SME
Piatok, 5. marec, 2021 | Meniny má FridrichKrížovkyKrížovky
PODCAST PRAVIDELNÁ DÁVKA

Ako urobiť geneticky upravené baktérie bezpečnými?

O biobezpečnosti a spôsoboch, akými bioinžinieri geneticky upravené bunky robia bezpečnými.

Vypočujte si podcast

Počúvajte cez >> Apple podcasty | Spotify | Google podcasty | RSS

Syntetická biológia a genetické inžinierstvo majú obrovský potenciál zlepšiť naše životy. Geneticky upravené bunky môžu liečiť ochorenia, vyrábať vzácne materiály, alebo naprávať znečisťovanie životného prostredia. Lenže čo si budeme hovoriť, geneticky upravovať bunky môže mať aj svoje riziká. A preto sa dnes budeme rozprávať o bezpečnostných systémoch, ktoré bioinžinieri môžu zakódovať do buniek tak, aby boli bezpečné.

Skryť Vypnúť reklamu

Poznáte ten otrepaný scenár z viac alebo menej lacných hororových a katastrofických filmov, v ktorých z laboratória utečú geneticky modifikované príšery a trápia svet? Alebo scenár, v ktorom si premotivovaný vedec vpichne do ruky nechutne zelenú svetielkujúcu vec a potom sa zmení na zúrivé zelené monštrum? Nuž, tieto scenáre robia genetickým inžinierom medvediu službu, keďže význam syntetickej biológie a genetického inžinierstva nestavajú zrovna do dobrého svetla.

Na druhej strane, syntetická biológia, ktorá sa snaží o konštrukciu nových biologických systémov a o úpravu tých existujúcich na ľudstvu prospešné účely, sa už od svojho vzniku musela začať vysporiadavať s otázkou bezpečnosti a s rôznymi etickými otázkami.

Nemám teraz na mysli ťažké morálne dilemy o geneticky upravených dvojčatách narodených v Číne, alebo otázku toho, či dokážeme konštruovať vírusy v laboratóriu. Pri zachovaní transparentnosti a citlivosti je otázka genetickej modifikácie embryí skôr vecou individuálnej morálky a spoločenskej dohody a na to máme v tomto podcaste iných machrov, aj keď ja by som bol vždy radšej opatrnejší.

Skryť Vypnúť reklamu

Pokiaľ ide o schopnosť syntetizovať existujúce, zdôrazňujem, existujúce vírusy v laboratóriu, tak odpoveď je jasná - áno, technicky to dokážeme, no akékoľvek zásadné funkčné modifikácie sú aj napriek vývoju v oblasti kontrolovanej evolúcie podľa toho, čo viem, ešte dosť ďaleko.

V súčasnosti musíme riešiť oveľa praktickejšie a relevantnejšie problémy týkajúce sa biologickej bezpečnosti a tie sa týkajú hlavne geneticky modifikovaných baktérií a kvasiniek. V závislosti na účele ich využitia môžeme geneticky modifikované bunky chcieť vypustiť do voľnej prírody a nedržať ich v skúmavke.

Predstavme si napríklad inžiniersky výskum takzvaného “bionického listu”, na ktorom pracuje tím vedení profesorom Danom Nocerom z Harvardu. Takýto list je vlastne biomimetickým systémom, ktorý je zostrojený z kombinácie kovu, keramiky a baktérií, alebo dokonca len z baktérií.

Skryť Vypnúť reklamu

Tento systém dokáže odchytávať a CO2 z atmosféry a premieňať ho na užitočné látky ako izopropanol, ktorý môže byť použitý ako palivo. A tento proces je 10-krát efektívnejší ako fotosyntéza! Asi si dokážeme predstaviť, že v budúcnosti by sme takéto stromy chceli mať v záhrade, nie niekde v laboratóriu. Podobne ako baktérie obsahujúce super-enzýmy, ktoré im umožňujú rozkladať plast - treba ich zasadiť niekde na smetisku alebo dokonca v mori ako niekde v uzavretom laboratóriu!

Nuž a preto potrebujeme, aby živočíchy obsahujúce geneticky modifikované systémy nemohli v budúcnosti tento umelý genetický materiál rozhadzovať kade-tade. Treba na rovinu povedať, že doteraz nemáme žiadne správy o akomkoľvek biohazarde spôsobenom geneticky modifikovanými organizmami, no množstvo štúdií ukázalo, že použitie GMO organizmov by mohlo spôsobiť presun ich génov do prirodzených organizmov.

