Na cestě od genetického inženýrství až ke stavebnici života

Naše dnešní znalost biologie nám poskytuje bohaté možnosti pro postupné pronikání do kódu života, a to způsobem velmi podobným tomu, jakým se hacker snaží rozluštit zákonitosti a klíčové body i zranitelnost kódu počítačového, jeho slabiny i silné stránky. Je to dobrodružná cesta.

Taková znalost biologických zákonitostí a s ní postupující technologická vyspělost vede k tomu, že se lidský druh začíná pomalu dostávat do role tvůrce života na základě jeho přímého programování a syntézy biologických součástek.

Jedná se o stvoření zásadně pozměněných nebo úplně nových forem života dle racionálního návrhu každého, kdo bude chtít takový živý objekt k obrazu svému vytvořit. Můžeme uvažovat o jakékoli úrovni – od malých molekul až po celé složité organismy. Je to cesta neomezená současnými pravidly. Zatím neznáme její mantinely a neznáme ani její cíl. Je to cesta syntetické biologie, ve zkratce SynBio. A nutno dodat, že se nám to nemusí líbit, ale je to cesta nevyhnutelná pro každého z nás a my se s ní budeme muset v budoucnu vyrovnat.

Rychlý vývoj vědeckého poznání v 21. století překonává všechny současné obavy veřejnosti pramenící z klonování jedinců a manipulací s existujícím kódem u geneticky modifikovaných organismů (GMO). Ano, mám na mysli oblast etickou a legislativní, kde se dnes v biologii nacházíme velmi daleko od nastavení konsensu. Ten nemůže být v současnosti plně přijatý a ani přijatelný, a to převážně v důsledku nevědomosti široké veřejnosti. Vezměme si příklad GMO jako základu cílených genetických manipulací, které jsou ve srovnání se SynBio podstatně menším důvodem ke znepokojení, a přesto stále plní novinové titulky a právní kanceláře. Na druhou stranu může být oblast SynBio paradoxně mnohem lépe řiditelná (viz níže).

Bude úkolem vědců neustále vysvětlovat rizika i výhody manipulací s biologickými systémy a vzdělávat přístupným způsobem všechny zúčastněné, zejména pak širokou veřejnost. Její vztah k SynBio bude určující pro budoucnost – tím mám na mysli, které výsledky SynBio budou široce akceptované pro nový směr rozvoje společnosti a kvality života obecně nebo pro citlivé ovlivnění přírody a racionální využití jejích informačních zdrojů. V blízké budoucnosti se bude nepochybně jednat o podobně dramatické změny, jakými si lidstvo prošlo v minulém století spolu s rozvojem fyzikálních znalostí, a to včetně vývoje nových zbraní. Riziko možného zneužití výsledků SynBio je velice častou příčinou jejího iracionálního kategorického odmítání.

Poslední dekády biologického výzkumu se věnovaly převážně hledání a popisu klíčových stavebních kamenů života v silně redukcionistickém pohledu – interakce molekuly X s molekulou Y, vliv přítomnosti molekuly Z na procesy A, B nebo C. S přelomem tisíciletí se otočil list a započala se perioda systémová a syntetická, kdy můžeme konečně začít v biologii fungovat jako člověk moudrý a tvořit na základě znalostí a pochopení kompletních genomů, jejich variability a regulačních zákonitostí v kontextu celku konkrétního biologického systému. Stojíme na počátku.

Víc než genetické manipulace

Řekněme si nejdříve co SynBio je a co není a jak je to s její bezpečností. Rozhodně jí nejsou tradiční biotechnologické postupy: šlechtění, tedy cílený výběr mutací vzniklých evolučním procesem, ani genetické inženýrství – manipulace s vybraným stávajícím genetickým kódem a jeho drobné postupné úpravy, jeden gen po druhém.

SynBio je naopak disciplína, která vytváří živé systémy z neživých syntetizovaných materiálů na základě jejich racionálního návrhu, případně kopíruje a upravuje celé biologické systémy z přírody. Následně mohou tyto uměle vzniklé živé komponenty a systémy produkovat a využívat další organismy včetně člověka.

