Přinesou uměle vypěstované útvary zvané bramboroidy blahobyt, nebo ohrozí lidstvo?

Buňky o rozměrech pylového zrna, které přijímají potravu, rostou, soupeří spolu o výživu a množí se. V přírodě běžná věc, jenže entity nazývané „bramboroidy“ (Spud Cells) k přírodním organismům nepatří. Vznikly uměle, v laboratoři. Je to vůbec poprvé, co se něco podobného podařilo.

Nelze říci, že by tvůrkyně bramboroidů, genetička a badatelka v oboru syntetické biologie Kate Adamala z Minnesotské univerzity napodobila procesy na rané Zemi a stvořila život z nejjednodušších organických látek; něco takového věda nedokáže už proto, že na rozdíl od přírody jí chybějí miliony let na pokusy a omyly.

Vědkyně pracovala se „součástkami“ živých buněk, které na této planetě dávno fungují. Poskládala je však inovativním způsobem, který v přírodě nevidíme – a stvořila něco jako nový organismus, který je mnohem jednodušší než ty stávající, přesto dovede růst, krmit se a množit. Kdyby byl automobilem, neměl by sedadla, volant ani řazení a motor by byl na setrvačník; ale vyjet z garáže a urazit pár set metrů po silnici by vůz dokázal.

I to je úspěch. „Žádnému vědci se dosud nepodařilo přijít s receptem na vytvoření umělé buňky, která zvládne plnit tolik funkcí,“ řekl pro The New York Times John Glass, expert na syntetickou biologii z Ústavu Craiga Ventera v kalifornské La Jolle. „Tenhle moment si budeme pamatovat,“ potvrzuje historický význam pro týž list Roseanna Zia, bioinženýrka z Missourské univerzity.

Jsou brabmoroidy živé? To spíše ne, některé vlastnosti jim k tomu ještě chybějí. Žádnou všeobecně přijímanou definici života ovšem nemáme, takže se stoprocentní jistotou v tomto ohledu nic tvrdit nelze. Právě organismy na pomezí živého a neživého pomáhají vědcům pochopit, co to vlastně život je a jak přesně funguje.

Pak je tu i praktický cíl. Téměř vše kolem nás – od oblečení přes plasty, elektroniku nebo řadu léků až k hnojivům umožňujícím výrobu potravin – vzniká z uhlovodíků, které příroda uložila během stovek milionů let; hlavně z ropy, kterou nerozumně pálíme v dopravě. Až dojde, bude nemožné udržet civilizaci, pokud nevymyslíme něco nového. Inspirovat se lze u živých organismů, které využívají jen nepatrnou část chemických možností, jež jim příroda nabízí. S pozměněným genetickým kódem by dokázaly vyrábět sloučeniny, které jinak neprodukují – třeba ty, jež nyní získáváme z ropy.

„Jsou to většinou sloučeniny toxické, které nebude dělat žádná přírodní bakterie, jíž záleží na vlastním životě. Musíme ji tedy geneticky upravit tak, aby pro ni již toxické nebyly,“ prohlásila Kate Adamala v podcastu Cognitive Revolution. Další možností je postavit užitečné bakterie znovu od nuly. Právě to se nyní s bramboroidy částečně podařilo – ačkoli tyto křehké entity se zatím v buněčné kultuře množí jen několik generací a mají daleko k tomu, aby něco vyráběly.

Zrození z biologické polévky

Každá buňka je obalena membránou; tenkou vrstvou, která odděluje její vnitřní prostředí od okolí. Když se buňka dělí, rozděluje se i membrána. Kdo chce stvořit umělou buňku, musí jí dát tyto schopnosti do vínku, což je mimořádně těžké. V dřívějších experimentech se vědcům podařilo z určitých molekul vypěstovat prázdné bubliny, analogie membrán. Do těch vpravili genetickou informaci a další součásti vnitřního prostředí buňky. Vzniklé útvary ale neožily: nepřijímaly potravu, nerostly, nemnožily se. Byly to mrtvé entity složené z prvků, které v přírodě dokážou funkce živého organismu zajistit, ale v laboratoři stávkovaly.

Dál se dostala až ve Spojených státech působící vědkyně Kate Adamala, která pochází z Polska; narodila se s křestním jménem Katarzyna a vystudovala chemii na Varšavské univerzitě. Po několikaletém výzkumu dokázala sestavit umělým buňkám jednoduchou DNA. Přidala umělý aparát pro její čtení (podrobnosti v rámečku) a vytvořila tak jakousi biologickou „polévku“, v níž se spontánně formovaly membrány, které uzavíraly části polévky včetně DNA do „bublin“. Tak vznikly bramboroidy, malé útvary podobné buňkám. Začaly růst, soupeřit o potravu, dělit se.

