Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Syntetická biologie

Kam kráčíš, syntetická biologie?
 |  12. 7. 2012
 |  Vesmír 91, 390, 2012/7

Termín „syntetická biologie“ zní našim uším podobně jako slovní spojení „zborcené harfy tón“ z Máchova Máje. V případě „syntetické biologie“ však nejde o protimluv čili oxymóron, ale o pojmenování nového vědního oboru. Pro ten se užívají i jiná označení, např. biologické inženýrství, konstrukční biologie, přírodní inženýrství, cílená biologie nebo syntetická genomika. Termín syntetická biologie má víc než stoletou tradici a zřejmě převládne. Evidentně to není šťastná volba, protože slovo „syntetický“ vnímá veřejnost spíše negativně. V souvislosti se syntetickou biologií se tak mohou laikům vybavit nejrůznější monstra – od vražedných mikrobů až po obří predátory – vypouštěná do světa šílenými vědci.

Co opravdu dělá syntetická biologie? K čemu se chystá? Jaká rizika nám v souvislosti s tím hrozí? A jak jim můžeme zabránit?

Syntetická biologie se představuje

Existuje zástup definic syntetické biologie – od bonmotů po vyčerpávající traktáty. Experti britské Královské společnosti se shodli na tom, že „syntetická biologie představuje novou oblast výzkumu, již lze zhruba popsat jako navrhování a výrobu nových umělých biologických procesů, organismů nebo nástrojů nebo jako cílenou přeměnu již existujících biologických systémů“. Jde tu tedy buď o vytvoření něčeho zcela nového, co je silně inspirováno pozemskými formami života a procesy, jež v nich probíhají, nebo o zásadní přeměnu pozemských forem života a procesů v nich probíhajících. Vzniká buď něco, co tu ještě nebylo, nebo něco, co tu bylo, ale proměnili jsme to k nepoznání.

Syntetická biologie je v mnoha ohledech novátorská, ale na druhé straně vychází ze zavedených oborů molekulární biologie, molekulární genetiky, genového inženýrství, informatiky a mnoha dalších. Postupuje v zásadě dvěma směry. Ten první směřuje „shora dolů“ a vědci se tak například snaží zjednodušit stávající komplikované biologické systémy a změnit tím jejich chování na předvídatelnější a lépe ovladatelné. Příkladem je honba za tzv. minimálním genomem – tedy nejmenší sadou genů, která ještě zajistí všechny nutné životní funkce buňky.

Někteří mikrobi vystačí s překvapivě malou sadou genů, a přesto s jejich pomocí uspokojí všechny své potřeby. V genomu Mycoplasma genitalium bylo odhaleno pouhých 470 genů kódujících bílkoviny. Je zřejmé, že minimální genom už nemůže být o mnoho menší. Tým vedený americkým genetikem Craigem Venterem došel k závěru, že se genom mykoplazmy dá zredukovat ještě asi o pětinu – na 368 genů. Pokud bychom získali bakterii s takovým „minimálním genomem“, mohli bychom ji použít jako „šasi“ a montovat do ní nejrůznější soubory genů pro splnění přesně vybraných úloh.

Zatím jsme si takové mikroorganismy pořizovali částečnou úpravou běžných přírodních mikrobů. Lidský inzulin můžeme nechat podle podstrčené instrukce příslušného lidského genu vyrobit třeba bakterii. To je postup běžný v genovém inženýrství. Komplexy genů namontované na „šasi“ minimálního genomu by měly vytvořit organismus kvalitativně odlišný od stávajících forem života. Něco, co příroda nikdy nevytvořila a bez nás by to nejspíš ani nikdy nevzniklo.

Přístupem „zdola nahoru“ postupují syntetičtí biologové, kteří se snaží z jednotlivých „součástek“ vybudovat v laboratoři složitější funkční celky, například umělou buňku. Ta nemusí nutně kopírovat evolucí ověřené principy. Její dědičná informace nemusí mít podobu nukleové kyseliny, nýbrž její synteticky připravené náhražky. Syntetická buňka by však měla i s těmito umělými pomůckami zvládat základní životní procesy – množit se, získávat energii z okolí a vyvíjet se v reakci na změnu vnějších podmínek.

