých kovů. E. chromi by se tak mohla používat například pro detekci arzénu ve vodě.

V současnosti se stále více a více nadšenců hlásí k „udělej si sám“ biologii a vědci na univerzitách se nevěřícně ptají, zda se opravdu může molekulární biologie nebo biotechnologie stát zálibou pro volný čas. Zdá se, že ano. Přichází doba „garážové biologie“.

Filozoficky se jedná o zajímavý posun. Jak poznamenávají George Church a Ed Regis v knize Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves (2012), je to návrat vědy z průmyslových laboratoří a univerzit, určených jen několika vyvoleným, zpátky do časů učenců-gentlemanů, kteří nebyli pevně spojeni s nějakou etablovanou organizací: Isaac Newton, Charles Darwin, Alfred Russel Wallace, Benjamin Franklin… S volně dostupnými biologickými kity v rámci DIYbio, Livly Lab, BioCurious, Genspace a dalších veřejnosti otevřených laboratoří se stala syntetická biologie dostupná každému, i bez příslušných studií a titulů. Džin se dostal ven z lahve, se všemi pro a proti.

Fantastické vize a „hra na Boha“

Syntetická biologie je nový a rychle se rozvíjející obor, na němž se podílejí evoluční biologové, molekulární biologové, biochemici, IT specialisté, matematici, fyzici a další profese. Tak jako v roce 1953 nemohlo nikoho napadnout, že už za padesát let budeme mít přečtený genom člověka, je dnes další postup syntetické biologie zcela mimo naše představy.

Stoupenci nového oboru nabízejí bezpočet fantastických aplikací, jimiž by syntetická biologie mohla přispět k řešení problémů lidstva. Na míru vyrobené organismy mohou jednoho dne likvidovat ropné skvrny, metabolizovat oxid uhličitý, a redukovat tak skleníkový efekt, vytvářet nové typy biopaliv, produkovat vakcíny a leccos dalšího.

Kritici namítají, že tyto vize značně přehánějí a naopak opomíjejí rizika. Syntetické organismy možná mohou likvidovat ropné skvrny, ale tím, že je vypustíme do postižené oblasti, zároveň způsobíme potenciálně ještě nebezpečnější biologické znečištění. Nikdy nevíme, jak se tyto organismy budou v přírodě chovat, jak budou reagovat s různými látkami a s divoce žijícími organismy. Ekosystémové vazby jsou natolik složité, že nejsme schopni předpovědět, co se stane. Syntetické organismy mohou své geny přenést do přirozených organismů a narušit ekologickou rovnováhu. Podobně jako v případě GM rostlin panují obavy například ze vzniku „superplevele“, pokud divoce žijící rostliny získají geny pro odolnost vůči herbicidům.

Na námitku, že nové organismy mohou uniknout mimo laboratoř a způsobit neodhadnutelné škody, lze odpovědět poukazem na snahu toto riziko eliminovat. Kmeny mikroorganismů používané v experimentech s rekombinantní DNA by měly být upraveny tak, aby mimo laboratoř nepřežily. Mohou být například závislé na živinách dostupných pouze v laboratorních podmínkách. Zabezpečit lze i organismy cíleně vypouštěné do přírody. Mohou například nést sebevražedné geny, které by je po předem stanoveném počtu replikací zabily, nebo mohou reagovat „sebevraždou“ na externí chemický signál. Kritici však varují, že i sebevražedné geny by mohly uniknout do přirozených organismů. Spekuluje se také o možnosti tvorby organismů používajících modifikovaný genetický kód, který by s přirozenými organismy nebyl kompatibilní, čímž by se riziko přenosu prakticky vyloučilo.

„Hraní si na Boha“ je koncept v naší západní tradici překvapivě neproblematický.

