„Klinická smrť“, či „posmrtný život“ mitochondrií pekárskych kvasiniek

Ľudstvo bolo odjakživa fascinované posmrtným životom a kládlo si otázku, čo je po smrti, čo bude potom, keď zomrieme. Niektoré kultúry a náboženstvá považovali život len za prípravu na putovanie do ríše mŕtvych (napríklad staroveký Egypt). Priam pochmúrne opisujú trápenie v ríši Hádovej Gréci. Iné náboženstvá dávajú na výber, podľa spôsobu pozemského života. Posmrtný život môže byť nepredstaviteľne krásny v moslimskom či kresťanskom raji, alebo značne nepohodlný a nepríjemný v pekle. Z hľadiska súčasných poznatkov sa zdá najprijateľnejšia predstava budhistov, ktorí veria, že po smrti sa čosi ako duša reinkarnuje do nových bytostí. Najprijateľnejšou som si túto predstavu dovolil nazvať preto, lebo aj podľa všeobecne prijatého Dawkinsovho názoru o sebeckom géne (princípe dedičnosti) sú časti genetickej informácie, tak ako naučené mémy, reinkarnované v našom potomstve.

K posmrtným procesom neostala ľahostajná ani moderná pragmatická spoločnosť, väčšmi zameraná na stav klinickej smrti, teda na pacientov, ktorí by bez podpory základných životných funkcií neprežili. Dá sa vôbec posmrtný život či klinická smrť študovať skutočne vedecky? Ak áno, aký model by bol najlepší? Pokúsim sa zhovievavého čitateľa presvedčiť, že vhodný model existuje a že by to mohli byť mitochondrie, najlepšie preštudované z pekárskych kvasiniek Saccharomyces cerevisiae. Určite mnohým skrsne v hlave otázka: Ako je definovaný posmrtný život, či život a smrť vôbec? (V rámčekoch uvádzam niekoľko definícií života a smrti s mojím komentárom v zátvorke.)

Ako možno interpretovať „klinickú smrť“, či „posmrtný život“ v bunke

Pravda, známejší je biochemický pohľad na mitochondrie ako na „elektrárne bunky“. Zvyšky pôvodnej genetickej informácie dokonca používame pri vedeckom skúmaní ich pôvodu, hľadaní ich príbuzných, alebo pri porovnávaní ich spoločných „predkov“ so súčasnými baktériami. Preto ich nevdojak považujeme za nejaké miniaturizované, minimalizované formy buniek, aj keď počas evolúcie stratili schopnosť autonómnej existencie a stali sa závislými od hostiteľa, ktorého teraz predstavuje jadro s ostatkom bunky. Biogenéza mitochondrií dnes závisí práve od tohto prostredia, od niekoľkých stovák rôznych proteínov kódovaných hostiteľom, ktoré sa hrnú do nich, a tak im zabezpečujú existenciu. Podobajú sa domestikovaným zvieratám alebo zvieratám v ZOO, neschopným prežiť v prírode. V podstate predstavujú analógiu s pacientom v stave klinickej smrti, ktorého množstvo hadičiek a káblov spája s prístrojmi zabezpečujúcimi základné životné funkcie. V tomto prípade by bola azda priliehavejšia dosť streštená predstava, že pacient by mohol byť zdrojom energie nielen pre napájanie prístrojov, ktoré ho udržujú pri živote, ale aj pre ostatné nemocničné priestory.