Skryť Vypnúť reklamu

Vo vode znečistenej odpadom z fekálií hospodárskych zvierat kŕmených antibiotikami sa napríklad podarilo nájsť gény spôsobujúce antibiotickú rezistenciu. Prienik takýchto génov do prostredia predstavuje závažný problém, keďže škodlivé baktérie vyskytujúce sa voľne v prírode by si takéto gény mohli privlastniť a následne sa stať odolnými voči antibiotickej liečbe.

Samozrejme, toto nie je nový problém a genetickí inžinieri nad ním rozmýšľajú už od 70. rokov 20. storočia. Preto sa dizajnu stratégií voči úniku geneticky modifikovaného materiálu a biobezpečnosti venuje veľká pozornosť.

Americký NIH (Národný inštitút zdravia) má jasné kritériá definujúce efektívny biocontainment, teda schopnosť danej metódy zabrániť úniku potenciálne nebezpečných alebo ekologickú dynamiku prostredia meniacich organizmov. Konkrétne, NIH tvrdí, že bezpečný spôsob biocintainmentu je taký, ktorý umožní uniknúť do prostredia menej ako jednej bunke zo sto miliónov buniek. Ešte raz, jednej bunke zo sto miliónov.

Ilustrujme si to na príklade lockdownu a obmedzenia cestovania do zahraničia v dôsledku COVID-19, ktorý teraz všetci zažívame. Tento lockdown, ktorý ordinujeme geneticky modifikovaným bunkám je približne ekvivalentný tomu, že z celého územia Slovenska, Česka, Poľska, Maďarska a Ukrajiny by sa za hranice nedostal žiaden človek. Ani cez plot, ani cez les, ani vrtuľníkom. Naozaj nepriedušné uzavretie.

Skryť Vypnúť reklamu

Takže. Ako takéto nepriedušné uzavretie buniek dosiahnuť? A je to vôbec možné? Nuž, hneď prezradím, že takéto prísne podmienky sa už niekoľkým bioinžinierskym technikám podarilo dosiahnuť. Povedzme si dnes o štyroch takýchto spôsoboch, ktoré boli úspešne zostrojené a ktoré fungovali.

V prvom rade medzi ne patrí obmedzenie samo-replikácie. Je to v zásade veľmi jednoduchý princíp. Namiesto toho, aby si geneticky upravená bunka mohla sama vyrábať proteíny umožňujúce replikáciu, umiestnime gény zodpovedné za výrobu takýchto proteínov pod kontrolu pod kontrolu genetickej súčiastky nazývanej indukovateľný promóter.

Znie to komplikovane, ale v zásade nám to umožňuje kontrolovať výrobu proteínov - vyrobia sa len vtedy, keď bunke dodáme istú chemikáliu, Ak jej ju nedodáme, bunka sa nedokáže ďalej množiť. Tento prístup sa ukázal byť efektívny v rastlinách a vírusoch. Nefunguje však pri všetkých mikroorganizmoch.

Skryť Vypnúť reklamu

Preto môžeme využiť iný prístup, ktorým je auxotrofia. Nie je to nič komplikované - auxotrofom je každý organizmus, ktorý si nedokáže všetky živiny pre seba vyrobiť sám a potrebuje ich dostávať z prostredia, aj keď tento termín sa používa skôr vo vzťahu k baktériám a kvasinkám. Každopádne, mechanizmus je jasný. Ak naša baktéria žije v prostredí, v ktorom jej externe suplujeme živiny, na ktorých je závislá, nebude schopná fungovať mimo tohto prostredia.

Pointou je, že množstvo organizmov dokážeme upraviť tak, aby boli auxotrofické - napríklad prostredníctvom toho, že im “pokazíme” gény, ktoré im umožnia vyrábať isté živiny. Táto stratégia funguje veľmi dobre a bola využitá napríklad pri klinických skúškach baktérií slúžiacich ako lieky na syndróm zapáleného čreva u myší aj u ľudí. No problémom je, že takto vyinžinierované baktérie môžu mimo svojho prirodzeného prostredia získať znovu gény potrebné na výrobu esenciálnej živiny naspäť - napríklad im ich posunú iné baktérie, ktoré prirodzene žijú v inom prostredí. Tento proces sa nazýva horizontálny genetický transfer.

Skryť Vypnúť reklamu

Iný zaujímavý spôsob ako zaručiť bezpečnosť GMO organizmov je využitie syntetických genetických obvodov. Môžeme napríklad zostrojiť genetické systémy, ktoré umožňujú bunke vyrábať esenciálne gény potrebné pre jej funkciu len v prípade, že bunky sú pri sebe dostatočne nahustené. Toto je možné vďaka takzvaným quorum sensing molekulám a nimi aktivovaným genetickým súčiastkam, ktoré umožňujú bunkám “merať” vzájomnú hustotu a doslova navzájom komunikovať. Ak by sa napríklad teda nádoba s takýmito bunkami rozbila, tak bunky zomrú a nebudú sa môcť ďalej množiť.

Ešte fascinujúcejšie je to, že dokážeme bunky naprogramovať tak, aby zomreli v prípade, že nedostanú správnu kombináciu chemikálií z vonkajšieho prostredia v správnom množstve. Takýmto spôsobom môžeme bunkovú populáciu nastaviť “na heslo”.

Skryť Vypnúť reklamu

Nuž a štvrtým spôsobom je využitie neprirodzených aminokyselín, ktoré bolo prvý krát ukázané v roku 2015. To znamená, že organizmus môže byť prekódovaný tak, aby musel využívať externe dodávané non-naturálne aminokyseliny, chemikálie , ktoré sa v prírode jednoducho nevyskytujú. Toto je mimoriadne efektívna stratégia, ktorá sa dokonca nedávno ukázala byť mimoriadne účinná voči evolučnému tlaku.

V súčasnosti sa vyvíjajú ďalšie bezpečnostné bunkové systémy, ktoré budú ešte efektívnejšie, ako napríklad xenobiologické systémy a nebunkové extrakty. No o tých si možno porozprávame nabudúce. No ako vidíte, bioinžinieri o bezpečnosti skutočne intenzívne rozmýšľajú - takže príchod Godzilly ani Hulka nám tak skoro nehrozia.

Referencie

[1] Lee, J. W., Chan, C. T. Y., Slomovic, S., & Collins, J. J. (2018). Next-generation biocontainment systems for engineered organisms. Nature Chemical Biology, 14(6), 530–537.

Skryť Vypnúť reklamu

[2] Brenner, K., You, L., & Arnold, F. H. (2008, September). Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends in Biotechnology.

[3] McCardell, R. D., Pandey, A., & Murray, R. M. (2019). Control of density and composition in an engineered two-member bacterial community. BioRxiv, 632174.

[4] D’souza, G., & Kost, C. (2016). Experimental Evolution of Metabolic Dependency in Bacteria. PLoS Genet, 12(11), 1006364.

[5] Kunjapur, A. M., Napolitano, M. G., Hysolli, E., Appleton, E. M., Schubert, M. G., Jones, M. A., … Church, G. M. (2020). Synthetic auxotrophy remains stable after continuous evolution and in co-culture with mammalian cells. BioRxiv, 2020.09.27.315804.

Skryť Vypnúť reklamu

[6] Pinheiro, F., Warsi, O., Andersson, D. I., & Lässig, M. (2020, July 2). Predicting trajectories and mechanisms of antibiotic resistance evolution. ArXiv. arXiv.

Všetky podcasty denníka SME si môžete vypočuť na jednom mieste na podcasty.sme.sk.

Ak máte záujem o reklamný spot v podcastoch alebo inú spoluprácu, napíšte nám na podcasty.inzercia@ sme.sk, pošleme vám cenovú ponuku.

Skryť Vypnúť reklamu

Najčítanejšie na SME Tech

Skryť Vypnúť reklamu
Skryť Vypnúť reklamu

Téma: Pravidelná dávka | Vzdelávací podcast

Prečítajte si aj ďalšie články k téme
Skryť Vypnúť reklamu
Skryť Vypnúť reklamu

Hlavné správy zo Sme.sk

Premiér a minister zdravotníctva vítali príchod ruskej vakcíny na košickom letisku.

Dôležité bude aj to, na čiu stranu sa postaví Sme rodina.

11 h

Covid má na Slovensku vyše 7500 obetí.

8 h
Stĺpček šéfredaktorky Beaty Balogovej

Žijeme to, čoho sme sa najviac báli

Beata Balogová, šefredaktorka denníka SME

Dnes nikto nechce od nás recept, len tragické poučenie, aby nezopakovali naše chyby.

11 h

Neprehliadnite tiež

Prototyp lode, ktorá má letieť na Mars, dosiahol po štarte výšku 10 kilometrov.

4. mar
Kúsok kultivovaného hovädzieho mäsa, ktoré vytvárajú japonskí vedci.

Kultivované mäso má stále jeden háčik.

3. mar
V popredí model lebky Nenadertálca. Vzadu lebka anatomicky moderného človeka. Záber je z výstavy v Prírodovedeckom múzeu v New Yorku.

Vedci skúmali uši neandertálca.

3. mar