Vstříc světlým zítřkům

Už dnes směřují do výzkumu v oborech, které lze považovat za součást syntetické biologie, značné finance. Ve hře je skutečně mnoho. A nejen v penězích. Mnohé vize jsou zatím jako vystřižené ze špatné sci-fi, ale jiné vypadají už dnes celkem reálně. Jeden ze „zlatých grálů“ syntetické biologie představuje levná výroba ekologicky čisté energie např. rozkladem vody na kyslík a vodík.

Mnohé léky jsou přírodní látky se strukturou tak komplikovanou, že je nedokážeme syntetizovat. Jsme pak odkázáni na přírodní zdroje, což limituje přístup k lékům. Nové syntetické mikroorganismy by mohly být vybaveny geny uspořádanými do výrobní linky na komplikovanou molekulu léku. Syntetické bakterie by ji produkovaly rychle, kvalitně a levně. Ve své produkci se nemusí syntetické organismy omezovat jen na kopírování přírody. Mohou vytvářet molekuly zcela nových koncepcí, například bílkoviny využívající exotické aminokyseliny. Stejně tak by mohly syntetizovat některé látky bez nežádoucích toxických vedlejších produktů nebo bez použití chemikálií ohrožujících životní prostředí.

Tam, kde se nám už podařilo životní prostředí zaneřádit, by nám produkty syntetické biologie pomohly s jeho očistou. Syntetičtí mikrobi by se namnožili ve znečištěné půdě nebo vodě, rozložili by toxické látky na neškodné produkty a po skončení úkolu by spořádaně spáchali masovou sebevraždu. Syntetický mouřenín posloužil a může jít.

Další produkty syntetické biologie najdou uplatnění v medicíně. Už dnes se rýsují možnosti vytvořit bakterii, která by cíleně vraždila rakovinné buňky a přitom si nevšímala buněk zdravých. Boj s choroboplodnými bakteriemi často vázne na tom, že mikrobi vyloučí kolem sebe velké množství organických molekul a vytvoří tak neprostupný val, tzv. biofilm. Přes jeho slizkou masu k bakteriím neproniknou ani protilátky, ani buňky imunitního systému, ani antibiotika. Metodami syntetické biologie zkoušejí vědci vytvořit virové zabijáky bakterií, tzv. bakteriofágy, kteří se biofilmem prokoušou díky arzenálu syntetických enzymů. Takoví bakteriofágové napadnou dostupné bakterie, namnoží se v nich a zároveň je donutí vyrobit enzymy potřebné k bourání biofilmu. Když pak bakterii zabijí, vylijí se enzymy ven a rozkládají okolní organické molekuly. Tím si uvolní z biofilmu nové bakterie a proniknou do jejich nitra. V pokusech dokážou i jednoduché verze takových bakteriofágů zničit 99,997 % bakterií schovaných v bezpečí biofilmu.

Mrazivé vize

Někteří odborníci nevidí budoucnost syntetické biologie tak růžově. Za jednu z největších hrozeb spojených se syntetickou biologií považují bioterorismus. Připomínají například, že mezi prvními viry, jež byly vyrobeny pomocí genomu syntetizovaného v laboratoři, byl virus obrny. V laboratořích byl například „oživen“ virus smutně proslulé španělské chřipky. Tyto mikroorganismy jsou s to vyvolat onemocnění u člověka, a dokonce způsobit epidemii. V současnosti probíhají podobné pokusy ve vysoce zabezpečených laboratořích a okruh odborníků, kteří je dokážou provést, je zatím celkem omezený. Lidí s příslušnou kvalifikací však bude neustále přibývat. Stejně tak bude přibývat i zabezpečených laboratoří. Nebude jednoduché uhlídat, co všechno se v nich odehrává. Hrozí fatální chyba, nebo dokonce vědomé zneužití.

Samostatnou kapitolu v diskusích o bezpečnosti syntetické biologie představuje „výroba součástek“. Už dnes dodávají komerční firmy na zakázku vytvořené dlouhé úseky dědičné informace. Teoreticky je možné, aby si někdo u několika různých firem objednal jednotlivé „součástky“ pro vytvoření zabijáckého viru a pak si je ve své laboratoři „smontoval“ dohromady.

