Řasa Chlamydomonas reinhardtii – novodobá chiméra

K čemu je modelový organismus dobrý?

Po staletí se biologové věnovali hlavně sledování a katalogizování výtvorů matky přírody. Devatenácté, a hlavně dvacáté a jednadvacáté století jsou ve znamení modelových organismů. Ty umožňují studovat nějaký proces na jednodušších organismech a výsledky vztáhnout na organismy podstatně složitější. Prvním modelovým organismem byl zřejmě hrách, který použil Gregor Mendel, aby na něm ukázal obecné základy genetiky. Po hrachu následovaly další genetické modely jako kukuřice či ovocná muška Drosophila melanogaster. Mezi další modelové organismy patří myš, jako základní model pro savce včetně člověka, háďátko Caenorhabditis elegans, výborný organismus pro studium vývoje a genetiky, kvasinka Saccharomyces cerevisiae, která se proslavila hlavně jako model pro studium buněčného cyklu, buněčné fyziologie a metabolismu, a samozřejmě vůbec nejúspěšnější modelový organismus bakterie Escherichia coli. V rostlinné říši je hlavním modelovým organismem huseníček Arabidopsis thaliana, k jehož největším výhodám patří snadné pěstování, rychlý růst, krátká reprodukční doba a výborně zvládnutá genetika. Kromě huseníčku jsou důležitými rostlinnými modely třeba mech Physcomitrella patens nebo zelená řasa Chlamydomonas reinhardtii, která je vhodná hlavně pro studium fotosyntézy a bičíků. Zpočátku byl každý model určen přednostně pro některý biologický proces. S tím, jak se zvětšovalo množství znalostí, rostl i počet lidí, kteří se danému organismu věnovali, a tak se rozšiřoval i záběr toho, co je v modelu studováno. Dnes jsou tedy modely v mnoha aspektech nejlépe charakterizovanými organismy a mohou být porovnávány mezi sebou, nebo použity jako východisko pro studium složitějších živočichů.

Je libo studovat fotosyntézu? Chlamydomonas je vaše volba

Řasa Chlamydomonas reinhardtii je schopna růst autotrofně na světle i heterotrofně na acetátu jako zdroji uhlíku. Umí dokonce současně fotosyntetizovat a využívat acetát. Na rozdíl od vyšších rostlin si kromě toho udržuje funkční fotosyntetický aparát i ve tmě. To všechno jsou vlastnosti, které umožnily izolaci různých mutantů této řasy, a tím ji předurčily jako vynikající model pro studium fotosyntézy a také biogeneze chloroplastu. Řasa Chlamydomonas byla prvním organismem, v němž byla charakterizována biosyntéza a sestavování fotosyntetického aparátu, včetně rolí jádra a chloroplastu, které na tomto procesu spolupracují. I v dnešní době molekulární biologie si řasa Chlamydomonas v tomto oboru stále zachovává vedoucí pozici díky tomu, že jako jedna z mála organismů umožňuje velmi snadnou a specifickou změnu DNA v chloroplastu. Fotosyntéza a biogeneze chloroplastu tedy zůstávají jedním z nejstudovanějších témat na tomto modelu a není pochyb, že se Chlamydomonas ještě ukáže v mnoha směrech užitečnou.

Je libo studovat lidské nemoci? Chlamydomonas je…

Polycystická choroba ledvin, vodnatelnost mozku (hydrocefalus), obrácená poloha útrob (situs inversus), jeden z typů epilepsie, degenerace sítnice a slepota – to je zdánlivě nesourodý soubor nemocí, mají však jedno společné: jejich příčinou je nějaká porucha v bičíkovém aparátu lidských buněk, a proto jsou označovány také jako ciliopatie (lat. cilium – brva, řasa). Může se to zdát překvapivé. To, že bičík mají lidské spermie, ví asi každý, ale buňky ledvin či nervové buňky? Savčí buňky, včetně lidských, mají buď pohyblivý bičík, jako třeba právě spermie, nebo bičík nepohyblivý, takzvaný primární, a senzorické bičíky, třeba právě světelných receptorů. Všechny typy bičíků mají identickou či velmi podobnou základní strukturu, jsou podobně sestavovány a podobně i fungují. To všechno navíc platí i pro bičíky řasy Chlamydomonas. Proto je řasa Chlamydomonas ideálním modelem pro studium všech chorob, o kterých je známo, že jsou způsobeny poruchou ve funkci bičíku. Kromě toho řasa Chlamydomonas pomáhá odhalit, že „chyba je v bičíku“, i u těch chorob, o jejichž příčině nic nevíme.