Ale vráťme sa k mitochondriám a ich príbuzným, ktorí nemali také šťastie alebo smolu a nezvolili si endosymbiotický spôsob života. Vždy, keď akýmkoľvek zásahom zablokujeme ich základné životné procesy, či už inhibítorom, alebo tým, že spôsobíme letálne (usmrcujúce) mutácie v dôležitých génoch baktérií i iných mikroorganizmov, stratia jeden z atribútov života a ich rast sa zastaví. Takýto zásah v bunke naruší tú fascinujúcu harmóniu života. Potom skôr či neskôr nastane dekompozícia základných štruktúr bakteriálnej bunky („rozvrat vnútorného prostredia“). Ďalšie štúdium je limitované krátkou periódou po smrti. Ak však zablokujeme replikáciu DNA, transkripciu či iné procesy esenciálne pre život mitochondrií a zásah dopadá výlučne do mitochondriálneho kompartmentu, môžeme mitochondrie kultivovať bez časového obmedzenia. Ako som už spomenul, je to preto, že import mitochondriálnych proteínov z cytoplazmy stačí na ich existenciu. Niekomu sa to môže zdať triviálne a namietne, že aj v baktériách sa dajú študovať letálne mutácie závislé od zmeny podmienok kultivácie (tzv. kondicionálne). áno, je to možné, ale sme limitovaní zmenou podmienok, a tak či onak, vždy príde lýza a dekompozícia.

Obráťme však pozornosť k výnimočnosti mitochondrií. Jednou z determinant večnosti života je perpetuácia genetickej informácie zabezpečená jej multiplikáciou, najčastejšie vo forme dvojvláknovej DNA. Na replikáciu dvojvláknovej DNA je potrebný, okrem mnohých iných komponentov, aj malý kúsok RNA, z ktorého je proces iniciovaný (obrázek). Raritne môže byť tento kúsok zredukovaný na jediný nukleotid, ako je to v prípade adenovírusov. Dnes považujeme práve kúsky RNA za prapôvodcov života, za molekuly, ktoré neuveriteľnými zásahmi do prostredia iniciovali vznik súčasných foriem života, na prvý pohľad z nízkych pohnútok, podľa princípu sebeckosti a večnosti. Našťastie vtedy neexistovali nejakí „an(RNA)organickí“ ochrancovia prostredia. Vo všetkých formách života si RNA stále uchováva „kontrolný balík“, a možno povedať, že tam, kde je život, prebieha syntéza RNA. Asi by sa dalo konštatovať, že tam, kde je RNA, je aj život. Potom tam, kde chýba RNA (a ani pri zmene podmienok kultivácie sa tam nezjaví), mohol by byť nejaký prelomový bod – niečo ako smrť.

Platí to však aj pre kvasinkové mitochondrie? Podľa experimentov nie veľmi. Po zablokovaní syntézy RNA v kvasinkových mitochondriách deléciou najdôležitejšej zložky mitochondriálnej RNA polymerázy dochádza k nekontrolovateľným deléciám mitochondriálnej DNA. Mitochondrie, ako aj ich „ekologická nika“ – kvasinky, tento zásah tolerujú. Malé kúsky pôvodného genómu sa stabilne replikujú naďalej, aj v takom prípade, keď je zablokovaná transkripcia. Prežívajú, a dokonca je naďalej zachovaná perpetuácia genetickej informácie. Tá je síce rozprášená do malých kúskov v populácii mitochondrií rôznych buniek kvasiniek – tzv. „petitových“ genómov. Nuž, ale ako môže ostať zachovaná? Ako sa nasyntetizuje RNA primer, z ktorého sa začína každá „normálna“ replikácia dvojvláknovej DNA? Dopraví ho sem jadrový hostiteľ? Ten má možnosti ohraničené. Jednak len malá časť genetickej informácie by mohla byť komplementárna s mitochondriálnou, jednak by musela byť transkribovaná do RNA, a okrem toho importovaná do mitochondrií.

