Geny a moře

Kontroverzní badatel

Firma Celera se netajila snahou přečíst lidský genom sama, bez spolupráce s univerzitami a vědeckými ústavy, které se projektu čtení lidského genomu věnovaly od roku 1985. Používala při tom metodiku sekvencování náhodně vybraných fragmentů lidské DNA s následným sestavením do delších celků pomocí bioinformatické analýzy. V laboratořích firmy Celera běžely nepřetržitě stovky sekvenátorů, pracovaly špičkové týmy programátorů. Akademická obec naproti tomu používala tradiční postup – rozdělila lidský genom do mnoha kratších úseků, ¹⁾ které sekvencovaly jednotlivé členské instituce mezinárodního konsorcia. Tento přístup byl mnohem náročnější na laboratorní, „mokrou“ část projektu. Opakované klonování menších a menších částí genomu bylo pracné a drahé. Vedlo však k spolehlivému stanovení pořadí jednotlivých úseků, umožnilo přesnou lokalizaci oblastí repetitivní DNA. Univerzitní a ve řejné výzkumné laboratoře také své výsledky průběžně publikovaly, firma Celera se mohla opřít o údaje z veřejných databázi ²⁾ při zpracovávaní sekvenčních dat. Akademická obec proto obviňovala Craiga Ventera, že využívá veřejně dostupné informace, a přitom svá data tají. Vzájemná nevraživost mezi Craigem Venterem a konsorciem narůstala a bylo zapotřebí diplomatického úsilí nejvyšších míst, aby obě skupiny zveřejnily úplnou sekvenci lidského genomu společně.

Dobrodružství na moři

Craig Venter si vysloužil označení kontroverzní vědec a nechuť akademické obce. S odstupem osmi let je však zřejmé, že jeho přístup k sekvencování genomu inspiroval vědeckou komunitu. Během posledních let se objevily nové, vysoce výkonné metody paralelního sekvencování. Byl opuštěn tradiční Sangerův postup náhodné terminace při polymeraci DNA, který vyžaduje následné rozdělení produktů sekvenační reakce elektroforézou. Počet sekvencí, jež běžný sekvenátor současně přečte, je omezen počtem kapilár, v nichž probíhá elektroforetické dělení. Bývá to osm, šestnáct i více kapilár, ale nikdy ne tisíce. Naproti tomu nové metody stanoví příslušnou bázi v okamžiku, kdy ji rozpozná DNA polymeráza a přiřadí k ní bázi komplementární. Přístroj dokáže přečíst statisíce, ale i miliony DNA fragmentů současně. Jednotlivé sekvence jsou však poměrně krátké. Uspořádání úseků do delších řetězců se děje pomocí počítačových programů. Těžiště práce se přesouvá od klonování a jiné zdlouhavé a drahé laboratorní manipulace k počítačovému zpracování. Prosazuje se tedy postup, jehož průkopníkem byl Craig Venter. Technický pokrok postupuje velmi rychle. Nejnovější sekvenační zařízení využívají nanotechnologií a zcela opouštějí polymeraci DNA. Čtou přímo sekvenci vlákna DNA, které je protahováno nepatrným kanálkem a při tom je rozpoznána příslušná báze.

Dynamický vývoj sekvenačních technologií je nejlépe ilustrován klesajícími časovými i finančními nároky na přečtení lidského genomu. V roce 1985 se hovořilo o velikášském projektu, který spolkne miliardy dolarů a omezí podporu jiných směrů výzkumu. Firma Celera potřebovala k sekvencování lidského genomu dva roky a desítky milionů dolarů. Před třemi lety dostal James Watson, jeden z legendární dvojice, která v roce 1953 stanovila strukturu DNA, neobvyklý dárek ke kulatinám. Za milion dolarů byl osekvencován jeho vlastní genom. V současné době již značně pokročily snahy o „1K“ genom, tedy o přečtení kteréhokoliv konkrétního lidského genomu za jeden den a jeden tisíc dolarů.

Vraťme se však ke Craigu Venterovi. Značnou část vydělaných peněz vložil do vlastního vědeckého ústavu ³⁾ ve státě Maryland. Vývoj moderních sekvenačních technik přenechal jiným firmám, zakoupil námořní loď a vydal se za dobrodružstvím na vlny světových oceánů. Odebírá vzorky mořské vody, filtruje ji, extrahuje DNA a sekvencuje. Stovky přístrojů v jeho laboratořích nezahálejí. Ve dne v noci chrlí sekvence genů získaných z mořské vody. Z velké části jde o DNA mikroorganismů, které nebyly kultivovány a vědě dosud nejsou známy. Informace o nových enzymech, nových formách životně důležitých genů jsou velmi dobře využitelné při genetických modifikacích. Funkční gen kteréhokoliv žijícího organismu totiž představuje vítěze evolučního klání, jenž osvědčil svou způsobilost pohlcovat světlo, transportovat vápník či dělat cokoliv jiného užitečného. Pomocí počítačových programů můžeme navrhnout zcela nové geny a enzymy, nikdy však nevíme, jak budou fungovat v živé buňce a v konkrétním společenstvu. Geny vylovené z hlubin oceánů jsou prověřeny časem podobně jako prababiččin recept na vanilkové rohlíčky.

