Červenec 2004

Velká bakteriální revoluce

Jaroslav Petr

Geneticky modifikované mikroorganismy začínají měnit svět

Antrax, AIDS, ebola… výčet smrtelných chorob vyvolaných mikroorganismy je navzdory pokroku v medicíně stále dlouhý. Mikroskopičtí zabijáci ale tvoří jen nepatrný zlomek z celkového množství pozemských mikrobů. Drtivá většina z nich nám může v budoucnosti naopak být neobyčejně prospěšná.

Úžasní milovníci extrémů

Při pohledu na sklenici křišťálově čisté mořské vody se nechce věřit, že máme před sebou zoologickou zahradu. Ale to jen proto, že bez dobrého mikroskopu nevidíme bakterie, kterých bychom napočítali v každém litru nabraném z moře asi miliardu. Těžko říci, ke kolika patří druhům, protože tyhle mikroskopické obyvatele oceánů nedokážeme pěstovat v laboratorních podmínkách, a nemáme tudíž příležitost je detailněji poznat. Díky genetice ale začínají mít vědci v „moři mikrobů“ jasněji a pomalu spřádají plány, jak tohle obrovské bohatství využít.

O tom, že mořští mikrobi vynikají nejen četností, ale i druhovou pestrostí, svědčí výsledky studie proslulého amerického genetika Craiga Ventera. Ten odebral ze Sargasového moře 1,5 kubického metru vody, kterou podrobil analýzám dědičné informace. Genetický zátah přinesl nadmíru bohatý úlovek. Venter objevil 1,2 milionu nových, vědě doposud neznámých genů, které náleží asi 1800 různým mikroorganismům. Sargasové moře přitom patří k „pouštím“. Jeho vody jsou chudé na živiny a kromě řas, jež mu daly jméno, tu najdeme jen málo živých tvorů.

Z představy, kolik mikroorganismů obývá moře od polárních krajů až po žhavé tropy, se proto vědcům zatočila hlava. A to především proto, že jde o mikroorganismy doslova nabité molekulami, o jakých se chemikům nezdá ani v nejdivočejších snech. Před třemi roky kupříkladu narazili biochemici u širokého spektra mořských mikrobů na pigment proteorodopsin, který dokáže měnit sluneční světlo na elektřinu, a nadchli tak výrobce ekologických zdrojů energie.

Ještě zajímavější mikroby nalezneme ve vroucích podmořských vřídlech, slaných jezerech nebo v arktických končinách svíraných třeskutými mrazy. Tito „milovníci krajností“ čili extremofilové popírají všechny laické představy o tom, co by bakterie mohly nebo nemohly vydržet. Archebakterie Pyrolobus fumarii roste za „sterilizační“ teploty 113°C. Její příbuzný Picrophilus oshimae se nerušeně množí v pramenech koncentrované kyseliny sírové. V husté břečce v solných jezerech nerušeně prosperuje bakterie Halibacterium salinarum. Její kolegyně Natrobacterium magadii z afrických jezer snáší vedle zasolení i extrémní koncentrace louhů. Molekuly, z nichž jsou vystavěny buňky extremofilů, vydrží i nejdrastičtější podmínky a jsou prakticky „nerozbitné“.

Biochemici nad nimi jen kroutí hlavou. „Když budete mít před sebou dvě bílkoviny, z nichž jedna si uchovává své vlastnosti při 100°C a druhá se rozpadá při 25°C, tak z jejich struktury nedokážete odhadnout, která je která,“ přiznává biochemik Michael Adams z University of Georgia.

Chemiky tahle záhada ale moc netrápí. Pro ně je rozhodující, že enzymy extremofilů pohánějí složité biochemické reakce i za krutých podmínek, jež vládnou v chemických provozech. Například bakterie Thermotoga neapolitana zpracovává při teplotě 75°C organický odpad na čpavek, z kterého následně uvolňuje vodík. V plynných zplodinách jejího metabolismu tvoří tento plyn plných 80 %. To činí z thermotogy horkého kandidáta na velkovýrobu vodíku k pohonu spalovacích motorů vypouštějících z výfuku místo koktejlů toxických zplodin jen neškodnou vodní páru.

Bakterie horkých vřídel a natronových jezer jsou zase přizpůsobeny prostředí, které nápadně připomíná pračku – jejich enzymy určené k rozkladu organických látek ideálně splňují požadavky na základní komponenty pracích prášků – jsou schopny odstranit prakticky jakoukoli skvrnu, aniž by zatěžovaly životní prostředí.