Po tejto tzv. „smrti“ mitochondrie môže byť však všetko inak. Replikácia je pravdepodobne zabezpečená rekombináciou medzi dvoma potrhanými úsekmi dvojvlákna DNA, ktoré sa medzi sebou spárujú a polymeráza vyplní trčiace konce (obrázek). Pokiaľ viem, neexistuje organizmus, ktorý by niečo podobné dokázal! Podobný fenomén bol, pravda, pozorovaný pri poškodení počiatkov replikácie niektorých plazmidov E. coli, ale to sú len obyčajné „vandrujúce“ DNA a nikdy nie, ak chýba RNA polymeráza! Teda nemýlia sa teórie, ktoré tvrdia, že život po smrti je skutočne jednoduchý a skromný, že dokonca nie je potrebné takmer nič z  „normálneho“ života. Fragmenty mitochondriálnej genetickej informácie stále perpetuujú v rôznych mitochondriách umiestnených v rôznych bunkách kvasiniek, potomkoch pôvodnej populácie (obrázek). Možno to vyzerá, akoby mitochondriálna genetická informácia bola večná! Ešte šťastie, že takýto replikačný mechanizmus nie je dokonalý, a preto sa občas genetická informácia z mitochondrií vytratí. Existujú aj špecifické mutagény (ako etídium bromid), ktoré ju dokážu eliminovať. S ľahkou nadsázkou by sme mohli konštatovať, že za určitých okolností by sa dal posmrtný život považovať za večný. Analógiu s pacientom radšej ponechám vašej obrazotvornosti.

Ako je to však s posmrtným životom – je radostný, alebo pochmúrny? Aj na tieto otázky poskytujú odpoveď experimenty Lorimerovej a Fangmana. Mitochondrie s vyradeným génom pre RNA polymerázu poznajú radosti a rozkoše, podobne ako živé. Dokážu sa totiž krížiť s tými, ktoré „sú po smrti“ (bez detegovateľnej RNA), ale aj so „živými“. Teda v prípade, že sa pária ich životné prostredia (kvasinky) a premieša sa cytoplazma, dôjde k fyzickému kontaktu mitochondrií. Túto predstavu radšej nebudeme rozoberať na pacientovi, lebo to by už hraničilo s hororom.

Z predchádzajúcich úvah by mohlo vyplývať, že mitochondria je nezničiteľná, lebo je ako ten pacient na jednotke intenzívnej starostlivosti. S ním sa dá skončiť jednoducho. Stačí, ak niekto vypne zdroj energie – elektrinu. Aj s mitochondriami je to podobné, a tu musím spomenúť azda najvýznamnejší objav slovenskej biochémie pochádzajúci z dielne prof. Ladislava Kováča a jeho študentov. Skutočne, aj mitochondriám možno vypnúť elektrinu. Ak zredukujeme potenciál na vnútornej mitochondriálnej membráne a zablokujeme syntézu ATP – zdroja „chemickej energie“. Vtedy minimalizujeme, či úplne zablokujeme prílev proteínov z cytoplazmy a mitochondrie musia nejako signalizovať svojmu prostrediu, že sú v koncoch. Ako? To ostáva záhadou. Pískanie a blikanie svetielok to určite nebude. Hostiteľ však dokáže tento signal zachytiť, pochopiť a spracovať ho. Prestane rásť, a preto sa takýto zásah považuje za letálny. Toto by už mohol byť skutočne koniec mitochondrií. Mimochodom, vyplýva z toho, že integrita a funkčnosť membrán je dôležitejšia na existenciu života ako perpetuácia celistvej genetickej informácie (sliepka či vajce – známy paradox evolučných biológov)? Teraz by mohol príbeh skončiť, ale nekončí.

Zablokovanie prílevu mitochondriálnych proteínov teda vedie ku skaze životného prostredia mitochondrií – kvasinkových buniek. Jednoducho sa odmietnu množiť. Tu si azda analógiu s pacientom môžeme dovoliť. Vyzeralo by to tak, že v prípade skutočnej smrti pacienta, alebo odpojenia prístrojov, by nastala deštrukcia celej jednotky intenzívnej starostlivosti i nemocničných priestorov („rozvrátenie vnútorného životného prostredia“). Ale sú kvasinky, považované za „zahubené“, naozaj mŕtve? Ak k nim pridáme živé, dokážu s nimi kopulovať a celá genetická informácia hostiteľa (jadra bunky) sa môže znova oživiť (alebo reinkarnovať). Ak sa niekomu zdá, že má komplikovaný život, nech si uvedomí, že život všeobecne je veľmi komplikovaný a posmrtný možno oveľa viac.

