V laboratoři Jeffa Hastyho na Kalifornské univerzitě v San Diegu se střídavě rozsvěcí a zháší namodralé světlo. Nepatří majáku policejního vozu nebo sanitky. Lze jej zahlédnout jen pod mikroskopem a jeho zdrojem je kolonie tvořená miliony bakterií. Všechny jako na povel najednou zazáří a vzápětí se ponoří do tmy. Tak vypadá nejnovější úspěch vědců pracujících v oboru syntetické biologie.
Od umělých virů k miniaturním součástkám Syntetická biologie se snaží o „evoluci v laboratoři“. Vědci už například syntetizovali kompletní dědičnou informaci jednoduchých mikroorganismů. Dokázali v laboratoři rekonstruovat virus španělské chřipky a bakterie vybavili „nouzovou“ dědičnou informací, složenou z minimální sady genů nezbytně potřebných k životu.
Dalším oborem syntetické biologie je „inovace součástek“. Vědci vnesou do dědičné informace několik zcela nových genů a s jejich pomocí naučí buňku kouskům, jaké jí příroda do vínku nedala. V loňském roce zabudoval tým genetiků vedený Arim Fiedlandem z Bostonské univerzity do živých buněk sadu genů, díky které se buňky naučily počítat a navíc si pamatují, do kolika napočítaly.
Pro vnitrobuněčná „počítadla“ se nabízí řada praktických uplatnění. Mohou sloužit jako vnitřní pojistky pro nebezpečné mikroorganismy, které by mohly v případě nehody uniknout z laboratoří. Vědci by buňky vybavili „časovanou bombou“.
Když buňka napočítá určitý počet buněčných dělení, spustí geny pro samodestrukční procesy a spáchá sebevraždu. Pro podobné účely by šlo využít i bakterie, které švýcarští vědci z curyšské techniky proměnili na hodinky odměřující čas.
Až doposud se buňky pozměněné syntetickou biologií chovaly jako individualisté neschopní koordinovaného úsilí. Tento problém zdárně vyřešil tým Jeffa Hastyho. Bakterie v jeho laboratoři blikají koordinovaně.
Vědce zaskočilo, jak dobře buněčný „synchronizátor“ v bakteriích fungoval. Hastyho spolupracovník Tal Danino nasadil bakterie vybavené všemi potřebnými geny do zvláštního čipu, kde měl pod kontrolou jak počty množících se bakterií, tak i jejich zásobování živným roztokem.
Čip dal pod mikroskop a několik hodin marně čekal, až se bakterie „rozsvítí“. Šel se tedy na pár hodin prospat. Kameru sledující bakterie však nechal zapnutou. Když se brzy ráno vrátil do laboratoře, vládla v čipu stále tma. Danino byl přesvědčen, že pokus nevyšel. Když si však zrychleně pustil záznam z kamery, zahlédl první záblesk světla. Po něm druhý, třetí, čtvrtý. Bakterie se rozsvěcovaly na krátkou dobu vždy po hodině.
Zneužitý odposlech Vědci využili k synchronizaci bakterií látku, jíž se spolu mikrobi dorozumívají. Každá bakterie se ohlašuje ostatním produkcí zvláštní komunikační molekuly. Když se bakterie „dozvědí“, že jejich koncentrace přesáhla v prostředí kritickou mez, můžou na to zareagovat dramatickou změnou ve vlastnostech i chování. Například bakterie Pseudomonas aeruginosa se v nízkých koncentracích chová v těle hostitele „slušně“. Jakmile její počty přesáhnou kritickou mez, změní se na agresora. Neroste už volně, ale vytváří komplikované povlaky, tzv. biofilmy, které jí kromě jiného chrání proti antibiotikům.