Otázka, zda takový typ výzkumu povolit, není zdaleka aktuální jen v souvislosti se syntetickou biologií. Nedávno se například ve dvou extrémně zabezpečených laboratořích podařilo získat „klasickými“ metodami virus „ptačí chřipky“ H5N1, který je zřejmě schopen po úniku z laboratoře vyvolat celosvětovou chřipkovou pandemii. Následky by mohly být horší než při španělské chřipce z let 1918 až 1919, kdy zemřelo 40 milionů lidí. Mezi vědci, zodpovědnými úřady a vydavateli prestižních vědeckých časopisů propukl spor o to, zda je možné výsledky takového výzkumu kompletně publikovat. Na jedné straně je jasné, že výsledky najdou uplatnění při dalším výzkumu, při vývoji vakcín nebo při kontrole virů kolujících v chovech drůbeže a mezi volně žijícími opeřenci. Na druhé straně nelze úplně vyloučit, že se tyto informace někdo pokusí zneužít k výrobě biologické zbraně hromadného ničení. Nemusel by si takový virus vyrábět „na koleně“. Mohl by si na základě publikovaných informací objednat jeho „součástky“ a z nich si virus „smontovat“.

Společností, které takové „součástky“ umějí vyrobit, není mnoho. Většinou samy a dobrovolně kontrolují objednávky svých zákazníků a pátrají po rizikových zakázkách. Pokud narazí na podezřelé zadání, pak zakázku nevyřídí, ale naopak informují příslušné bezpečnostní složky.

Škarohlídi namítají, že podobná kontrola bude stále komplikovanější, protože firem vyrábějících „součástky“ pro syntetickou biologii rychle přibývá a přibývá i lidí a laboratoří, které v tomto oboru působí nebo s ním aspoň koketují. Dnes už fungují například ve Spojených státech soukromě provozované laboratoře s poměrně dobrým vybavením, které jsou určeny lidem, kteří se tímto oborem zabývají amatérsky a pro zábavu. Jsou součástí sílícího hnutí „do-it-yourself biology“ (DIY1) biology). Někteří účastníci tohoto hnutí se hlásí k myšlenkám počítačového pirátství a označují sami sebe jako „biohackery“.

Mnozí přirovnávají laboratoře DIY biologie ke „garážovým firmám“ z počátku boomu informačních technologií a představují si, že právě tam odstartuje nový boom založený na syntetické biologii. Zatím je to jen vize. Dnes nedokážou DIY biologové vytvořit v amatérských podmínkách nic, co by znamenalo významnější přínos pro rozvoj syntetické biologie. Zároveň nepředstavují ani významnější riziko pro přírodu nebo člověka. Nehrozí, že by vyrobili pro bioteroristy biologickou zbraň hromadného ničení. Na to nemají dost peněz, dost dobré vybavení a v drtivé většině to ani není jejich cíl. DIY biologie je pro ně jen hobby.

Boj o syntetickou biologii

Pokud se syntetická biologie vymkne kontrole, můžou vzniknout nemalé škody. V tom se tento obor neliší od jiných vědních disciplín a technologií. Mikroorganismus vytvořený syntetickou biologií může vyčistit pobřeží od následků havárie ropného tankeru. Zároveň je namístě se ptát, nakolik se jeho přítomnost v životním prostředí projeví na přírodě. Jaká je pravděpodobnost, že po skončení úklidu nespáchá naprogramovanou sebevraždu, přežije a bude v přírodě působit i nadále v rozporu s našimi původními záměry.

V podobných situacích je namístě poměřit zisky a rizika. Co získáme, když syntetický organismus vyčistí pobřeží? Co riskujeme, když se nám pak vymkne kontrole? Při hodnocení rizik je zapotřebí brát v úvahu nejen dimenze možných následků, ale také pravděpodobnost, s jakou tyto následky hrozí. Velmi malá, byť velmi závažná rizika podstupujeme dnes a denně. Na českých silnicích zahynulo za rok 2011 více než 700 lidí. Tváří v tvář riziku, že budeme jednou z obětí, však nadále využíváme přínosů silniční dopravy.