Koľko ďalších prekvapení, napríklad okolo apoptózy (programovanej smrti bunky), starnutia alebo iných zatiaľ utajených procesov nám mitochondrie ešte nachystajú? Pri listovaní v populárno-vedeckých časopisoch, a najmä vo Vesmíre, natrafíme najčastejšie na tie najvychytenejšie tvory, ako panda, latiméria či krtkopotkan (česky rypoš), najmä preto, že sú v nejakom zmysle bizarné. Musím sa priznať, že som v duchu vždy závidel ľuďom, ktorí s takýmito modelmi pracujú, alebo aspoň o nich píšu. Ale nie sme nespravodliví ku kvasinkovým mitochondriám? Veď môže byť niečo väčšou raritou ako nerušené rozmnožovanie sa po „molekulárno-biologickej smrti“, či zničenie svojho „životného prostredia“ po smrti. Ale „prostredie“, napriek tomu, že je prehlásené za mŕtve, dokáže sa páriť a produkovať životaschopné potomstvo…

Určite si mnohí čitatelia položia otázku, či sa vôbec má nejaký prírodovedný odbor zaoberať problémom posmrtného života. Len si však predstavte, čo by za to dali potravinárske koncerny! Koľko prostriedkov vydávajú na to, aby zabránili poslednému prejavu smrti, teda dekompozícii buniek, tkanív, organizmov (alebo mäsa, rajčín, zemiakov), ktoré nám slúžia ako potrava!

Možno si niektorí čitatelia položia otázku, či z tejto kôpky názorov vyplýva aj niečo iné ako to, že by autor mal vyhľadať lekársku pomoc. Preto si na záver dovolím sumarizovať:

• Mitochondrie pekárskych kvasiniek sú z pohľadu molekulárneho biológa rovnakou raritou, ako všetky tie bizarné mnohobunkové tvory, odchyľujúce sa od dosiaľ prijímaných evolučných trendov. Dokážu totiž tolerovať neprítomnosť vlastnej RNA!
• Dobre definovať život, ako aj smrť a posmrtný život, pojmy logické vo väzbe k životu, je nemožné. Ak to chcete, musíte minimálne napísať knihu, a aj tak definícia nemusí byť dokonalá.
• V súčasnosti akceptovaná definícia života poukazuje na skutočnosť, že niektoré počítačové vírusy alebo programy by mohli byť živé! To možno vysvetliť len dvoma spôsobmi. Buď máme zlú definíciu, alebo sme vytvorili nový(é) druh(y), s ktorým(i) budeme musieť súťažiť. Zatiaľ stačí vypnuť elektrinu (zhasnúť).
• Klinická smrť a posmrtný život sú veci veľmi osobné. Zaujíma nás len náš vlastný a ani si nevieme predstaviť, že po niečom podobnom by mohla „túžiť“ kvasinka, alebo dokonca jej mitochondrie.
• V predchádzajúcich číslach časopisu Vesmír bolo viackrát publikované, že spoločenské vedy sú v kríze, prírodné nie. Nie je to kríza, keď treba napísať knihu, alebo aspoň kapitolu, aby sa dalo niečo definovať? Nie je práve definícia života tou hranicou medzi spoločenskými a prírodnými vedami? Niet dôvodu, prečo by nemohla byť snubným prsteňom, prečo by princ nemohol pobozkať žabu! Všetci vieme, čo je život a čo smrť, tak ako vieme rozlíšiť živé od neživého. Azda najväčším problémom filozofie je definícia týchto pojmov. Rôzni autori ich definujú rôzne. Ak chcú vysvetliť svoju interpretáciu, musia napísať knižku.
• Je definícia života niečo podobné ako Heisenbergov princíp neurčitosti? Čím presnejšie je život definovaný, tým viac sa nájde faktov, ktoré túto definíciu vyvracajú. Ak je život definovaný všeobecne, definícia je uspokojivá, avšak v podstate nehovorí nič.
• V súčasnosti sme svedkami obrovského pokroku v molekulárnej biológii, a to aj napriek tomu, že nevieme rozumne definovať život! ¹⁾