Jeff Hasty vybavil běžnou střevní bakterii Escherichia coli genem pro produkci komunikační molekuly AHL. „Přírodní“ bakterie sice tuto molekulu nevyrábí, ale je vybavena k jejímu zachycení. Pomocí AHL se domlouvají jiné druhy bakterií a Escherichia coli je uzpůsobena k „odposlechu“ jejich komunikace. Hastyho bakterie aktivovaly po zachycení signálu v podobě molekul AHL tři různé geny. Jeden se přičinil o další produkci komunikační molekuly. Druhý gen začal s mírnou prodlevou vyrábět protein AiiA, který signální molekuly rozkládá. Třetí gen vyráběl na podnět AHL bílkovinu, jež krásně fluoreskuje. Bakterie tak byla vybavena jak „plynovým pedálem“ v podobě genu produkujícího signální molekulu, tak i „brzdou“ v podobě genu pro produkci bílkoviny AiiA. Světlo fluoreskujícího proteinu ohlašovalo, co se v buňce právě odehrává.
Bakterie vyráběly molekuly AHL, a když se namnožily na kritické množství, byly vystaveny silnému signálu komunikačních molekul od sousedních buněk. To je nabudilo k další produkci AHL a zároveň i k výrobě světélkujícího proteinu. Všechny bakterie se jako na povel rozsvítily.
V té chvíli už se připravoval k akci gen pro bílkovinu AiiA. Když si bakterie vyrobily tento protein, zarazily si tím výrobu molekul AHL. Buňky jako na povel zhasly, protože koncentrace AHL v okolí bakterií klesla a signální molekuly už netlačily na „plynový pedál“ genu pro světélkující bílkovinu. To však nemělo dlouhého trvání. Při nedostatku AHL „usnul“ gen pro produkci rozkladného proteinu AiiA a koncentrace signální molekuly mohly opět růst. Díky tomu, že molekula AHL nepůsobí jen uvnitř buňky a její účinky zasahují i okolní bakterie, se podařilo činnost pěstovaných bakterií dokonale synchronizovat. Přestaly se chovat jako „sólisté“ a začaly působit jako „kolektiv“.
Co přinesou bakteriální oscilátory?
Výsledky experimentu, zveřejněné v týdeníku Nature, sklidily mezi odborníky velký ohlas.
„Poprvé máme možnost synchronizovat vnitřní oscilátory v různých organismech tvořících jednu populaci. Pokud dokážeme totéž s buňkami savců, bude to mít v budoucnu obrovský význam,“ řekl v rozhovoru pro vědecký časopis jeden z autorů švýcarských „bakteriálních hodinek“ Martin Fusseneger z curyšské techniky.
Objev má velký význam pro poznání mechanismů zajišťujících synchronizaci buněk v organismu. Pro správné funkce mozku jsou životně důležité synchronní akce některých neuronů. Narušení synchronizace může vést k vážným komplikacím, například k epilepsii. Fusseneger doufá, že se v budoucnu podaří vytvořit buněčné oscilátory, které dokážou nesoulad mezi neurony v nemocném mozku napravit.
Ještě dříve se praktického využití zřejmě dočkají synchronizované bakterie. Laboratorně připravení mikrobi by mohli sloužit jako biosenzor registrující výskyt nebezpečných látek v prostředí. Na přítomnost nežádoucí chemikálie by bakterie upozornily varovným koordinovaným blikáním.
Kolektivně pracující bakterie by mohly v lidském organismu produkovat léky a uvolňovat je do těla ve správnou chvíli a v přesně odměřeném množství.
Bakterie by například zajistily diabetikům správné dávkování inzulínu. Synchronizované buňky by mohly normalizovat funkce některých hormonů. Ty jsou v těle opakovaně uvolňovány v malém množství. Informace nesená těmito hormony se podobá zprávě psané morseovkou.
Napodobit tento signál je obtížné. Jedna velká dávka hormonu například v injekci představuje brutální zásah do jemného přediva hormonální regulace.
Buňky, které by uměly posílat malé dávky hormonu jako hormonální „tečky“ a „čárky“, by navodily v organismu pacienta podstatně přirozenější stav.
***
Střevní bakterie v roli oscilátoru
Bakterie Escherichia coli je jedním z nejběžnějších a také vědci nejlépe prozkoumaných organismů. Týmu vedenému Jeffem Hastym posloužily jako základ ke konstrukci mikrobiologického oscilátoru.
O autorovi| Autor je profesor České zemědělské univerzitě a pracuje ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Praze-Uhřiněvsi