Není pochyb o tom, že aktivity na poli syntetické biologie budou podléhat určité regulaci. Ostatně i dnes mají aktéři na tomto poli vymezené určité mantinely. Svět se však začíná vážně zabývat otázkou, zda jsou tyto mantinely nastavené správně. Na konci roku 2010 rozhodla Komise pro studium bioetických otázek jmenovaná americkým prezidentem Barackem Obamou o tom, že na území Spojených států není nutné přijímat v souvislosti s rozvojem syntetické biologie nová legislativní opatření. Stávající normy regulující podmínky výzkumu vytvářejí dostatečné záruky pro bezpečnost práce na poli syntetické biologie. Vědci sami si rizika spojená se syntetickou biologií dobře uvědomují.

Nedávno vyšel v časopise Nature otevřený dopis [1], v němž čtveřice vědců vymezila čtyři základní oblasti výzkumu, které je nutné rozvíjet k tomu, abychom vypuštěním syntetického organismu mimo uzavřené laboratoře nenapáchali nevratné škody. Přimlouvají se za podporu výzkumu vlastností nově vytvářených organismů a jejich působení na přírodu. Upozorňují na důležitost znalostí o šíření umělých genů přírodou. Zároveň zdůrazňují, že je zapotřebí sledovat i dlouhodobé vlivy syntetických organismů.

Prakticky současně vystoupilo v USA celkem 111 organizací s požadavkem, aby na syntetickou biologii bylo uvaleno moratorium, protože se rozvíjí živelně, bez kontroly a nelze garantovat, že nevyvolá závažné škody. Odpůrci syntetické biologie volají po nové, výrazně tvrdší legislativě. Zástupci amerického biotechnologického průmyslu namítají, že syntetická biologie není bezprizorná a dobře v ní funguje celá řada bezpečnostních a kontrolních mechanismů. Nebrání se změnám legislativy, ale odmítají drakonická omezení.

V současnosti jde o to, aby se syntetická biologie mohla rozvíjet, nebyla zbytečně omezována a naplňovala své nemalé přísliby. Na druhé straně je zjevně zapotřebí pravidel, která by zabránila možnému zneužití syntetické biologie. Jediným rozumným a správným řešením je kompromis zajišťující na jedné straně bezpečnost a na druhé rozvoj. Dosáhnout jej nebude jednoduché. Smutné zkušenosti v tomto ohledu učinila atomová energetika nebo genové inženýrství, kde zastánci a odpůrci už jen těžko hledají společnou řeč. Syntetická biologie a mnohé další slibně se rozvíjející vědní obory, např. nanotechnologie, do této pasti zatím nespadly a je pro ně životně důležité, aby se jí vyhnuly. „Dialog hluchých“, jehož jsme svědky v diskusích o genovém inženýrství nebo atomové energetice, kdy si zastánci i odpůrci vedou svou a protistraně už vůbec nenaslouchají, k řešení problémů nevede.

Literatura

[1] Dana G. V. et al.: Four steps to avoid syntheticbiology disaster. Nature 483, 29, 2012.

[2] Nandagopal N., Elowitz M. B.: Synthetic biology: Integrated gene circuits. Science 333, 1244– 1248, 2011.

[3] Ruder W. C. et al.: Synthetic biology moving into the clinic. Science 333, 1248–1252, 2011.

[4] Schmidt M.: Diffusion of synthetic biology: challenge of biosafety. Syst. Synth. Biol. 2, 1–6, 2008.

Poznámky

1) Do it yourself – udělej si sám.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Molekulární biologie
RUBRIKA: Glosy

O autorovi

Jaroslav Petr

Prof. Ing. Jaroslav Petr, DrSc., (*1958) vystudoval Vysokou školu zemědělskou v Praze. Ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Uhříněvsi se zabývá regulací zrání savčích oocytů a přednáší na České zemědělské univerzitě v Praze. Je členem redakční rady Vesmíru.
Petr Jaroslav

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné