O restriktázách a rozmanitosti

1991: Letos uplynulo už dvacet let od izolace první restrikční endonukleázy – enzymu, který dovede najít zcela určité seskupení (sekvenci) zpravidla 4–6 nukleotidů v molekule DNA a tuto molekulu pak reprodukovatelným způsobem rozštěpit. Nyní si již molekulární genetiku bez restriktáz neumíme představit a o jejich všeobecně přijímané důležitosti svědčí i Nobelova cena, o kterou se r. 1978 podělili jejich objevitelé Werner Arber, Hamilton Smith a Daniel Nathans. Zejména díky praktické upotřebitelnosti restrikčních endonukleáz v genovém inženýrství dnes naše znalosti o těchto enzymech výrazně vzrostly […].

Víme, k čemu jsou restriktázy dobré nám; můžeme se však jen domýšlet, k čemu mohou být dobré bakteriím, v nichž byly nalezeny a ze kterých se nyní ve velkém na  prodej izolují v laboratořích mnoha světových firem.

Všeobecně se má za to, že restriktázy (přesněji: restrikční a modifikační systémy) baktérii aspoň částečně zaručují nedotknutelnost její genetické informace informací cizí, například virovou. Každá molekula DNA v bakteriální buňce je zřejmě restrikčním a modifikačním aparátem průběžně kontrolována. Oblasti bakteriální DNA, které vlastní restriktáza buňky rozpoznává jako svá cílová místa, bývají methylovány, což je chrání před rozštěpením. Cizí, nemodifikovaná DNA obyčejně neunikne svému osudu a skončí rozstříhána restriktázou na kousky, pokud se ovšem nestačila včas nechat „omylem“ methylovat. Restrikční a modifikační aparát je tedy systémem, kterým bakterie po genetické stránce vymezuje sebe samu vůči okolí, podstatnou a určující součástí její „molekulární osobnosti“.

Je-li organismus určen souborem svých makromolekul, jak tvrdí jeden z axiómů molekulární logiky všeobecně přijímané molekulárněbiologickým světem, je soubor buněčných makromolekul určen obsahem sekvencí buněčné DNA a obsah sekvencí DNA bakterie vymezen tím, čemu restriktázy dovolí setrvávat v buňce, měly by se restrikčně modifikační systémy v evoluci chovat vzhledem k tak důležité funkci patřičně důstojně. Náš zákonitě antropomorfizující pohled svádí k očekávání, že restrikční a modifikační aparát zachovává cosi jako věrnost svému nositeli — že evoluční dráha restriktázové specifity bude sledovat dráhu vývoje příslušné bakterie.

Skutečnost je však složitější. Ukázalo se totiž, že to, co je pro restrikční endonukleázu podstatné, „specifické“, není zřejmě její specifita ve smyslu rozpoznávaného seskupení nukleotidů, nýbrž spíše jen sama její schopnost fungovat jakožto restriktáza — kontrolovat molekuly DNA a ničit je, pokud neodpovídají určitým požadavkům. Na samotné povaze požadavků přitom moc nezáleží. […]

Evoluční vymezení možných restriktázových specifit se patrně řídí zásadou „dovoleno je to, co není zakázáno“ a množství dovolených možností je až udivující. Navíc se geny pro restrikčně modifikační aparát běžně nacházejí na plazmidech, tedy nikoli nezbytné části bakteriální genetické výbavy, a případně bývají i s plazmidem přenášeny z buňky do buňky — to všechno, aniž by E. coli přestala být E. coli. Náhle jako by se zdála méně svůdnou ona snadno se vnucující představa, že buňka je něčím, co si její genom vydržuje, aby se měl kde replikovat. Nebo snad: jako bychom si jasněji uvědomili, že tato představa je stejně jako jakákoli jiná jen zjednodušujícím a zdaleka ne vše vysvětlujícím obrazem skutečnosti, pestřejší a mnohotvárnější než všechny popisy, do kterých se snažíme vtěsnat svět.

Fatima Cvrčková

Vesmír 70, 84, 1991/2

2021: Můj příspěvek s titulem „O restriktázách a rozmanitosti“ byl jedním z prvních textů, které mi Vesmír otiskl. Byl o tématu, které mne tehdy nadchlo a uchvátilo tak jako čtenáře dnes uchvátí náhodně zahlédnutý titulek na webu, který vede k pár večerům vyhledávání a dalšího čtení. Obvykle se ale brzy na titulce oblíbeného webu (nebo v následujícím čísle Nature či Science) objeví jiný titulek, který ten předchozí vytlačí. Život jde dál, proud vědeckých novinek plyne, některé do učebnic, jiné k zapomnění. Tematika restrikčních endonukleáz patří k těm učebnicovým – což s sebou nese nezbytné očištění od odboček a marginálií, a to může být i škoda. Využívám tedy téměř kulatého výročí, abych vytáhla na  světlo dvě příběhové kudrlinky.

