Ve víru syntetické DNA: Kdy stvoříme umělý život?

Co je to vlastně život? Otázka dřív vyhrazená filozofům se v posledních desetiletích pomalu, ale jistě přesouvá do hájemství vědy. I když by se snad mohlo zdát, že odpověď musí být jasná, opak je pravdou. Přestože většinou snadno dokážeme rozlišit živé od neživého (spornou výjimku stále tvoří viry) nebo vyjmenovat několik základních charakteristik života – například metabolismus, schopnost se reprodukovat či reagovat na vnější podněty – otázka „Co je život?“ přetrvává. Na přesné definici se vědci neshodnou, a takřka denně proto vznikají nové, jež se snaží zachytit jeho základní aspekty. 

K badatelům hledajícím odpověď na ošemetný dotaz patří také Addy Pross. Australsko-izraelský chemik tvrdí, že ptáme-li se „Co je život?“, zároveň s tím pokládáme otázky „Jak vznikl?“ a „Jak jej stvořit?“. Abychom dokázali vyřešit jednu, musíme umět zodpovědět zbylé dvě.

Recept na prapolévku

Nikdy se nejspíš přesně nedozvíme, jak život vznikl. Stěží totiž dokážeme najisto určit, jaké podmínky panovaly na různých místech mladé Země. Uvažuje se, že se mohl objevit v hlubinách planety, kde dodnes prosperuje bohatý mikrobiální ekosystém, v okolí hydrotermálních průduchů na oceánském dně, kde vládne stabilní prostředí, teplo a dostatek živin. Anebo možná na zemském povrchu, v mělkých vodách bohatých na chemické látky a vystavených působení dávné atmosféry. 

Alespoň to tvrdí teorie prebiotické polévky, kterou počátkem 20. století nezávisle na sobě navrhli Alexandr Oparin a John B. S. Haldane. Oba biologové předpokládali, že se ovzduší mladé Země nejspíš podobalo atmosféře Jupitera, o níž se vědělo, že obsahuje směs vodíku, metanu a amoniaku. Proslulého experimentu a ověření se teorie dočkala v 50. letech 20. století, kdy Stanley Miller a Harold Urey nechali skrz „atmosféru“ složenou ze zmíněných tří plynů a vodní páry procházet elektrické jiskry coby simulaci blesků. Analýza vzniklé kapaliny odhalila několik organických látek, včetně aminokyselin, jež tvoří základní stavební prvky bílkovin.

Střípek skládačky

Zdálo se, že pokud takové látky vznikaly trvale a hromadily se, nakonec skutečně mohly během stovek milionů let přispět ke vzniku života. Millerův–Ureyův experiment se proto dlouho považoval za zásadní střípek do skládačky. Později se ovšem ukázalo, že složení atmosféry na rané Zemi ovzduší na Jupiteru vůbec neodpovídalo. 

Vše nasvědčuje, že se před čtyřmi miliardami let plynný obal naší planety v mnoha ohledech velmi podobal tomu dnešnímu: Sestával především z dusíku, který doplňovaly oxid uhličitý, vodní pára a stopové množství jiných prvků – například kyslíku, jenž se přitom na současnou atmosférickou úroveň začal zvolna dostávat až před necelou miliardou roků. Naopak metan, amoniak ani vodík, které s ním snadno reagují, se volně téměř nevyskytovaly, a nemohly tedy dát vzniknout kýženým molekulám. 

Kromě toho přítomnost určitých chemických látek ještě nic neříká o procesu jejich přeměny v živé formy, o místě, kde k tomu došlo, ani o tom, které typické rysy života se objevily jako první – jestli metabolismus, či replikace, tedy přenos genetické informace z jedné molekuly DNA do jiné stejného typu. Podobné experimenty nám možná definitivní odpověď neposkytnou nikdy. Nabízí se tak otázka, zda ve snaze život pochopit nezačít raději od jiného ze tří dotazů – kupříkladu jak ho stvořit.

Život z laboratoře

Idea přeměny neživé hmoty v živou nebyla kdysi nijak kontroverzní. Antičtí myslitelé nepochybovali, že například myši vznikají ze starého zrní a žáby z bahna. Teorie samoplození, jak se zmíněná představa nazývá, přetrvala až do novověku a postupně se omezovala na stále menší organismy. Až nakonec Louis Pasteur v 19. století slavnými pokusy s vývarem a speciálními nádobami ukázal, že se ani mikroskopické živé entity neutvářejí „jen tak“. 

Sen o přeměně neživých látek v živou bytost však rozhodně nezmizel, ba naopak. Snaha vytvořit umělý život patří k nejdůležitějším oblastem tzv. syntetické biologie. A přestože se zatím plně umělou a životaschopnou buňku získat nepodařilo, některé výzkumy naznačují, že jsme na správné cestě.

Úspěch za 40 milionů

Přelom přinesl článek s výmluvným názvem „Stvoření bakteriální buňky řízené chemicky syntetizovaným genomem“, který v roce 2010 zveřejnil v časopise Science tým vědců kolem amerického genetika a biotechnologa Craiga Ventera. Badatelé si vzali na pomoc bakterii Mycoplasma mycoides, jež se vyznačuje poměrně malým množstvím genetické informace uložené v jediném kruhovém chromozomu. 