Co nejúplnější poznatky o struktuře rozmanitých genů a enzymů jsou nutné pro konstrukci syntetických genomů. Pouhá výměna či přidání jednoho nebo několika málo genů totiž někdy nestačí k přípravě průmyslově využitelného bakteriálního kmene. Nový enzym například nemá dostatek substrátu a produkce žádaného metabolitu je nízká, nebo vnitrobuněčné pH není pro vnesený enzym optimální. Mohou také „překážet“ jiné metabolické pochody buňky, bez nichž se průmyslový bakteriální kmen dobře obejde. Proto několik předních světových pracovišť, včetně Venterova ústavu, usiluje o syntézu celého genomu a jeho vnesení do bakteriální buňky, z níž byl předtím její vlastní genom odstraněn. K navržení celého nového genomu však potřebujeme velmi důkladnou znalost funkce a vlastností mnoha genů a rovněž jejich interakcí. Moře je pokladnicí plnou neznámých genových variací, které vytvořila evoluce trvající miliardy let. Proto vyráží Venterova loď do Sargasového moře, k ústím velkých řek, do severní části Tichého oceánu i k mysu Dobré naděje. Tyto expedice přinášejí také mnoho nového z oblasti mořské ekologie.

Oceán, sinice a fágy

Loni v lednu se v elektronickém časopisu PLoS ONE objevil článek Venterova týmu zabývající se genetickou informací bakteriofágů ve světových oceánech. Bakteriofágy (zkráceně fágy) jsou viry, které napadají bakterie a sinice. Většinou napadené buňky ničí, mohou však také vestavět svou DNA do genomu hostitele. Replikují se pak společně s hostitelskou DNA, přecházejí do dceřiných genomů. Ve vhodné chvíli procitnou, osamostatní se a bouřlivě rozmnoží. Stovky fágových částic se z každé buňky uvolní do nekonečných prostor oceánu. Vzhledem k interakcím s genomem sinice či bakterie fungují fágy také jako přenašeče genů neboli vektory. Jedním z cílů výzkumu bylo proto analyzovat fágové geny hostitelského původu a získat přehled o jejich funkci a výskytu.

Venterova loď Sorcerer II vylovila vzorky z desítek míst světových moří. Jednotlivé lokality se lišily hloubkou, salinitou, teplotou i zeměpisnou polohou. Vědci se zaměřili na částice, které prošly filtrem 0,8 mikrometru, byly však zachyceny na filtru 0,1 mikrometru. Šlo o volné fágy, ale také sinice a bakterie. Větší eukaryotické buňky filtrem neprošly. Z tohoto materiálu byly získány sekvence milionů fragmentů DNA, z nichž asi 150 000 úseků kódovalo virové proteiny. Většina patřila bakteriofágům napadajícím sinice či bakterie, jen malá část virům eukaryotickým. K velkému překvapení badatelů obsahovala fágová DNA značný podíl genů pocházejících z hostitelů – převážně sinic. Šlo přitom o geny zásadního významu, jejichž produkty se účastní fotosyntézy, odpovědi na tepelný nebo osmotický stres či zásobování buněk fosforečnany. Tato poslední funkce je pro sinice klíčová. Protože jde o fotosyntetizující organismy, které dokážou vázat vzdušný dusík, představují právě fosforečnany živinu limitující jejich růst a rozvoj. Sinice s nimi šetrně hospodaří, vyvinuly například účinné vazebné proteiny. Jeden z nich je kódován genem pstS. Tento gen nalezla Venterova expedice ve fágových genomech vylovených v těch místech světových oceánů, kde mohou sinice strádat nedostatkem fosforu. Nalézal se ve vzorcích vody odebraných ve větších hloubkách daleko od pobřeží, daleko od řek přinášejících splachy fosforečnanů z pevniny.

Sinice může získat pstS či jakýkoli jiný gen po infekci bakteriofágem, kterou se jí podaří přežít. Fágy dokážou velmi přesně vyhodnotit životní situaci hostitele. Pokud se buňka jen tak tak tetelí, nedostatečné zdroje živin a energie nejsou zárukou úspěšného pomnožení fága. Ten se v takovém případě rozhodne uložit do genomu a vyčkat příhodnější chvíle. Aby skomírající buňku povzbudil, přinese s sebou nějaký výhodný gen, který ukořistil v předchozím hostiteli. Může to být třeba pstS, jenž buňce umožní získat více fosforu. Sinice ovšem znají způsoby jak fága ve svém genomu uspat na věky a ponechat si jen jeho prospěšné geny. Někomu se možná zdá takový výklad interakcí mezi fágem a buňkou nepravděpodobně složitý. Vždyť jde o jednoduché organismy, jejichž genetická informace čítá jen několik megabytů. Sinice a fágy však měly tři miliardy let na to, aby si své partnerské soužití vyjasnily. Není divu, že jim to klape.