Námitky proti syntetické biologii poukazují i na skutečnost, že vědci vytvářejí řetězce DNA, které nikdy předtím v přírodě neexistovaly. To je sice pravda, ale všichni rodiče, kteří čekají dítě, vytvořili „řetězce DNA, které nikdy neexistovaly“. Rovněž bakterie si neustále vyměňují v rámci konjugace geny a vytvářejí „řetězce DNA, které nikdy neexistovaly“. V přírodě vznikají nové kombinace písmen DNA každou vteřinu. Z vlka jsme už vyšlechtili nejrůznější plemena psů a nikdo to doposud neoznačil za eticky nepřípustné jednání.

Hrají si vědci na Boha, jak jim odpůrci genetických modifikací a syntetické biologie často vyčítají? „Hraní si na Boha“ je koncept v naší západní tradici překvapivě neproblematický. Díky svým židovsko-křesťanským kořenům vnímáme rozum jako nástroj, kterým máme poznávat svět, a nemoc jako zlo, proti kterému je potřeba bojovat. Nemoc nepřijímáme jako nezvratný osud, kismet nebo fatum, jako spravedlivý trest či vůli bohů, která jistě není bezdůvodná, či jako katarzi pro příští (lepší) inkarnaci.

Rozum naopak chápeme jako nástroj, kterým máme poznávat a měnit svět, postavit se proti nástrahám přírody. Vytváření GM organismů či syntetických organismů tedy nemusí nutně být per se špatné. Jistěže je na místě opatrnost a každý objev je jistě zneužitelný. To ale neznamená, že bychom měli počínání tohoto druhu zakázat jako takové.

Bioterorismus a bioerrorismus

V rámci syntetické biologie se mluví o dvou rizicích: o chybě v zabezpečení (safety) a o nedostatečné ochraně (security). Porušení zabezpečení vinou chyby či nedbalosti by vedlo ke vzniku neúmyslné škody, například vzniku zmíněného „superplevele“ odolného vůči herbidicům. Mluví se proto o bio-errorismu. Naopak bio-terorismus je aktem vědomého porušení ochrany. Škody jsou v tom případě úmyslné, cílené, ať už jsou jejich původci zločinné státní režimy, teroristické skupiny nebo osamělí podivíni.

Pokud se někdo z „insiderů“ rozhodne zneužít své postavení a začít vraždit, systém se těžko ubrání nebo se začne bránit příliš pozdě.

Security je mohem obtížnějším úkolem než safety. Za příklad poslouží kauza Bruce Ivinse. Muže, který v roce 2001 provedl útoky s rozesíláním anthraxu v dopisních obálkách. Ivins přitom pracoval v USAMRIID, zdravotním ústavu pro infekční nemoci spadajícím pod americkou armádu.

Z naší republiky je na poli lékařské etiky dosti obšírně diskutován případ „heparinového vraha“ Zelenky, který spadá do stejného rámce: pokud se někdo z „insiderů“ rozhodne zneužít své postavení a začít vraždit, systém se těžko ubrání nebo se začne bránit příliš pozdě.

V současnosti narůstají technické možnosti jednotlivců. V dávných dobách mohl jeden člověk vyzbrojený pěstním klínem zabít několik dalších lidí. Později mohl zničit celou vesnici ohněm. Dnes může jeden student vystřílet školu, malý tým teroristů by teoreticky mohl zabít desetitisíce a statisíce lidí pomocí jaderných, chemických nebo biologických zbraní. V budoucnu je představitelné, že jeden jediný člověk bude pomocí biozbraní schopen způsobit škodu ještě větší.

Rizika budoucnosti syntetické biologie

Syntetická biologie je někdy přirovnávána k automobilismu. Na jeho počátku zaznívaly obavy, že hluk motorů plaší koně a hrozí vážné dopravní nehody. Po počátečním živelném období se ale velmi rychle ustanovily alespoň rámcové dopravní předpisy. Zdá se, že syntetická biologie je na tom podobně. V dnešních divokých začátcích bude třeba rychle ustanovit sadu bezpečnostních opatření srovnatelných s těmi, které známe ze silničního provozu.

