Nevíme, kolikrát se příroda pokusila vytvořit genetický kód, a už vůbec netušíme, jak tyto kódy mohly vypadat. Jisté je jedno. Současné formy života využívají jeden jediný univerzální genetický kód založený na „abecedě“ o čtyřech „písmenech“ – adeninu, thyminu, guaninu a cytosinu. Těmi je psána dědičná informace mikroskopické bakterie stejně jako obří velryby.
V dědičné informaci je zapsáno, kdy a za jakých podmínek budou buňky vyrábět určité bílkovinné molekuly. Přírodní genetický kód dovoluje využít pro tvorbu bílkovin jen dvacet z více než pěti stovek v přírodě se vyskytujících aminokyselin – základních stavebních kamenů bílkovinných řetězců.
Po desetiletí se vědci snaží zjistit, jak by mohli sortiment aminokyselin a tím i bílkovin rozšířit. Americký biochemik Peter Schultz například donutil bakterie, aby četly svou dědičnou informaci novým způsobem. Mikrobi pak místo některé z dvacítky tradičních aminokyselin zařazují do bílkoviny aminokyselinovou „novinku“.
Daleko lákavější perspektivy však nabízí rozšíření „abecedy“ genetického kódu o zcela nová písmena. Šestipísmennou abecedou lze do dědičné informace zapsat instrukce pro tvorbu bílkovin ze 172 různých aminokyselin.
Buňka s cizím kódem
Už koncem 80. let minulého století objevili vědci první molekuly, které mohou v dědičné informaci vystupovat v roli dalších písmen genetického kódu. Dnes je sortiment „náhradních“ písmen poměrně bohatý. Zatím ale tyto molekuly prokazovaly schopnost budovat normálně fungující dvojitou šroubovici DNA jen při biochemických reakcích prováděných v laboratorních podmínkách.
„Neuměli jsme si představit, že bychom tato nová písmena genetického kódu mohli použít v živých buňkách,“ přiznává Denis Malyshev za Scripps Research Institute.
Právě Malyshev a Floyd Romesberg byli klíčovými postavami týmu, kterému se „nepředstavitelný“ husarský kousek zdařil. Jako písmena genetického kódu použili exotické molekuly označované zkratkami d5SICS a dNaM. Ty ani vzdáleně nepřipomínají žádné z tradičních písmen genetického kódu. Do DNA však zapadnou dokonale. Potíž je v tom, že molekuly d5SICS a dNaM neumí běžné buňky vyrobit a musí je dostávat hotové.
ČTĚTE TAKÉ: |
Běžné buňky však nedokážou těmto písmenům ani „otevřít dvířka“. Malyshev a Romesberg spolu se svými kolegy proto nejprve vybavili obyčejnou střevní bakterii Escherichia coli genem pro tvorbu bílkoviny, která se zabuduje do povrchové membrány a slouží jako vrátka propouštějící molekuly d5SICS a dNaM. Pak vybavili bakterii krátkým úsekem DNA, tzv. plazmidem, do kterého v jednom místě zařadili dvojici nových „písmen“.
„Předpokládali jsme, že právě v tomto okamžiku se dostaneme do potíží, které nebude lehké vyřešit. Ale k našemu překvapení vše fungovalo v buňce bakterie hned napoprvé,“ popisuje kritickou fázi úspěšného experimentu Floyd Romesberg. Bakterie neměly s plazmidem obsahujícím dvojici umělých písmen genetického kódu žádný problém. Rostly, množily se a přitom vyráběly nové kopie plazmidu. Využívaly k tomu volných molekul d5SICS a dNaM, které přicházely do nitra buňky bílkovinnými „vrátky“ vmembráně. Když vědci přemístili bakterii do prostředí bez molekul d5SICS a dNaM, pokračovali mikrobi v tvorbě kopií plazmidu. Vyráběli ale DNA výhradně z tradičních písmen genetického kódu.
Přepíšeme čtyři miliardy let evoluce?
Výsledky Romesbergova týmu zveřejněné v předním vědeckém časopise Nature vzbudily velkou pozornost. „Jde o první hmatatelný důkaz, že živé organismy mohou žít se skutečně umělou DNA s rozšířenou abecedou dědičnosti,“ hodnotí výsledek práce svých amerických kolegů japonský biolog Ičiro Hirao z výzkumného centra RIKEN.
Bakterie zatím zvládá s umělými písmeny d5SICS a dNaM jen jednu ze základních úloh dědičné informace. Dokáže plazmid množit a předávat jej při dělení bakterie dceřiným buňkám. Zatím ale nevyužívá nová písmena k syntéze širšího repertoáru bílkovin s některou z netradičních aminokyselin. To je nejbližší úkol Romesbergova týmu. Další týmy pracují na tom, aby si bakterie vyráběly umělá písmena genetického kódu samy a nebyly závislé na jejich přísunu z okolí. Vědci budou také podstrkávat buňkám další umělá písmena.
„Myslím, že v tomto ohledu nám nestojí v cestě žádná nepřekonatelná překážka,“ hýří optimismem Steven Benner, který v roce 1989 objevil v laboratořích curyšské Eidgenössische Technische Hochschule první umělá písmen genetického kódu. „Pokud se vrátíme do minulosti a přepíšeme poslední čtyři miliardy roků evoluce, můžeme získat organismy s úplně odlišným dědičným systémem.“
Umělá písmena mohou léčit
Steven Benner nevylučuje, že jednou vědci vytvoří formu života, která bude využívat výhradně umělá písmena genetického kódu. Pak bychom stáli před otázkou, proč na naší planetě převládl jediný genetický kód s pouhým kvartetem písmen genetického kódu. Ale je možné, že pokusy odhalí slabiny umělých genetických kódů a ty se ukážou například silně náchylné k chybám. To by byl pro jejich nositele těžký handicap. Vysvětlovalo by to úspěch stávajícího genetického kódu, který pracuje s optimální mírou chyb. Díky únosné míře nepřesností je dědičná informace pozemských organismů na jedné straně dostatečně spolehlivá a na druhé straně se neustále mění a dovoluje evoluci.
Průlomový objev nabízí i praktické uplatnění. Romesberg hodlá donutit mikroorganismy k výrobě nových léků proti rakovině. Budou produkovat bílkoviny s velkou slabostí pro buňky zhoubných nádorů. Některé „přirozené“ aminokyseliny budou v těchto bílkovinách nahrazeny exotickými aminokyselinami, jež jsou pro lidské buňky jedovaté. Taková bílkovina se naváže jen na buňky nádoru a otráví je. Zdravé buňky ponechá na pokoji. Romesberg a jeho spolupracovníci už pro vývoj podobných léků založili v kalifornském San Diegu soukromou firmu Synthorx.
