Od umělé DNA k hledání života mimo Zeměkouli

Americký chemik Steven Benner před více než třiceti lety poprvé chemicky syntetizoval gen, a to ze základních stavebních kamenů lidské DNA. To mu však nestačilo a v dalších letech přišel s umělým genetickým systémem, který umožňuje vytvářet nové druhy DNA.

Příprava genů ze základních jednotek lidské DNA, tedy nukleotidů A, T, C a G, slouží vědcům především k obnově genů a bílkovin vyhynulých organismů, což lidstvu pomáhá pochopit vývoj života na Zemi.

„V experimentální paleogenetice pracujeme se starými geny a bílkovinami, abychom pochopili evoluci nebo třeba odhalili, jak to vypadalo na Zemi před miliardami let,“ říká Benner, který se například zabýval evolucí enzymu oxidujícího alkohol. Mimo jiné zjistil, že naši předci začali pít víno či pivo zhruba před sedmi miliony lety. S tím souvisí i výzkum evoluce hub a zjištění, kdy kvasinky začaly vyrábět alkohol. „Někteří kolegové zase například zkouší zjistit, jaké barvy mohli vidět dinosauři, ale také to, kdy se poprvé objevily bakterie a jaká tehdy byla na Zemi teplota,“ přiblížil další experimenty.

Některé z pokusů řeší hodně teoretické a technické otázky, ale některé mohou mít i přímý praktický význam pro dnešní dobu. Díky paleogenetice se například podařilo oživit protein, který pomáhá lidem se dnou. Vědci se také snaží pochopit, jak se zvířata přizpůsobují klimatickým změnám, tedy jak se na ně v minulosti geneticky adaptovala.

Umělá DNA pro diagnostiku

Geny vytvořené v laboratoři ze čtyř známých nukleotidů si dnes díky technologickému pokroku vědci mohou objednat a získat zhruba do týdne. Steven Benner ale už čtvrt století řeší jinou otázku, snaží se vytvářet zcela nové základní prvky a z nich pak umělou DNA s odlišnou strukturou než má ta lidská. Právě o tom přijel na konci jarního semestru přednášet na Masarykovu univerzitu v rámci prestižního cyklu Mendel Lectures.

„Téměř všechny organismy na Zemi mají DNA složenou ze stejných čtyř nukleotidů, které kódují genetickou informaci. Nabízí se ale otázka, zda jde skutečně o jediný druh DNA, který může být obecně vhodný pro život, zda je to ten nejlepší způsob předávání genetické informace,“ přiblížil chemik základní myšlenky takzvané syntetické biologie, které se věnuje.

Vytváření DNA tak má za cíl zjistit, jaké další struktury mohou přenášet informace a jakou formu života můžeme najít třeba jinde ve vesmíru. „Stále na tom pracujeme. Vytváříme pořád nové DNA a snažíme se pochopit, jak by mohly podporovat život a evoluci jinde, například na Marsu nebo měsících Jupitera či Saturnu. Aktuálně máme systém složený z dvanácti různých stavebních jednotek včetně čtyř nukleotidů tvořících přirozenou DNA,“ uvedl chemik.

Zdůraznil, že syntetická biologie nemá za cíl vytvořit nějaký nový organismus. „Stojí za tím především myšlenka, že pokud něčemu opravdu rozumíte, měli byste být schopni to vytvořit. Jde tedy o způsob řešení vědeckých i technologických otázek.“

Paletu potenciálních stavebních prvků DNA obohatil Benner a jeho tým o další struktury, které nesou různá písmena. První vytvořili například P a Z a podařilo se jim také udělat dvoušroubovici, která je obsahuje. Prvky umělého genetického systému také vkládají do bakterií E.coli a dívají se, co se v ní děje.

Kromě hledání odpovědí má vytvoření umělé DNA už i praktické dopady. Odborníkům se totiž podařilo připravit diagnostické soupravy, které ji využívají a které umí detekovat například virus Zika, žlutou zimnici nebo horečku dengue a pomáhají také pacientům s HIV, hepatitidou B či C nebo s dědičnou cystickou fibrózou. Umělá DNA se používá k rozpoznávání těchto virů a jejich koncentrace v těle.

Benner zdůraznil, že využití umělé DNA pro diagnostiku je bezpečné, nemůže totiž interagovat s tou přirozenou. „Samozřejmě to ale vyvolává řadu otázek podobných těm, které se řeší u geneticky modifikovaných rostlin a potravin. Všichni známe někoho, kdo je odmítá, ale nebezpečí hladu je závažnější, než jsou ta spojovaná s genetickými úpravami. U technologií jde především o to, jak se s nimi člověk dokáže sžít.“

Jak skutečně vznikl život?

Kromě vytváření genů a umělé DNA se Steven Benner zajímá také o původ života. „Nikdo netuší, jak skutečně život vzniknul, ale už se dost přibližujeme porozumění chemickým zákonitostem, které k tomu mohly vést. Problém většiny těchto chemických modelů ale je, že jsou diskontinuální, tedy nemáme kompletní systém, v němž bychom dali dohromady chemické látky za určitých podmínek a vznikla nám z toho RNA či DNA,“ podotkl.

Nezajímá ho však jen život pozemský, ale aktivně hledá i ten mimozemský. V rámci projektu NASA se podílí na hledání možností, jak jej detekovat. „V NASA mají už desítky let program pro vyhledávání mimozemského života, ale v určité době zjistili, že nemají dostatek vědeckých znalostí na to, aby mohli říct, jakou by měl případně vlastně formu,“ řekl Benner.

Vznikl tedy institut astrobiologie, který sdružuje různé vědce včetně týmu profesora Bennera, který například hledá alternativní struktury DNA a bílkovin. Podílí se při tom na vývoji zařízení, která budou hledat stopy genů například v polárních čepičkách na Marsu nebo na jiných místech ve vesmíru, kde je nějaká voda.

„Díky naší práci na umělé DNA a jejích rozmanitých druzích se učíme, co může fungovat a co ne. Chemie je stejná na Zemi, na Marsu i ve vzdálených galaxiích, a když porozumíme tomu, jak může fungovat, můžeme lépe vytvářet i nástroje pro detekci života jinde,“ uvedl Benner.

Hledání stop mimozemských forem života ale komplikují vysoké náklady na vypuštění rakety nebo otázka toho, jak zabránit zavlečení pozemského života na jiná vesmírná tělesa. „To vše stojí čas a peníze, ale doufám, že než půjdu do důchodu, uskuteční se mise hledající život na Marsu.“

Masarykova univerzita | Masaryk university