Téma t5: Dají se přeprogramovat živé organismy?

Zadáno v čísle 24.2.

Zadání

Syntetická biologie je vědní odvětví na rozmezí několika oborů. Kromě biologů a inženýrů se v ní snadno najdou i informatici nebo matematici. Je to poměrně mladý obor, který se snaží vypomoci bioinženýrským oborům obecně tím, že standardizuje „součástky“ a jejich metody spojování, které pak umožní pracovat na vyšších inženýrských úrovních. Podobná revoluce proběhla v samotném inženýrství – považte, šroubků je sice i tak mnoho druhů, ale kdyby si každý vyráběl na míru své vlastní, nestandardní, nejspíš by nikdo nikdy nepostavil třeba auto, a už vůbec ne masově. Syntetická biologie se snaží mimo jiné umožnit, aby mohli jedni vědci vyrábět z elementárních součástek základní moduly a jiní je potom bez obav mohli používat k vytváření větších celků. Ono v biologii nic není tak předvídatelné, jak by se inženýrovi nebo programátorovi mohlo zdát, především proto, že systém není vytvořen člověkem jako programovací jazyky ani založen na základním konečném množství fyzikálních zákonů jako inženýrství. Biologický systém je neuvěřitelně složitý, formovaný miliony let evoluce a málo prozkoumaný. Na druhou stranu, bioinženýrství je novou nadějí například pro uživení populace s rozumným množstvím zemědělské půdy, pro řešení problémů znečištění přírody a zajištění obnovitelné energie a dalších důležitých přírodních zdrojů, nebo pro medicínu.

Skoro všechny moduly a součástky, o kterých se bavíme, jsou ve formě DNA (deoxyribonukleová kyselina). DNA je nositelkou genetické informace a díky biologicky (téměř) universálnímu kódu je možné ji přeložit do proteinů, které v buňkách plní všemožné funkce, nejzajímavější mají asi enzymy při katalýze reakcí. Design DNA (především počítačový) a experimentální realizace plánu jsou tedy základními kameny nejen syntetické biologie a ostatních bioinženýrských oborů, ale už dávno před nimi je využíval i základní výzkum v jiných biologických odvětvích, protože cílený zásah do systému nám o něm může prozradit více než jenom jeho pozorování a měření.

V tomto témátku se postupně podíváme na všechna stádia, kterými se při takovém designu, sestavování a vpravení DNA do cílového organismu musí projít. První fáze je většinou počítačová. Když už máme nápad, jakou DNA bychom potřebovali pro náš experiment, můžeme použít různé počítačové nástroje na vizualizaci sekvencí DNA (složených z bází A,T,G,C) a jejich modifikaci, což nám pomůže s plánováním experimentu. Pokud známe cílovou DNA, je nejjednodušší si ji nechat u firmy (např. IDT) nasyntetizovat. To ale jde jen do určité velikosti a syntéza DNA na míru je oproti čtení zatím velmi drahá i pro většinu světových laboratoří. Takže se podíváme, jak se dá DNA poskládat z kousků DNA, které už máme nebo si můžeme objednat v databázích jako např. Addgene nebo iGEM distribuce Biobricks. Na poskládání naší DNA můžeme využít různé metody od starší metody založené na enzymatickém rozštípání DNA na konkrétních místech a následné ligace v cyklech přes metody založené na restrikčních enzymech typu IIS, které štípají těsně vedle sekvence, jež rozeznávají. Mimo to existují speciální metody na skládání opravdu velkých kusů DNA dohromady, které nám pomáhají sestavovat umělé genomy. Zatím se vědci v tomto odvětví pokouší především o zjednodušení stávajícího genomu v naději, že pak bude snáze manipulovatelný. A samozřejmě, nesmíme zapomenout na CRISPR/Cas9, který dovede měnit DNA přímo v organismu na konkrétním místě. V neposlední řadě svůj poskládaný nebo nasyntetizovaný kus DNA potřebuje vědec ověřit sekvenováním, vpravit do živého organismu a pak testovat, jestli dělá to, co má. U některých modelových a dobře prozkoumaných organismů je vložení DNA jednoduché, u jiných to může být (zatím) nepřekonatelný problém. Navíc v mnoha případech zasahujeme do nepříliš dobře prozkoumané a velmi složité sítě původních reakcí a procesů a efekty jsou těžko předvídatelné. A co se děje s naší novou DNA po mnoha generacích, když tak často jdeme svými požadavky proti evoluci? Co s tím můžeme dělat? Jak nám pomůže počítačové modelování? A co na to všechno etika?

Možných otázek je velmi mnoho a určitě můžete posílat příspěvky k čemukoliv, co vás zaujme. Velmi vítaný bude i podrobnější úvod do oboru, který ostatním poradí, odkud začít s průzkumem konkrétnějších témat. Pro začátek se zkusme zaměřit na první stádium – získání DNA a počítačové plánování, jak z něj sestavit finální sekvenci. K tomuto bude potřeba se trochu věnovat i technikám, které ke složení budou potřeba, zatím na teoretičtější rovině.

Zkuste se podívat, jaké existují databáze kousků DNA a jestli jsou dostačující. Jak moc se zatím daří standardizace „součástek“ a metod jejich skládání? Dají se stejně charakterizované součástky opravdu používat v jakémkoliv organismu, od bakterie po rostlinné či savčí buňky, nebo je v tom nějaký háček, a proč se tak často „optimalizují“ použité kodóny (souvisí to s genetickým kódem a „codon usage“)? Jaké může mít výhody používat zmíněné restrikční enzymy typu IIS (stříhající mimo sekvenci, kterou rozeznávají) pro vytvoření naší nové DNA a pro přiblížení se cílům syntetické biologie? Některé velmi dobré programy na vizualizaci a modifikaci DNA jako třeba Geneious jsou komerční. Existují k nim dobré open source alternativy? Pro ty z vás, které zajímá informatika, může být výzvou vytvořit nebo vylepšit nějaký nástroj, který usnadní jakékoliv stádium v designu DNA. Můžete se zamyslet i teoreticky, jakým informatickým výzvám tady takový programátor čelí a navrhnout pro ně možná řešení (bude na to asi potřeba vhled z molekulární biologie).

Praktická řešení přinášející nové myšlenky a výtvory jsou nejcennější a nebojte se pustit do větších, třeba i skupinových, projektů, ráda se o tom s vámi i poradím a pomůžu, kde začít a jak se spojit. Ze zajímavých nápadů, které budete ochotni zpracovat i anglicky, může vzniknout spolupráce se studentským klubem syntetické biologie na universitě v Cambridge. Těším se na vaše příspěvky.

Lucka