Příběh první: osobní

Začátkem roku 1991 jsem se jako nově přijatá doktorandka usazovala v Ústavu molekulární patologie ve Vídni. S odstupem mohu přiznat, že většina mého úsilí v prvních týdnech nebyla věnována experimentům, ba ani náruživému studiu literatury v tamní mimořádně dobře vybavené knihovně, která byla otevřená 24 hodin denně (pro ty mladší: bylo to v době předinternetové, první webový prohlížeč jménem NCSA Mosaic spatřil světlo světa v roce 1993). Většinu energie mne totiž stála nutnost komunikovat anglicky a německy, přitom jsem (hlavně v němčině) dost zápolila s porozuměním mluvenému slovu. Naštěstí moji kolegové, původem ze všemožných koutů světa od Rádžastánu po Brazílii, na tom byli často nejinak – a vědecká angličtina se má ke „Queen’s English“ podobně, jako se asi měla středověká mastičkářská latina k řeči Ciceronově. Můj šéf Kim Nasmyth, rodilý mluvčí vzdělaný v Etonu, našimi jazykovými projevy musel trpět, ale hlavně že jsme se domluvili.

Diskuse na nejen odborná témata kvetly navzdory jazykové bariéře, především v kantýně u odpolední kávy. Občas se jich velice živě účastnil robustní, bělovlasý pán s výslovností pro změnu americkou, o němž mi někdo řekl, že je to pan profesor Smith a že je v ústavu na sabatikalu. Jméno je to časté, takže mne nic netrklo. To až poté, co na pravidelném pondělním semináři přednesl fascinující přednášku o bakteriálních restrikčně modifikačních systémech, po níž jsem se snad ještě téhož večera vypravila do knihovny a možná už o nejbližším víkendu sepsala text pro Vesmír – až tehdy mi došlo, že je to právě ten Smith…

Příběh druhý: dějinný

Hamilton O. Smith byl na počátku devadesátých let řádným profesorem na Univerzitě Johnse Hopkinse v Baltimoru, kde působil už přes 20 let. Na konci šedesátých let se tam zapojil do výzkumu jevu, o němž se již nějakou dobu vědělo – takzvané „restrikce“: procesu, kterým se bakterie často dovedou ubránit infekci bakteriofágem, který se pomnožil na nepříbuzném bakteriálním kmenu – na fága od  příbuzných (sesterských) bakterií ale tahle finta nepomáhá. DNA cizího fága nenese patřičnou ochrannou metylaci, a proto ji hostitelská restriktáza rozštěpí na kousky, kdežto fág ze sesterských bakterií už byl přijat za vlastního a je metylací chráněn, takže se může dále nerušeně šířit.

Smithovi a jeho spolupracovníkům se společně s Danielem Nathansem v sérii pokusů, navazujících na starší výsledky z laboratoře Wernera Arbera, podařilo izolovat restrikční nukleázu z bakterie Haemophilus influenzae a příslušnou metylázu, tedy enzym, který zajišťuje molekulám DNA imunitu před štěpením. I když nešlo o první objev restriktázy (dodatečně se omlouvám za 30 let starou nepřesnost), byla to první restriktáza II. typu – tedy taková, která rozpoznává symetrickou sekvenci DNA a štěpí přímo uvnitř této sekvence, což je důležité pro využití k spojování fragmentů DNA při molekulárním klonování. Proto byla Nobelova cena r. 1978 víc než zasloužená. Co ale následovalo?

Hamilton Smith víc než další desetiletí působil na  téže univerzitě a zabýval se výzkumem restrikčních endonukleáz. V polovině devadesátých let se publikačně na několik let odmlčel; na prahu věku, který jsme si zvykli nazývat důchodovým, se to ostatně dalo čekat. V roce 1995 ale vydává dvě zásadní publikace v časopise Science; jedna z nich představuje kompletní sekvenci genomu H. influenzae. Vedoucím autorem obou je J. Craig Venter, nepřehlédnutelná osobnost americké genomiky, šéf soukromého výzkumného ústavu jménem The Institute of Genome Research (TIGR). O tři roky později Hamilton O. Smith po 30 letech opouští univerzitu – a stává se ředitelem dceřiné společnosti TIGR. Podílí se na  mnoha publikovaných genomových sekvencích, ale jeho hlavním tématem je syntetická biologie – pokusy o konstrukci mikroorganismů, v nichž byly velké části genomu, nebo dokonce celý genom, nahrazeny umělými konstrukty. Utopie, které bychom se měli bát? Ne, jen elegantní způsob, jak otestovat, zda opravdu víme, co je pro fungování genomu, popřípadě buňky nezbytné. Pokud mikrob přežije, zabudovali jsme mu do genomu vše, co je třeba.

Nejnovější odborná publikace, pod níž je Hamilton O. Smith podepsán, pochází ze září 2020. Z roku 2019 má publikace hned čtyři – všechny o různých aspektech fungování teoretické minimální buňky. Od udělení Nobelovy ceny, která by mohla být vnímána jako práh, za nímž začíná psaní učebnic a pamětí, uplynulo víc než 40 let.

Co ještě dodat? Snad jen to, že pořád ještě platí, že i zhruba 30 let poté, co jsem onen dávný text pro Vesmír psala, 50 let po objevu restrikčních endonukleáz, a navíc v roce 90. narozenin Hamiltona O. Smithe (*23. 8. 1931) je skutečnost pestřejší a mnohotvárnější než všechny popisy, do kterých se snažíme vtěsnat svět.

Fatima Cvrčková, PřF UK, 10. 10. 2021