TIP: Tajemství čtyřlístku: Jeho DNA je složitější než ta lidská

Odborníci genom přečetli a uměle jej znovu vytvořili, s tím že jej připravili v nejmenší možné podobě, jaká měla buňce ještě stačit k životu. Takto nachystaný chromozom vložili do „prázdné“ buňky příbuzné bakterie, jejíž původní chromozom odstranili. Výsledný hybridní organismus pojmenovaný Synthia se dokázal dělit a růst – tedy žít. Úspěch, jenž vyšel na 40 milionů dolarů, vyvolal ohromné nadšení a v následujících letech vedl k vytváření dalších zčásti umělých a mnohem ambicióznějších organismů.

Umělé biotovárny

Další milník přišel v roce 2014: Tehdy se v magazínu Nature objevil článek výzkumné skupiny Floyda Romesberga, která oznámila vytvoření vylepšené DNA. Kromě čtyř obvyklých „písmen“ genetické abecedy neboli nukleových bází A, G, C, T obsahovala genetická informace dvě nová písmena, X a Y. A když ji tým vložil do buňky bakterie Escherichia coli, ukázalo se, že funguje docela obstojně. 

Ačkoliv mohou podobné manipulace s DNA vyvolávat obavy například z úniku upraveného organismu z laboratoře, autoři uklidňují, že nebezpečí nehrozí. A naopak dodávají, že popsané experimenty nejsou samoúčelné: Podle nich umožní výrobu specifických bílkovin a léků, jež by svými vlastnostmi mohly předčit látky vzniklé přirozenou cestou.

Ve víru syntetické DNA

Loni na jaře publikovali další badatelé na stránkách časopisu Nature obdobné výsledky, které ukázaly, že lze v umělé výrobě genetické informace zajít ještě mnohem dál. Jako modelový organismus opět posloužila bakterie E. coli: Vědci nejprve přečetli celý její genom, načež vyrobili jeho syntetickou verzi. Skládala se z tolika písmen A, C, G, T, že by vytištěná zabrala 970 stránek formátu A4. Nebyla však stejná jako ta původní, přirozená – zahrnovala přes 18 tisíc změn. 

Všechny trojice písmen TCG, kódující aminokyselinu serin, vyměnili odborníci za kombinaci AGC, jež kóduje tutéž složku, a měla tak funkci prvotních trojic plně nahradit. Takto modifikovanou a nově vytvořenou DNA vědci následně vložili do jiné buňky E. coli, z níž předtím odstranili původní genetickou informaci. Výsledná buňka sice neprospívala tak jako její neupravené protějšky, ale základní životní funkce zastat dokázala a dosud tvoří organismus s nejrozsáhlejším plně nahrazeným genomem.

Zespod nahoru

Přístup, který zaujali autoři zmíněných článků, by se dal nazvat „shora dolů“. Postupně nahrazovali různé dílky již existujících organismů, což mělo ovšem ke stvoření života stále velmi daleko. Vkládali totiž DNA do buňky s funkčním biochemickým aparátem, který je sám o sobě nesmírně složitý a jehož náhrada by znamenala skutečnou výzvu. Někteří badatelé se však přece jen odhodlali i k opačnému přístupu, tedy „zespod nahoru“, což znamená vytvořit živou buňku pouze ze základních neživých ingrediencí. 

V roce 2017 se spojilo 17 nizozemských laboratoří s cílem vytvořit „buňce podobný, rostoucí a dělící se systém“. Podle autorů projektu, jenž má trvat deset let a vyjde na miliardu eur, je potřeba vyřešit tři základní problémy: „prostorové oddělení buněk; metabolismus, respektive biochemické pochody zachovávající život; a informační kontrolu, to jest ukládání a správu buněčných instrukcí.“

Elektrárna v buňce

Podle dosavadního průběhu popsaného v časopise Nature slaví jednotlivé skupiny pracující na různých problémech první dílčí úspěchy, nicméně cesta bude ještě dlouhá. V současné době se jeden tým například snaží vytvořit tukovou membránu, podobnou té obklopující známé bakteriální buňky. Vědci do ní postupně zanášejí bílkoviny, bez kterých buňka nedokáže fungovat. 

Další skupiny se zabývají výrobou energetického systému, jenž má připomínat mitochondrie, buněčné „elektrárny“. U rostlin by pak měly vzniknout chloroplasty, umožňující zachytávat sluneční světlo a pomocí jeho energie přeměňovat oxid uhličitý a vodu na složitější látky, zejména cukry. 

Co přinese budoucnost?

Poslední problém představuje dodání informace, jež bude řídit základní buněčné pochody. Badatelé předpokládají, že si to vyžádá DNA sestávající z 200–300 genů. Zde ovšem nebude dosažení cíle tak složité: Odborníci se totiž mohou inspirovat u výše zmíněných kolegů, kteří již syntetickou genetickou informaci do buněk úspěšně zanesli.

TIP: Kdy se dožijeme 200 let? Moderní genetika dává naději na dlouhý život

Ať už projekt dopadne jakkoliv, už nyní lze předpokládat, že se kolem něj vynoří spousta polemik, například: Bude skutečně možné mluvit o výsledné entitě jako o živé? Pomůže nám pochopit, co je život? A především – nezahráváme si s něčím, co by mohlo mít nepředvídatelné následky?