Toto jasné vymezení (výběr versus návrh) lze předvést na následujících příkladech:

Princip náhodné fixace pozměněné formy života se v procesu urychleného přírodního výběru praktikoval v lidské společnosti po mnoho tisíciletí. Probíhal na úrovni selekce odrůd náhodných mutantů živočichů i rostlin, tedy postupem šlechtění. A zde je právě ten podstatný rozdíl. Metodami genetického inženýrství (pro zvolenou existující součástku = „all-natural“) nebo metodami syntetické biologie (pro nově vzniklé součástky = „all-synthetic“) vytvoříme novou formu života cíleně, tedy na základě našich přesných znalostí a výpočtů. Vedle metodiky genetického inženýrství, která nám poskytuje nástroje pro kopírování a množení existujících částí organismů, je základem pro SynBio komplexní systémové čtení projevů života a jeho plná digitalizace spolu s rozvojem technologie přímého zápisu kódu (kódování funkce) při využití následné chemické syntézy zvolených funkčních součástek.

Každému čtenáři bude intuitivně jasné, že náhodný výběr i manipulace stávajících biologických komponent je v provedení sice jednodušší, ale poskytuje nám mnohem menší kontrolu nad vlastním výsledkem. Ten vzniká velice chaoticky systémem pokus – omyl, pomalu s velmi nízkou účinností a s malým nárokem na zapojení racionálního a prospektivního myšlení. Zde nastupuje právě syntetický přístup SynBio, který je naopak plně kontrolovatelný, zakládá se na přesném modelování a výpočtech a vyžaduje proto propojení více disciplín – od biologie přes matematiku až ke strojírenství. Můžeme říci, že SynBio vzniklo na základě metod genetického inženýrství, ale kontinuálně se od něj odděluje a začíná používat skutečnou strojírenskou terminologii, objekty a koncepty.

Fragmentace jednotlivých komponent biologických systémů na nejmenší možné součástky, které jsou stále ještě schopné nést definovanou funkci, je tedy základním pilířem tvorby stavebních bloků pro syntetickou biologii. Hledáme minimální genom, minimální enzym, minimální buňku a podobně. Tyto stavební bloky můžeme chápat jako stavebnicové komponenty na principu stavebnic Merkur nebo LEGO. V SynBio se začínají uplatňovat banky součástek, a to i na volně šířeném principu open-source. V této oblasti působí například BioBricks nebo iGEM, které přispívají ke standardizaci a široké dostupnosti součástek.

Druhým pilířem SynBio je výběr těch nejvhodnějších kombinací komponent do jednoduchých in vitro systémů ve formátu autonomních strojů a obvodů. Můžete si zde představit enzymatickou dráhu produkující biopalivo nebo léčivo artemisinin jako náhrady látek vyskytujících se v přírodě omezeně.

Třetím pilířem je nakonec vytvoření genetického kódu pro sebereplikující a vyvíjející se plně funkční biologické stroje na základě otestovaných jednoduchých součástek a obvodů. Příkladem může být celá buňka nebo regenerující tkáň.

Na všech třech úrovních se opakuje stejný postup, kdy genetický kód – analogie software – vytváří funkční stroj – tedy hardware. Zároveň se vždy SynBio snaží aplikovat paradigma příčinného vztahu mezi sekvencí, strukturou a funkcí biologických komponent a jejich propojení do logických celků, tedy chceme-li obvodů, které jsou pod kontrolou řídících prvků.

Od ideálu úplného poznání souvislostí je dnešní biologie ovšem velice vzdálená. Navíc se rozhodně nebude jednat o jednosměrný určující vztah. Dočkáme se mnohých překvapení, jako tomu bylo například při objevování centrálního dogmatu molekulární biologie, kdy se původně předpokládal jednoduchý model, ve kterém se z DNA přes RNA jednosměrně tvoří proteiny. Zdaleka tak jednoduché to není a trvalo čtyřicet let, než se jednoduché schéma doplnilo o zpětné vazby a vedlejší vývojové a regulační větve. U SynBio, založené na logice sekvence – funkce, tomu nebude jinak.

Ambice SynBio směřují mnohem dál než k pouhému kódování biologických strojů. V budoucnosti lze očekávat, že takto vytvořené živé formy budou mít schopnosti vlastního vývoje na základě schopnosti samo-uspořádávání, jaké mají dnes technické materiály, nebo v delším časovém horizontu i urychlené evoluce. I ta musí zůstat pod kontrolou jejího tvůrce. Dokážeme si jistě představit, jaké následky takové počínání může mít. Proto je etický a legislativní rámec tak důležitý.

SynBio říká: normální rozmanitost a rychlost evoluce nám nestačí, musíme evoluci řídit, urychlit a využít. Všechny hranice, které příroda vytvořila – jako například čtyřpísmenný kód genetický nebo dvacetipísmenný kód funkčních proteinů – jsou pro syntetickou biologii snadno překonatelné. Takové limity přestávají existovat. Známe-li jasný cíl a vlastnosti součástek, můžeme vytvořit svůj vlastní kód, nebo minimálně rozšířit ten stávající, nedokonalý.

Znějí takové ideje fantasticky? Pochopitelně, ale vraťme se pouhých čtyřicet let nazpět – jak vypadaly počítače? Zkusme to o dvacet let – jak vypadaly telefony? Vývoj lidstva se nepohybuje po přímce, je na exponenciální trajektorii. A těžko na tom lidstvo něco změní. Musíme se snažit o jediné – zabránit možnému zneužití pokroku nastavením regulací a následnou důslednou kontrolou. A čekat na nové vizionáře. Musíme přitom dbát na lidskou přirozenost, která nám říká, že vždy se najde někdo, kdo nebude dbát nastavených pravidel a dohod, přesně podle principu Vězňova dilematu.

Možnosti ochrany stávající přírody před nežádoucími vlivy nových forem života jsou mnohonásobné a vytvářejí dostatečný prostor pro nastavení limitů a pravidel. Expertní rada evropských akademií (EASAC) pracuje na nastavení pravidel pro evropské země (česká verze).

Nedořešené zatím zůstávají právní aspekty a patentový soulad mezi EU, USA, Japonskem a Čínou a další důležité dohody, které musí proběhnout co nejdříve. Toto pole je v pohybu, jak vidíme na příkladu soudního sporu firmy Myriad Genetics o patentování lidských sekvencí (podrobnosti na anglické Wikipedii). Jednalo se o rozhodnutí, které v americkém právním systému znemožňuje patentovat přirozeně se vyskytující DNA sekvence. Jiné právní systémy, včetně evropského, nejsou s tímto rozhodnutím ve shodě.

Technologicky můžeme pro bezpečnostní ochranu zajistit, že nové kódy nukleových kyselin nebudou volně mísitelné se stávajícími DNA a RNA kódy. Nebo stačí jednoduše nahradit přirozený STOP kodón v syntetickém genomu novým unikátním kodónem, případně zajistit růst syntetických organismů pouze v přítomnosti aminokyseliny, která se v přírodě nevyskytuje. Podobných cest je mnoho, ale prozatím nebyla žádná z nich využita v průmyslové praxi. Můžeme a musíme zakódovat bezpečnost systému přímo do prvopočátku každéh syntetického návrhu. Pak nastavíme paradoxně mnohem bezpečnější prostředí, než je tomu u dnes běžně používaných genetických manipulací s DNA a RNA.

Zajímavé projekty a objevy SynBio

Po přečtení malých genomů mikroorganismů byl právě popis lidského genomu přelomovou událostí, která změnila naše chápání možností. Jeho celé znění bylo zveřejněno v roce 2003, ovšem ani dnes, tedy po dalších jedenácti letech, nemáme o mnoho více zkušeností s jeho interpretací. Neznáme ještě plně vztah genetické informace a jejího funkčního projevu. Naše poznání neroste stejně rychle jako množství získaných informací. Rozmanitost biologických systémů je prostě příliš vysoká a selekční procesy jsou všudypřítomné. Neznáme vliv variability genomu v populaci, abychom mohli odhadnout příčinné důsledky mutací od pouhého informačního šumu. To vše předpokládá další získávání a zpracování mnohem větších objemů dat, než se dnes vyskytují ve všech ostatních vědeckých disciplínách dohromady. Teprve poté budeme schopni začít syntetizovat látky a tkáně, které budou připravené přímo na míru každému člověku, zvířeti nebo procesu. Právě to je úkol pro biologii 21. století, jak se můžeme dočíst v publikaci Positioning Synthetic Biology to Meet the Challenges of the 21st Century.

Jak bylo řečeno výše, dnes se biolog nachází ve stadiu porozumění jednoduchým molekulárním dějům a buněčným systémům. Naše snaha se proto soustředí na vytvoření prvních prototypů jednoduchých obvodů, které zahrnují enzymatické dráhy a jejich regulační komponenty. Byla syntetizována první primitivní buňka s minimalistickým genomem, který bude možné dále doplňovat o specifické funkce. Tím se zabýval také Craig Venter, který dříve vedl soukromý projekt sekvenování lidského genomu, posléze sekvenoval jakékoli organismy, které se nacházejí na naší planetě¹⁾, a přispěl tak významně k digitalizaci života na Zemi. Dnes je prezidentem vlastního ústavu, kde se věnuje právě syntetické biologii. Jeho tým vkládá syntetizované primitivní genomy komenzálních mykoplazmat do těla kvasinky, kde s ním teprve může manipulovat, nebo jiných mykoplazmat, která tím mění.

V březnu 2014 ohlásil jiný tým v časopisu Science syntézu prvního plně funkčního kvasinkového chromozomu (S. cerevisiae), který tvoří pouhých 2,5 % eukaryotického genomu (abstrakt). Dalších pět let bude trvat mezinárodnímu konsorciu, které na základě této práce vzniklo, aby dosyntetizovalo celý kvasinkový genom.²⁾

Ilustrativní popis SynBio je k vidění na tomto videu (v angličtině):

Systémová biologie nám pomohla číst komplexní informaci skrytou v přírodě, kopírovat ji již delší dobu umíme díky metodám genetického inženýrství a zapisovat kód zatím v omezeném rozsahu dokážeme též díky chemické syntéze. Nyní nám ještě zbývá této informaci porozumět a dovést ji tak k poznání, kterého budeme schopni využít. Logicky proto dnes institucionalizace oboru syntetické biologie ve vědeckých ústavech renomovaných univerzit (Harvard, MIT, Berkeley, Imperial College…), navazuje na vznik ústavů systémové biologie na počátku tisíciletí jako základního pilíře.

Harvardova univerzita je příkladem instituce, která zaujímá přední místa v oblasti SynBio objevů. George Church zde vytvořil nový syntetický systém pro generování náhodných verzí proteinů a jejich následnou selekci pro zvolenou funkci, nazvanou MAGE (PDF). Pamela Silver vložila cyanobakterii do zebřičky (Danio rerio), aby tato ryba mohla využívat sluneční energii (PLoS ONE).

Univerzita nedávno založila úplně novou instituci Wyss Institute, která se bude věnovat oboru SynBio, a to na základě soukromého daru, který převýšil všechny dary v minulosti, od svého bývalého absolventa.

Nové aktivity typu syntheticbiology.org, openwetware.org, synbioproject.org  a dalších volně rozšiřují znalosti o SynBio. V  budoucnu se budou nabízet dostupné nástroje v režimu open-source. Komerční úspěch můžeme zaznamenat na jednom velmi dobrém příkladu možností racionálního návrhu. Tím je revoluce v přípravě genetických modifikací. Od restrikčních enzymů přes rekombinační systémy se dnes technologie posunula k nástrojům typu umělých enzymů TALEN. Díky nim se proces přípravy geneticky modifikovaných organismů zkrátil z roků na dny. Dnes víme, jaká aminokyselina TALENu se váže na konkrétní nukleotid v molekule DNA. Následně takový konstrukt naštěpí DNA molekulu v definované pozici a připraví ji tak k výměně za jinou. Asijské firmy mají v mrazácích připraveny desetitisíce specificky cílených molekul pro celé genomy. Stačí jen zavolat, jaký gen chcete vyřadit, a kurýrem si nechat poslat nástroj. Za týden máte hotovo.

Pro financování nových projektů se začínají specializovat nové grantové agentury, například Living Foundries (pod DARPA) a velice brzy budou schopné poskytnout dobré příklady a přitáhnout pozornost investorů, kteří dočasně ztratili zájem vzhledem k neúspěchu velkých průmyslových projektů typu biopaliv.

