Bakteriální genomika: úspěch za úspěchem

Genomika je nový vědní obor, který se osamostatnil od molekulární genetiky. Je založen na současných možnostech stanovit úplnou dědičnou informaci jednotlivých organizmů. Toho se dosahuje stanovením sledu všech nukleotidů („písmen genetické abecedy“), z nichž se skládá DNA organizmu, tedy „přečtením“ genomu. Se znalostí dědičné informace je v zásadě možné vysvětlit všechny životní pochody, které v daném organizmu probíhají. To se sice snadno napíše, ale hůř provede. A tak s dědičnou informací i těch nejjednodušších organizmů pracuje mnoho specialistů. Studují funkci jednotlivých genů, regulaci jejich exprese, evoluci organizmu apod.

Kromě získání těchto základních poznatků umožňuje však genomika i praktické využití znalosti dědičné informace. Zejména to platí o genomových projektech bakterií. U patogenních bakterií je například možné navrhnout naprosto spolehlivé metody pro diagnózu infekce, popřípadě se zaměřit na vývoj specifických léčiv.

Zatím byla „přečtena“ dědičná informace osmnácti bakteriálních kmenů a každý rok se ohlašuje dokončení dalších bakteriálních genomových projektů. Známe úplnou dědičnou informaci nebezpečných patogenů, jakými jsou například Helicobacter pylori (způsobující žaludeční vředy a pravděpodobně i rakovinu žaludku), Mycobacterium tuberculosis, Rickettsia prowazekii (příčina tyfu), Treponema pallidum (příčina syfilidy), Borrelia burgdorferi (příčina boreliózy).

Nedávno však byly dokončeny genomové projekty dvou nesmírně zajímavých bakterií. Je to jednak Deinococcus radiodurans, půdní bakterie, která dokáže přežít i v atomovém reaktoru. Snese tisícinásobnou dávku ozařování, která by každý jiný organizmus zahubila. Studiem přečtené dědičné informace této bakterie se podařilo osvětlit mechanizmus, jímž překonává účinky vysokých dávek jinak smrtelného záření. Ukázalo se, že tento mechanizmus není založen na žádném zásadně novém principu. Bakterie má prostě zmnožené geny, které i v jiných organizmech zajišťují opravu ozářených molekul DNA. Příroda tedy zjevně vyvinula velice účinný univerzální opravný mechanizmus, ale naprostá většina organizmů, včetně člověka, má v buňkách jen omezené množství složek, které opravu DNA zajišťují. Bakterie Deinococcus radiodurans má těchto složek podstatně víc, a proto opraví DNA účinněji a rychleji.

Zmíněný poznatek vede k úvahám, zda by nebylo možné zmnožit příslušné geny i v buňkách jiných organizmů, například jiných druhů bakterií, a docílit tak, aby i ony byly vůči škodlivému záření odolné. Tak jednoduché to ale asi nebude. Při studiu opravy DNA u bakterie Deinococcus radiodurans se ukázalo, že jakési další specializované pochody jsou do ní přecejen zapojeny. A tyto pochody se nyní usilovně zkoumají.

Dalším zajímavým a překvapivým nálezem v genomu zmíněné bakterie jsou geny, které byly dosud nalezeny jen v některých pouštních rostlinách. Tyto geny kódují vznik proteinů, které v rostlinách adaptovaných na velmi suché podmínky chrání DNA před poškozením dlouhodobým suchem. Jak k takovým genům přišla naše bakterie, to dosud nevíme. Z evolučního hlediska to je velmi zajímavá otázka, protože jedním z vysvětlení by mohl být horizontální přenos dědičné informace, tedy přenos přes zdánlivé evoluční bariéry. My sami jsme našli v bakterii Rhodobacter capsulatus pozůstatky genu pro jeden rostlinný hormon, což nasvědčuje tomu, že takovéto přenosy mezi rostlinami a bakteriemi nejsou ojedinělé.

Deinococcus radiodurans je tedy bakterie mimořádně odolávající některým nepříznivým podmínkám. Je proto velmi vhodným objektem pro další úpravy genomu, například pro vpravení nějakých nových genů. Mohlo by být velmi prospěšné, kdyby se tato odolná bakterie vybavila geny zajišťujícími účinnou vazbu těžkých kovů nebo degradaci chemických sloučenin typu toluenu. Taková bakterie by se dala použít pro čištění atomových reaktorů a radioaktivních odpadů. Pro svou odolnost a zajímavé genové vybavení se Deinococcus radiodurans asi stane vyhledávaným průmyslovým mikroorganizmem.

Druhým zajímavým nedávno dokončeným genomovým projektem je přečtení dědičné informace bakterie zvané Wolbachia. Projekt ukazuje, že se významných výsledků dosáhne při dobré všímavosti a logice zúčastněných pracovníků a také při takovém způsobu financování výzkumu, které umožňuje odbočit od původního projektu.

Zpočátku se totiž měl studovat hlíst filarie, parazita, jímž je neustále infikováno zhruba 120 milionů lidí v tropech. Působí jim slepotu a elefantiázu, projevující se zbytněním částí těla (viz Vesmír 74, 376, 1995/7). Při studiu tohoto hlísta se přišlo na to, že bývá běžně infikován wolbachií. Nejprve se tomu nevěnovalo mnoho pozornosti. Vědělo se, že wolbachie infikují hmyz a často snižují jeho plodnost. K plodnosti filarií je ale naopak infekce nezbytná. Asi se mezi hlístem a bakterií vyvinul nějaký typ symbiózy. Filarie se tak stává citlivou na antibiotika, která poškozují bakterie, v tomto případě wolbachii. A tak se původní projekt přečíst velký genom filarie změnil na genomový projekt wolbachie, která je podstatně jednodušší. Její projekt byl nyní dokončen a začínají se charakterizovat jednotlivé bakteriální geny, zejména ty, které by mohly být zásahovým místem pro léčbu vážných tropických nemocí. Studuje se také molekulární podstata symbiózy hlísta a bakterie. ¹⁾