Polycystická choroba ledvin je nejběžnější dědičná choroba ohrožující život lidí. Vyskytuje se s frekvencí jeden ze 400 až 1000 obyvatel, na celém světě postihuje 12,5 milionu lidí. Nemoc je důsledkem zvýšeného dělení epiteliálních buněk ledvin, které vede k tvorbě cyst, a následně k výraznému zvětšení ledvin. Díky základnímu výzkumu bičíkového aparátu na řase Chlamydomonas bylo zjištěno, že jeden z proteinů, který je součástí bičíku, odpovídá proteinu, jehož mutace vyvolává na myším modelu polycystickou chorobu ledvin. Později bylo prokázáno, že zatímco zdravé ledvinové buňky bičík mají, ty postižené polycystickou chorobou ledvin nejsou schopny ho vytvořit. Bičík u těchto buněk slouží jako senzor, který přenáší signál do vlastní buňky. Pokud chybí, rozvine se polycystická choroba ledvin. Výzkum na řase Chlamydomonas vedl v tomto případě k odhalení příčiny vážné choroby.

Podobně byl výzkum na modelovém organismu nutný v případě choroby situs inversus, což je stav, kdy je převrácena normální levo-pravá symetrie vnitřních orgánů. Už v sedmdesátých letech 20. století se spekulovalo, že pohyb bičíku určuje směr, v němž budou vnitřní orgány během vývoje orientovány. Pokud je bičík nepohyblivý, nastupuje náhoda, a symetrie je tedy buď normální, nebo obrácená. Tato hypotéza mohla být prokázána až po dvaceti letech, a to jen díky základnímu výzkumu bičíkového aparátu u řasy Chlamydomonas.

Je libo studovat rakovinu trochu jinak?

Buněčný cyklus či poruchy v jeho regulaci, které způsobují rakovinu, jsou jedním z nejstudovanějších oborů moderní biologie. Regulace buněčného cyklu, tj. života buňky od jednoho dělení k druhému, je stejná nebo téměř stejná od kvasinek přes myš po člověka a také od řasy po člověka. Regulace buněčného cyklu u řasy Chlamydomonas je poměrně složitá a typicky rostlinná, i když oproti mnohobuněčným rostlinám má spoustu výhod. Regulace buněčného cyklu vyšších rostlin je totiž ještě o něco komplikovanější než u savců (a málo se toho o ní ví). Naproti tomu řasa Chlamydomonas je sice rostlina, ale v té nejjednodušší variantě. Kromě toho se pěstuje ještě snáze než jakkoli nenáročná rostlina a roste mnohem rychleji. Úplně nejlepší ale je, že se dá snadno synchronizovat. Pro studium buněčného cyklu je nezbytné získat buňky přibližně stejně staré, čím podobnější, tím lépe. K tomu právě slouží synchronizace. U vyšších organismů jsou k synchronizaci třeba různé chemikálie, naproti tomu kvasinky a řasy, jako je Chlamydomonas, se synchronizují ochotně téměř samy. Řasa Chlamydomonas se zpravidla synchronizuje střídáním světla a tmy, což odpovídá střídání dne a noci, na které je zvyklá z přírody. Tato synchronizace je nejen snadná, ale i velmi účinná (obr. 2), a právě ona činí řasu Chlamydomonas tak slibným modelem pro studium buněčného cyklu. Prvním významným přínosem studia buněčného cyklu u řasy Chlamydomonas byla izolace mutantu v proteinu příbuzném retinoblastomovému proteinu. Deregulace retinoblastomového proteinu, respektive dráhy, v níž působí, je jednou z nejčastějších příčin rakoviny. Tento protein a celá regulační dráha u kvasinek (oblíbeného modelu pro studium buněčného cyklu) chybí, a tak se doposud studovala pouze na složitějších modelech. Nyní je možné celou dráhu snadno studovat na jednoduchém jednobuněčném organismu a odhalit tak regulace a členy dráhy, které u složitějších organismů zatím unikaly.