Dělení ovšem probíhá mnohem jednodušeji než v přírodě: bramboroid si podle instrukcí zapsaných ve své DNA vyrobí určitý protein, který se shlukuje v jeho membráně a vytváří v ní napětí. Když množství proteinu překročí určitou mez, napětí roztrhne membránu na dvě části. Bramboroidy také postrádají například mitochondrie, organely, které slouží jako elektrárny zajišťující buňce energii.

Nemají ani složitější metabolismus – nedokážou si z jednoduchých chemických látek vyrobit komplikovanější živiny. „Je to jeden ze znaků života, ale bramboroidy to neumějí. Musejí se krmit,“ vysvětluje molekulární biolog a bioinformatik Jan Pačes. „Krmivo“ se v okolním roztoku vznáší v kapslích z tukových molekul, na které se bramboroid umí navázat a jejich obsah si „vysát“.

Bez neustálého přísunu živin, stavebních kamenů svého primitivního „těla“ a chemických komplexů umožňujících jeho fungování tak bramboroid nepřežije. „Nejde tu o syntézu života. Podle mého je to jen velmi pokročilá biotechnologie,“ uvedl pro The New York Times jeden z oslovených vědců. Na druhou stranu nelze pominout, že tato „pokročilá biotechnologie“ se rozmnožuje a přijímá potravu, v čemž se chová jako živá.

A průlom spočívá ještě v jedné věci: „Dosud každá živá buňka měla svého rodiče, jinou živou buňku. Mít rodiče je i jedna z definic života,“ říká Pačes, který působí v Ústavu molekulární genetiky AV ČR. První generace bramboroidů však rodiče nemá, povstává ze zmíněné biologické polévky. „Překvapuje mě, že výzkum nevyvolal větší mediální zájem,“ diví se proto vědec. Může to být tím, že práce byla zatím publikována pouze ve formě tzv. preprintu, vědeckého článku předloženého odborné komunitě k posouzení, který navíc čítá 190 stran.

Tohle dělat nebudeme

Adamala přitom již pozornost médií vyvolala. Před několika lety dobrovolně ukončila svůj mimořádně zajímavý, leč značně rizikový výzkum a spolu s kolegy se zasadila o úplné moratorium na celý tento směr bádání. Šlo o fascinující, vpravdě „scifistickou“ snahu vytvořit zrcadlový život.

Většina sloučenin podílejících se na stavbě a fungování pozemských organismů, jako jsou aminokyseliny, cukry, DNA a další, má prostorovou strukturu umožňující vytvořit k dané molekule její zrcadlově symetrický protějšek. Molekula a její zrcadlová verze jsou jako levá a pravá ruka; vypadají stejně, ale jedna druhou nemůže v buňce nahradit.

Například každá z obou spirál dvoušroubovice DNA se skládá výhradně z tzv. pravotočivých cukrů. Existuje i jejich levotočivá forma, ale na stavbě DNA se nepodílí. A nikde v přírodě nevidíme, že by buňkám bylo jedno, jakou z obou možných prostorových orientací molekul používají: na celé planetě pracují vždy jen s jednou; druhá v nich nefunguje. Pravou ruku nelze svévolně nahradit levačkou a obráceně.

Co kdybychom však obrátili prostorovou orientaci, takzvanou chiralitu, úplně u všech molekul v buňce? Pak by v ní zřejmě všechny biochemické procesy probíhaly dál. Vznikl by zrcadlový život, který by se přitom s tím současným zcela míjel. A kdyby zrcadlový organismus unikl z laboratoře, mohl by se množit a šířit, jenže pro stávající organismy by byl stejně neviditelný jako kámen.

Nic biologického by ho nedokázalo sníst, rozložit, zlikvidovat. Kdyby se množil v lidském těle, imunitní systém by patrně vůbec nezareagoval – nedokázal by přečíst chemické struktury na povrchu cizorodých buněk, které by mu prozradily, že jde o vetřelce. Jednotlivé zrcadlové molekuly neviditelné pro imunitu se úspěšně testují pro přenos léků k cílovým tkáním, ale celý zrcadlový organismus by svého hostitele pravděpodobně rychle zabil.

Po kampani, na níž se podílela i sama Adamala, se proto vědci rozhodli výzkum ukončit. V prosinci 2024 publikovaly špičky oboru včetně vědkyně v odborném časopise Science článek, který vyzýval k zavedení moratoria. Další experti se k výzvě připojili, grantové organizace se odvrátily a v současnosti není známo, že by zrcadlové organismy někdo dál vyvíjel.

Jde o vzácný případ, kdy se podařilo zastavit bádání ve prospěch obecného blaha. Na druhou stranu vytvořit zrcadlový organismus by podle odhadů trvalo několik desítek let a není jasné, jestli by jej bylo možné v praxi využít. Pomineme-li vědeckou zvědavost, není motivace moratorium nedodržet příliš silná.

Kate Adamala se pak obrátila k pokusům vypěstovat o něco méně rizikové bramboroidy. Ty současné je těžké udržet „naživu“ i v laboratoři, takže jejich únik nehrozí. Nemnoží se navíc trvale, po pěti až deseti generacích samy zanikají. Zároveň zřejmě mohou podléhat evoluci: do části z nich tým vědkyně vnesl mutaci – upravil jejich DNA tak, že bramboroid dokázal efektivněji přijímat potravu z okolních „výživových kapslí“. Mutované útvary pak rostly rychleji a po několika cyklech dělení, několika generacích, přečíslily ty nemutované.

Ještě výrazněji to vědci zaznamenali, když byl v prostředí nedostatek potravy. Jestli může evoluce probíhat i spontánně, bez uměle vnesených mutací, však není jasné: krátký život „bramboroidů“ nestačí k tomu, aby se to dalo ověřit.

S minimálním genomem

V budoucnu mohou potomci dnešních bramboroidů vyrábět řadu užitečných chemikálií: mohli by syntetizovat například velmi toxické raketové palivo nebo biologicky rozložitelné plasty. Lze si představit i bakterie, které by odčerpávaly z ovzduší oxid uhličitý a měnily jej na bionaftu či bioplyn. I když v tomto případě by podle Jana Pačese bylo lepší využít stávající organismy zvládající fotosyntézu a geneticky je modifikovat. Upravit je tak, aby pracovaly s vyšší efektivitou. Ty běžné příroda nevymyslela proto, aby za nás řešily klimatickou a energetickou krizi, a jejich produkce uhlovodíků potřebám lidstva nestačí.

S bramboroidy se „otevírá cesta k chemickým procesům, které jsme si dosud dokázali představit jen v hodně odvážných snech“, shrnuje v NYT již citovaný John Glass. Jak zároveň ukazuje jeho vlastní výzkum, cesta to může být ještě dlouhá. Vědec se snaží vytvořit v přírodě neexistující buňky opačným způsobem než Kate Adamala.

Nepostupuje od „součástek k celku“, ale cestou „shora dolů“ chce získat buňku s minimálním počtem genů – tím, že jednotlivé geny běžného přírodního mikroorganismu postupně vyřazuje z provozu. Kdyby podobný přístup uplatnil automechanik, z motoru by postupně vymontovával součástky a zkoumal, kdy auto přestane jezdit.

Aktuální Glassova „minimální buňka“ má 525 genů – a u 56 z nich tým jdoucí ve stopách zesnulého průkopníka oboru, slavného genetika Craiga Ventera, ani po desítkách let výzkumu neví, k čemu vlastně slouží. Cílem Glasse a dalších vědců zkoumajících minimální dědičnou výbavu je to zjistit a dostat se ještě dál. Pochopit fungování buňky nejen do posledního genu, ale pokud možno i do poslední molekuly. Dokud se to nepodaří, vytvářet skutečně živé syntetické organismy bude obtížné.

Jako v časech prvních letadel

Současné bramboroidy lze přirovnat i k prvnímu letadlu bratří Wrightů, které se v roce 1903 udrželo ve vzduchu dvanáct vteřin. Jeho dnešními následovníky jsou jak obří dopravní letouny přepravující cestující po celém světě, tak stíhačky a bombardéry. A podobně tomu může být i s uměle vytvořenými organismy. Lze si představit řadu užitečných aplikací, ale také to, že je někdo naučí množit se mimo kontrolované prostředí laboratoře a promění je v biologickou zbraň.

Na koho by cílila a jak by fungovala, je těžké nahlédnout – výzkum je na začátku. A podle Jana Pačese by pro bioteroristy nebo armády bylo zatím mnohem jednodušší sáhnout po existujících a dobře známých patogenech, které lze pěstovat v laboratoři. Do budoucna přesto nelze rizika umělých nepřírodních buněk podceňovat.

„Vznikne-li syntetická buňka škodlivá pro člověka, zvířata nebo přírodu obecně, může to mít velmi závažné důsledky pro nás všechny,“ varuje v NYT epidemiolog Tom Inglesby z Centra Johnse Hopkinse pro zdravotní bezpečnost. Připomíná mimo jiné, že někdo se zlými úmysly by mohl škodlivé buňky úmyslně vypustit nikoli proti konkrétnímu nepříteli, ale ve snaze způsobit světu co největší škodu. A vyloučit nelze ani neúmyslný únik v rámci nehody či porušení předpisů.

Pokušení pokračovat ve výzkumu a posouvat hranice však bude značné – i proto, že další experimenty s umělými buňkami mohou pomoci zodpovědět řadu otázek. Pokud tedy bramboroid živý není, co přesně by ho živým udělalo? Kdyby se například začal sám vyvíjet? A mohou mít organismy třeba někde v kosmu jinou biochemii než na Zemi – jinou stavbu DNA, jiné aminokyseliny, proteiny? Sledovat vývoj v syntetické biologii bude mimořádně zajímavé.