Auta jsou dnes vybavena mnoha technologiemi zvyšujícími bezpečnost a nové modely jsou pečlivě testovány, jak v tomto ohledu obstojí. Než člověk získá řidičský průkaz a poprvé usedne sám za volant, musí prokázat schopnost ovládat vozidlo i znalost předpisů. Auta absolvují pravidelné technické kontroly. Silniční komunikace jsou vybavovány stále vyspělejšími ochrannými prvky a nad bezpečností provozu bdí dopravní policie.

Přes všechna tato opatření však silniční nehody stále existují. Syntetickou biologii proto čeká podobný proces. Existuje například snaha evidovat všechny DNA-syntetizéry, které budou vyrobeny. Problémem je, že přístroj je relativně malý a už dnes jich existuje na světě příliš mnoho na to, aby někdo zpracoval jejich přehled a vytvořil soupis lidí, kteří s nimi pracují.

Jistě by byl užitečná také elektronická kontrola veškerého obchodování s kity a s přístroji použitelnými v syntetické biologii a dohled nad tím, aby se pracovalo pouze s buňkami, které jsou naprogramovány na sebedestrukci mimo laboratoř. Mělo by se také provádět přísné testování toho, co by se stalo, kdyby organismus z laboratoře unikl. V tuto chvíli jsou ale tato opatření spíše zbožným přáním.

J. Craig Venter

J. Craig Venter, enfant terrible světové genomiky. Foto: JCV Institute.

Transčlověk neboli H+

Jednou budeme možná moci vytvořit i “umělého člověka” a obavy z frankensteinovských hororů se stanou aktuálními. Vznikne Homo evolutis, posthuman, transhuman, parahuman, H+ nebo jaké další názvy lze vymyslet.

Francis Fukuyama se obává, že „první obětí transhumanismu bude rovnost“. Panují obavy z toho, že translidé disponující lepším zdravím, krásnější postavou, bystřejší myslí a delším životem budou pro sebe žádat proporcionálně silnější práva než ostatní. Vznikne novodobá aristokracie či dokonce dva druhy lidí.

Obavy ze vzniku „syntetických lidí“ jsou ještě přece jenom výrazně předčasné, nicméně už dnes je třeba diskutovat o rizicích spojených s různými genetickými vylepšeními. Už kolem olympijských her v Turíně v roce 2006 se vážně hovořilo o možnosti genetického dopingu. Vážná a hluboká reflexe této problematiky je jistě na místě.

Teoreticky se uvažuje i o vzniku tzv. W-geniky (zkratka z „double u“ neboli you-eu-genics; eugenika sebe sama), spočívající v individuální kontrole nad geny vlastního těla.

Různí přirozeně vzniklí lidští mutanti ale žijí mezi námi odjakživa. Mutantem je ostatně každý z nás. V genomu každého jedince se objevují mutace, které vznikly až v rodičovských pohlavních buňkách nebo během vývoje organismu a jejich kombinace je pro každého člověka jedinečná.

Řada přirozených mutací způsobuje nemoci, ale vzácně mohou přinášet i výhody. Vzácní dvojití mutanti v genu pro myostatin (MSTN) mají výraznější svaly a nižší množství tělesného tuku. Mutanti pro gen LRP5 mají mimořádně silné kosti. Mutanti v genu PCSK9 mají o 88 % nižší riziko koronárních onemocnění a dvojití mutanti v genu CCR5 jsou HIV resistentní. Popsány jsou i stavy jako hyperthymesie, což je schopnost pamatovat si události ze života s mimořádně podrobnými detaily.

Bio-hacking a bio-pranking

Amatérští biologové mohou testovat svou zdatnost a praktické limity „udělej si sám“ biologie na pokusech vytvořit vysoce funkční a potenciálně nebezpečný mikroorganismus. Tak, jako se počítačoví hackeři snaží vytvořit počítačové viry, které by obelstily antivirový program uživatele, mohou se podobní bio-hackeři pokoušet vytvořit reálný virus, který bude schopen obejít imunitní obranu napadeného. Ať už s přímým úmyslem škodit, nebo z pouhé zvědavosti kombinované s nedoceněním možných důsledků. Motivací může být i zdánlivě neškodný humor. Do této kategorie spadá takzvaný bio-pranking (bio-šprýmování), třeba v podobě vypuštění geneticky modifikovaných bakterií do sousedova bazénu s úmyslem zbarvit vodu do zelena. I to může způsobit neplánované a nenapravitelné škody na blízké floře a fauně.