Intimní život prokaryot

Pro prokaryotické buňky nejsou bakteriofágy jen nepřátelští paraziti, ale také důležití prostředníci při přenosu genetické informace. Bakterie a sinice se množí prostým dělením, neznají pohlavní rozmnožování spjaté s pravidelným mícháním genomů v každé generaci. Takový způsob života však přináší riziko, že se po mnoha generacích nahromadí škodlivé mutace. Další nevýhoda nepohlavního rozmnožování souvisí s adaptací. Pokud by byl přenos DNA odjinud zcela vyloučen, musela by se každá buněčná linie samostatně adaptovat na všechny změny prostředí. Že sousední sinice vynalezla skvělý zlepšovák pro vychytání fosforu? Pěkné, ale jak se k tomu genu dostat? S problémem přenosu genetické informace horizontálním směrem (tedy jinak než z mateřské do dceřiné buňky) se prokaryota setkala již na samém úsvitu své existence a vyřešila jej opravdu velkolepým způsobem. Prokaryotické buňky jsou schopny přijímat jakoukoliv DNA z vnějšího prostředí. Otevřou póry ve své membráně, protáhnou jimi vlákna DNA, která pak vloží do genomu pomocí homologní rekombinace, na základě podobností sekvencí. Takto jednají zejména, když jim teče do bot, snaží se získat DNA ber kde ber. I když se v krizové situaci osvědčí pouhý jeden gen z mnoha milionů přijatých, úspěšná linie záhy nahradí úbytek padlých družek. Pokud je vnější prostředí stabilně vlídné, je naopak vhodné přísun DNA z vnějšku omezit a zbytečně neriskovat. Buňka uzavře póry v membráně, a pokud do ní cizorodá DNA přece jen vnikne, rozštípe ji. Orientuje se podle metylačních značek, podobně jako vojáci rozpoznávají nepřátele podle uniforem.

Rozmanitost života a nukleotidových sekvencí je však nezměrná, a tak je výhodné přece jen dát přednost genům příbuzných organismů. Genetická informace pro tvorbu žraločích zubů či růstový hormon velryb asi nebude pro sinice to pravé (i když – kdo ví?). V takové situaci přicházejí na pomoc bakteriofágy. Zpravidla jsou specializovány na určitý druh bakterií či sinic, pokud ovšem lze o druhu jako takovém u prokaryot vůbec hovořit. Přenášejí genetickou informaci od příbuzného jedince, čitelnou a použitelnou v kontextu hostitelského genomu. Velké množství buněk je sice v průběhu infekce fágem zničeno, některé však čeká evoluční zisk v podobě nově získaného výhodného genu. Jak Venterovi molekulární mořeplavci potvrdili, mořská voda je plná bakteriofágů nesoucích životně důležité geny sinic. Jak často jsou tyto geny vnášeny zpět do hostitelů, do jaké míry ovlivňují jejich zdatnost a jak rychle se hostitelské geny uvnitř fágových genomů vyvíjejí, jsou otázky, které zodpoví až budoucí výzkum.

Přenos genů pomocí bakteriofágů má další nezanedbatelnou výhodu. Bílkovinný obal (kapsida) chrání DNA před degradací dlouhá desetiletí, možná i staletí. Volné fágové částice, vznášející se ve vodním sloupci bez známek života, tak představuji jakési konzervy. Uchovávají část genetické informace populací, které možná již zanikly. V příhodném okamžiku ji pak mohou předat živým buňkám. Takové kontinuity nejsou eukaryotické organismy se všemi složitostmi pohlavního rozmnožování – meiózou, rodozměnou, pavími péry, voňavými květy a rytířskými turnaji – nikdy schopny.

Sinice světových moří jsou geneticky propojené v čase a prostoru. Můžeme si je představit jako obří superorganismus rozprostřený od pólu k pólu. Právě sinice obohatily před více než miliardou let Zemi kyslíkem. Jejich reakce na změny složení atmosféry i teploty moří mohou být velmi rychlé – a překvapivé.

ZMÍNKY O CRAIGU VENTEROVI VE VESMÍRU:

• Jaroslav Petr: Patent na embryonální kmenové buňky zrušen, Vesmír 86, 344, 2007/6


• Michal Koblížek: Jak se loví geny v Sargasovém moři, Vesmír 85, 95, 2006/2


• Štefan Vilček: ambiciózne projekty Craiga Ventera, Vesmír 82, 72, 2003/2


• Fatima Cvrčková: konec genetiky?, Vesmír 79, 430, 2000/8


• Václav Pačes: Dědičné informace prvních buněk přečteny, Vesmír 75, 391, 1996/7