Stávající produkty a výhled do budoucna

Jednoduché produkční systémy vzniklé na principu běžného vnesení jednoho genu za účelem jeho masové produkce nejsou vhodným příkladem SynBio. Jedná se totiž o běžné GMO. Takto se dnes produkují analogy přírodních látek ve větším objemu a s menšími náklady, než jaké jsou spojeny s jejich získáváním z přírody. Ekonomický aspekt je přitom právě tím nejdůležitějším faktorem při uvedení nového produktu nebo postupu na trh, SynBio nevyjímaje. Dnes dokážeme produkovat náhradu biopaliv v bakteriích s vysokými výtěžky, ale samotná několikanásobně vyšší cenová kalkulace nákladů neumožňuje jejich rozšíření na trhu.

Dokáže SynBio přispět k cíli zvýšit produkci biopaliv ze současných 3 % na téměř třetinu v roce 2050? Vzhledem k současným konfliktům, při kterých se energetické zásoby Ruska stávají zbraní, toho možná dosáhneme ještě dříve. Ekonomické zvýhodnění ve formě dotací a daňových úlev se prozatím do SynBio nedostává, vidíme ho spíše u produkce biopaliv z řepky, kukuřice nebo u alternativních zdrojů energie. Udržitelnost masové produkce ve standardních producentech (bakterie, kvasinky, řasy a viry) je hlavní otázkou pro budoucnost. Cukry, na kterých je tato produkce historicky založená, musí být získány z obrovského množství biomasy. A člověk nemůže akceptovat masivní kácení tropických lesů jen proto, abychom šetřili fosilní zdroje.

Další zásadní nevýhodou dnes zavedených biotechnologií je jejich genetická nestabilita a volný přenos genů u stávajících produkčních systémů. Genetická kontaminace všemi směry v přírodě je běžným jevem, a je to jeden ze stavebních kamenů života, bez kterého by nevznikala tolik potřebná rozmanitost. Tu přirozenou nevidíme, tu modifikovanou u GMO se dnes pouze snažíme kontrolovat, ale už ne řídit. Přesto ale zůstává vážnou otázkou, protože taková změna je nevratná.

U produktů SynBio je možnost jejich bezpečnostního řízení a kontroly nepoměrně větší (viz výše). Předpokladem je, že použijeme jiný kód, který nebude se stávajícím přírodním kompatibilní a nebude se tedy mísit. O tom je potřeba diskutovat.

Alternativně může SynBio přijít s návrhem úplně nových výrobních systémů, které budou o několik řádů efektivnější. Nabízí se využití řízených in vitro evolučních systémů, které jsou velmi rychlé a kontrolovatelné. Vše je pouze otázka času.

Prozatím se SynBio vydává spíše cestou produkce drahých látek v malých objemech. Příkladem jsou kosmetické oleje a vůně, potravinářské příchutě (vanilka, citrusy) a mnoho lékařských aplikací (léčiva, vakcíny a vytváření nových syntetických ekosystémů, např. ovlivnění mikrobiomu v lidském střevě; bakteriofágy a bakterie, které rozkládají bakteriální biofilmy; regulace bakteriální rezistence na antibiotika; detekční senzory nemocí a jiných hrozeb včetně biologických zbraní). Ano, lze namítnout, že většina z toho tu už byla. Není to nic nového. Ale byly to právě jen součástky a teprve SynBio je spojuje do autonomně fungujících naprogramovaných strojů s pamětí, možná i s inteligencí. Sofistikovanější biologické systémy mohou produkovat energii z netradičních surovin, identifikovat účinné látky a uvolňovat je v optimálním čase.

Reálné průmyslové aplikace jsou však ještě vzdálené.

Nyní se SynBio nachází v roli bratří Wrightů, kteří ještě nevědí, zda budou opravdu létat. Větší pesimisté tvrdí, že se obrazně nacházíme na úrovni prvních manufaktur ještě o století dříve a netušíme, že nové biomanufaktury mohou přinést lidstvu auto a letadlo. Je velice těžké předvídat, zda se oblast SynBio stane novým průmyslem typu polovodičových součástek a počítačových strojů. V každém případě má ovšem nakročeno razantním způsobem.

V Čechách bohužel stojíme opodál. A je to škoda. Matematika, strojírenství a softwarové inženýrství jsou u nás stále na úrovni. Navíc je v české kotlině pevně zakořeněna kulturní tradice oživování strojů rabi Löwem a Karlem Čapkem. Máme dnes dost talentů, podpory a odvahy na to, abychom svět obdařili dalším golemem či robotem, tentokrát z dílny SynBio?