Náklady spojené s likvidací škod způsobovaných tvůrci počítačových virů a dalších druhů škodlivého softwaru se dnes celosvětově pohybují kolem 50 miliard dolarů ročně. Cena, kterou bychom platili za bio-hacking, je neodhadnutelně vysoká.

Nejistá budoucnost

Biologie se dnes, v roce 2014, přes všechny působivé úspěchy a nové postupy naštěstí ještě nenachází v té fázi, v níž by si amatérští biokutilové mohli vyrobit Ebolu v garáži. Ovšem jak je na trhu syntetické biologie víc a víc webových stránek, znalostí, nástrojů a technik, je stále snazší a snazší i pro méně zdatné nadšence a „udělej si sám“ biology pracovat s genomy a možná jednou i vytvořit nové životaschopné systémy.

Pokud bude současný trend pokračovat, bude pro amatérského biologa časem možné vytvořit libovolný gen u sebe doma nebo v garáži a pověsit jej na víceúčelové šasi zakoupené od místního biotech prodejce. Co až budou jednou syntetizéry DNA v každé domácnosti?

Syntetická biologie se od nositelů Nobelových cen a prestižních univerzit přesouvá ke středoškolským studentům a amatérským biologům. Snahou iGEM a podobných aktivit je učinit bioinženýrství „snadným“. Cílem je snížení náročnosti (de-skilling) biotechnologických procesů a domestikace biologie, což snadno může vést k nedozírným bezpečnostním následkům.

George Church a Ed Regis ve výše zmíněné knize Regenesis citují Marcuse Schmidta z Vídeňské univerzity. Podle něj si je v extrémním případě možno „představit svět, ve kterém prakticky kdokoli s průměrným IQ bude mít schopnost vytvořit nový organismus doma v garáži bez profesního kodexu, bez hlášení a vyplňování bezpečnostních protokolů a bez dostatečného výcviku v biobezpečnosti; což je dosti mrazivá myšlenka.“

Už v roce 2007 několik autorů, mezi nimi Craig Venter a George Church, ve zprávě Synthetic Genomics: Options for Governance (PDF) označili„poliovirus a virus slintavky a kulhavky jako viry, které by bylo relativně snadné syntetizovat pro někoho, kdo má znalosti a zkušenosti ve virologii a molekulární biologii a kdo má vybavenou laboratoř, avšak nikoli pokročilé zkušenosti v oboru.

Navzdory těmto varováním je budoucím teroristům třeba říct, že proměna žijícího patogenního organismu do životaschopné biozbraně je zatím stále, naštěstí, navzdory lidovému přesvědčení velmi obtížný proces. Alespoň to tvrdí Geoff Baldwin et al. v knize Synthetic Biology. A Primer z roku 2012. Jak dlouho to ještě bude platit?

Další články tématu

Titulní ilustrace: Dora Čančíková

Print Friendly

Tagy

O autorovi

Marek Vácha

Marek Vácha

Mgr. Marek Vácha, PhD., (* 1966) je přednostou ústavu lékařské etiky 3. LF UK. Vystudoval molekulární biologii a teologii, doktorskou práci věnoval tématu etických dilemat v kontextu současné genetiky. Je autorem několika knih zabývajících se dialogem přírodních věd a teologie. Působí také jako katolický kněz. V letech 1997 a 2000 se účastnil dvou výprav na Antarktidu. V roce 2002 žil šest měsíců v trapistickém klášteře Sept-Fons ve Francii. Články v tištěném Vesmíru.