Což takhle produkovat vodík?

Produkci vodíku zelenými řasami poprvé popsal před více než 65 lety Hans Gaffron. Později byla schopnost produkovat vodík prokázána jak u řasy Chlamydomonas reinhardtii, tak u dalších zelených řas. Vodík je u řasy Chlamydomonas reinhardtii (a zřejmě v řasách obecně) produkován v podstatě dvěma hlavními procesy: fotoprodukcí na světle a fermentací ve tmě. Fotoprodukce na světle využívá elektrony z fotosyntetického řetězce k redukci protonů na vodík. Fermentace ve tmě vychází z metabolismu škrobu a je zřejmě analogická produkci vodíku anaerobními bakteriemi. V obou případech je vodík produkován absolutně „čistě“, pro jeho produkci je použita energie slunečního záření a elektrony pocházejí původně z vody, vedlejším produktem je pouze vodní pára. Potenciálně jsou tedy řasy ideálním producentem vodíku. Vzhledem k tomu, že vodík produkovaný z řas zatím nepřehlcuje náš život, je zřejmé, že tato jeho produkce je něčím limitována. Základní omezení produkce vodíku v řasách je dáno tím, že vodík je produkován pouze za přísně anaerobních podmínek. Aktivita hydrogenázy (enzymu odpovědného za produkci vodíku) je v přítomnosti kyslíku nevratně potlačena už po několika minutách. Z hlediska buňky je to logické, protože v přítomnosti kyslíku je pro ni energeticky výhodnější použít jako konečného příjemce (neboli akceptoru) elektronů kyslík, proto je přenos elektronů na vodík zastaven. Za běžných podmínek se vodík v buňkách používá de facto jako záchranný akceptor elektronů. V případě, že spotřeba kyslíku dýcháním je vyšší než jeho produkce fotosyntézou a zároveň jsou fotosyntetickým řetězcem produkovány elektrony, které by mohly buňku poškodit, jsou tyto elektrony použity na redukci protonů a produkci vodíku. Aby mohla být produkce vodíku řasami použita průmyslově, je třeba buď připravit hydrogenázu, která bude méně citlivá k přítomnosti kyslíku, nebo snížit produkci kyslíku fotosyntézou tak, aby mohl být snadno a úplně odstraněn dýcháním. Zdá se, že vyřešení těchto problémů je jen otázkou času a produkce „čisté“ energie hudbou blízké budoucnosti.

Žádná chiméra, ale perfektně přizpůsobený organismus

Chiméra byla v řecké mytologii nestvůra, která měla zpředu podobu lva, uprostřed divoké kozy a zezadu draka. Jejím úkolem bylo střežit vchod do podsvětí. Chlamydomonas je naproti tomu poměrně elegantní a velmi užitečná zelená řasa. Nicméně i ona je tak trochu chimérou. Ví se to o ní vlastně už nějakou dobu, vždyť jen málokterá běžná rostlinná buňka má zároveň bičík a fotosyntetizující chloroplast. Je snad řasa Chlamydomonas chimérou mezi rostlinnou a živočišnou říší? Zdá se, že ano, což bylo také potvrzeno analýzou jejích genů poté, co byl osekvencován její genom. Analýza genů ale odhalila i něco, co už není tak zřejmé na první pohled. Řasa Chlamydomonas je totiž také tak trochu bakterie, protože její enzymy produkující vodík jsou nejblíže těm bakteriálním. Ale upřímně, Chlamydomonas není žádná chiméra, žádný „rostlinoživočich“, je to prostě jednobuněčný organismus, který je perfektně přizpůsoben svému životnímu prostředí, a protože to se pořád mění, musí mít bohatý repertoár vlastností, které mu umožní přežít a nám umožní leccos se naučit při studiu jednoho snadno přístupného a půvabného organismu.