Sláma nad zlato

Poptávka po enzymech extremofilů prudce roste. Jenže kde je brát. Těžba z vod gejzírů či podmořských pramenů nepřipadá v úvahu. Ani pěstování mikroskopických „milovníků krajností“ není jednoduché, je totiž dost obtížné připravit jim v laboratorních podmínkách soukromé peklo, které k životu potřebují. Nejschůdnější cestou je patrně podstrčit geny extremofilů tradičním bakteriím, a donutit je tak k výrobě „nerozbitných“ enzymů. Pěstounem cizích genů se může stát třeba neškodná střevní bakterie Escherichia coli. Tu už vědci zapřáhli do výroby celé řady důležitých látek. Vedle inzulínu pro diabetiky vyrábí například i růstový hormon pro děti ohrožené poruchou růstu zvanou nanismus.

Za nesmírně perspektivní považují odborníci také bakteriální produkci plastů. První vlaštovky už jsou tu. Geneticky modifikované bakterie vyrábějí umělé hmoty pro firmu Cargill-Dow, koncern DuPont a americkou společnost Matabolix. Všichni výrobci se však zatím potýkají s vysokými výrobními náklady. Například glukóza, která je pro bakteriální továrny stejně důležitá jako ropa pro petrochemický průmysl, je stále nepříjemně drahá.

I tento problém by však mohly pomoci vyřešit geneticky pozměněné bakterie. Zemědělské odpady jako sláma jsou totiž tvořeny z valné části celulózou, jež není ničím jiným, než dlouhým řetězcem složeným z mnoha molekul glukózy. Tu lze z celulózy odštípat pomocí enzymů „vypůjčených“ od mikroorganismů. A není to jen hudba budoucnosti. Dánské firmě Novozymes se to už podařilo s pomocí směsky enzymů několika druhů hub. Získává tak z celulózy glukózu, kterou nechává kvasit na etanol. Cílem není výroba alkoholických nápojů, ale levná produkce lihu použitelného pro pohon spalovacích motorů. Zatím stlačila firma Novozymes cenu lihu ze slaměné glukózy na 13 centů za litr. Do budoucna ho chce vyrábět ještě desetkrát laciněji.

Pokud by uspěla, potěšilo by to i další chemičky, protože s novou technologií by se jim otevřel přístup k levné glukóze i pro jiné výrobní postupy. Mnozí dokonce ani nečekají na to, jak se Novozymes s úkolem popere, a pustili se do výroby glukózy ze slámy svépomocí. Vítězně zakončila toto tažení například kanadská firma Iogen, která už otevřela v Ottawě první slámový lihovar.

Extremofily by rád zapřáhl i potravinářský průmysl. Velké naděje upírá k antarktickým mikrobům milujícím chlad. Ty totiž vyrábějí kromě řady jiných zajímavých molekul i nenasycené mastné kyseliny, jejichž konzumace blahodárně působí na oběhový systém a chrání před arteriosklerózou a infarktem. Chov studenomilných bakterií nepřipadá v úvahu, protože jim nedokážeme vytvořit vhodné životní podmínky. Ale opět je tu možnost vypůjčit si od nich potřebné geny a vybavit jimi bakterie, jejichž pěstování mají vědci v malíčku.

Mycoplasma genitalium

Do budoucna si vědci dělají naději, že by do výroby důležitých surovin mohli zapřáhnout i umělé bakterie. Základy k jejich tvorbě položil v roce 2002 již zmiňovaný Craig Venter, když přečetl dědičnou informaci mikroba Mycoplasma genitalium. Ten si vystačí s 517 geny, a vlastní tak nejmenší dědičnou informaci ze všech pozemských buněčných organismů. Méně genů mají už jen viry. Venter však zjistil, že i úsporná mycoplasma může mnohé ze svých genů postrádat – k životu jich nezbytně potřebuje jen 265. S podporou americké vlády se proto pustil do práce na přenosu těchto základních genů do bakterie kompletně zbavené vlastní dědičné informace. Pokud uspěje, což zatím zdaleka není jisté, získá jedinečnou „surovinu“ – dokonalého příjemce, do jehož dědičné informace bude moci libovolně přenášet geny pro výrobu žádaných sloučenin.

Je ovšem také pravda, že zásahy biologů do dědičné informace a jejich smělé plány sleduje veřejnost se smíšenými pocity a rostoucími obavami. Přínosy jsou sice nesporné, ale strach z možného zneužití rozhodně nelze brát na lehkou váhu a přísná bezpečnostní opatření jsou jistě namístě. Nemělo by se ovšem přitom zapomínat ani na smutný fakt, že bioterorista pachtící se s komplikovanou výrobou geneticky modifikovaných smrtících virů by si jen zbytečně přidělával práci. Naše planeta totiž bohužel stále hostí dostatek choroboplodných zárodků, které se pro tyto pochybné účely dokonale hodí už v podobě, do jaké je zformovala evoluce.

(Respekt)