Listopad 2004

Umělý život přichází

Josef Greš

Genetičtí inženýři slibují konec nemocí a čistou energii. Od přečtení lidského genomu uplynulo sotva padesát měsíců a džin puštěný z lahve se už hlásí do služby. Z vědeckých zpráv vyplývá, že jdeme do nového věku lidské existence. Do doby převratných medicínských postupů nesoucích naději nevyléčitelně nemocným, vstříc technologické revoluci, v níž budou bakterie vyrábět elektřinu a měnit odpad na cenné suroviny. Nadcházející časy budou ale i věkem rozsáhlých genetických manipulací a pokusů o vytvoření umělé formy života. Prostě ta chvíle, o níž snily a které se bály generace vizionářů, je definitivně tu.

Jsem šťastná

Minulý čtvrtek oslavil Rhys Evans čtvrté narozeniny. Třebaže to není zrovna kulaté výročí, byla oslava velkolepá. Před dvěma roky by si totiž téměř nikdo nevsadil na to, že se toto dítě z britského Treharrisu čtvrtých narozenin dožije. Rhys se narodil s těžkou poruchou, která prakticky vyřadila z činnosti jeho imunitní systém. Až do dvou let tak svůj život trávil prakticky jen ve speciální hermeticky uzavřené skleněné nemocniční místnosti, která mu zajišťovala sterilní prostředí. Kdykoli ji opustil, těžce onemocněl a pokaždé mu hrozila smrt. Rodiče se museli smířit s tím, že pro jejich prvorozeného potomka je každý kontakt s člověkem a běžným prostředím životu nebezpečný, a bude proto odsouzen k trvalému životu v izolaci a brzké smrti. Dnes si jejich syn chodí s ostatními dětmi hrát na hřiště a užívá si života jako každý jiný předškolák. Život mu zachránila „maličkost“: jeden jediný gen.

Nemoc, kterou Rhys trpěl, tzv. těžká kombinovaná imunitní nedostatečnost, je zapříčiněna špatnou funkcí jednoho z více než třiceti tisíc lidských genů a léčitelná je pouze transplantací kostní dřeně. Pokud se však nenalezne vhodný dárce, je nemocný bez šance. Lépe řečeno, až donedávna byl. Rhysův případ však ukázal, že do budoucna už by tomu tak být nemuselo. Pro chlapce se totiž vhodného dárce také nepodařilo najít, díky pokrokům v moderní medicíně však lékaři mohli jeho rodičům nabídnout jinou naději – genovou léčbu. Když rodiče po krátkém váhání dali s genetickou modifikací svého vlastního synka souhlas, implantovali lékaři v londýnské nemocnici Great Ormond Street Hospital do jeho kostní dřeně laboratorně vypěstovanou verzi poškozeného genu, a chlapcův imunitní systém začal opět fungovat. Rhys tak mohl opustit své skleněné vězení.

„Bylo to pro nás nesmírně bolestivé období, i vězni mívají se svou rodinou těsnější kontakt, než jsme měli my s Rhysem,“ povzdechla si po vydařené operaci jeho matka před reportéry britské BBC. „Jsem teď nesmírně šťastná. Pořád nemohu uvěřit, že je něco takového možné, připadá mi to jako zázrak.“

Ještě před třiceti roky se něčemu takovému zdráhali uvěřit i ti, díky nimž jsou dnes podobné postupy možné. S trochou nadsázky tak lze říci, že za fantastické možnosti dnešní medicíny do určité míry vděčíme jednomu americkému kapitalistovi, který se nerad nudil.

Escherichia coli přichází

Přestože finančník Bob Swanson ve svých projektech často riskoval, štěstí mu většinou přálo a v domovském San Franciscu platil za úspěšného podnikatele. Tuto pověst vrchovatě potvrdil v polovině 70. let, když se spolehl na svůj instinkt a věnoval pozornost biologickým laboratořím. Ze zpráv vědců zkoumajících kyselinu deoxyribonukleovou (DNA) – nositelku dědičné informace a tedy i recept na stavbu a fungování všeho živého – totiž vyčetl, že právě na tomto poli by se mohl odehrát příběh schopný proměnit medicínu a s ní spojený farmaceutický průmysl.

Swansonovo odhodlání investovat komerční kapitál do výzkumu DNA našlo skvělého partnera v Herbertu Boyerovi. Věhlasný genetik finančníkovi slíbil jen víceméně zdvořilostní krátkou schůzku, která se však – tak trochu k překvapení obou – protáhla na několik hodin a večer ještě pokračovala v jednom z barů poblíž kampusu Boyerovy domovské Kalifornské univerzity. A výsledek? V dubnu 1976 založili Swanson s Boyerem malou firmu, která si dala za cíl najít cestu k výrobě nových léků na dosud jen těžko léčitelné nemoci. Světlo světa tak spatřil dnes už legendární Genentech, první biotechnologická firma na světě.

Oba noví společníci se shodli, že jednou z prvních látek, na něž by se měla jejich pozornost soustředit, je inzulín. Jednak cukrovka, již způsobuje nedostatek tohoto proteinu v krvi, stále patřila k těžkým onemocněním, s nimiž si medicína příliš nevěděla rady, a jednak touto nemocí trpělo jen ve Spojených státech na 8 milionů lidí. Dostatečný počet na to, aby se v případě úspěchu rychle vrátily investice do vývoje. Diabetici sice už od dvacátých let měli k dispozici kravský a prasečí inzulín, jehož stavba se od lidského liší jen minimálně, takže cukrovka přestala být smrtelnou chorobou. Přesto však pacienti trpěli vážnými komplikacemi a alergiemi, které způsobovaly právě nepatrné odchylky v konstrukci zvířecí a lidské verze této látky.

Boyer dobře věděl, že pokud by se mu podařilo gen, jemuž lidské tělo vděčí za tvorbu inzulinu, voperovat do dědičné informace nějaké bakterie, již je možné ve velkém a levně pěstovat v laboratorních podmínkách, měl by vyhráno. Tímto směrem také napnul všechny své síly a v srpnu 1978 představil světu jednoduchou bakterii Escherichia coli obohacenou o gen, díky němuž produkovala lidskou formu inzulínu. Cesta k účinné léčbě diabetu byla otevřena.

Do dějin pak vstoupil Genentech ještě jednou. Stalo se to o dva roky později, v září 1980, když se odhodlal ke vstupu na burzu. Během pouhých několika minut totiž cena jeho akcií vylétla ze startovních 35 na 89 dolarů za kus, což byl největší skok v historii Wall Streetu. Boyer se Swansonem tak během jediné hodiny zbohatli o více než 60 milionů dolarů a z biotechnologií se definitivně stalo jedno z nejdynamičtěji se rozvíjejících odvětví farmaceutického průmyslu. Motivováni pohádkovým úspěchem Genentechu začali vědci ve spolupráci s finančníky zakládat nové firmy (jedněmi z jeho největších konkurentů se staly společnosti Biogen a Genetics Institute) a genetický výzkum vedle univerzit, vědeckých center a vlád začaly brát za svůj i velké farmaceutické koncerny a významné investiční fondy.

Výsledek biotechnologického boomu na sebe nenechal dlouho čekat. Nových léků začalo rychle přibývat. Oproti svým předchůdcům přitom byly zpravidla nejen efektivnější, ale vykazovaly i nižší toxický profil, a tedy i méně nežádoucích účinků.

Podobně jako v boji s cukrovkou uspěl Genentech například i při hledání léku proti nanismu, jenž je způsoben nedostatkem růstového hormonu, a je proto znám spíše pod svým lidovým názvem zakrslost. A opět u toho asistovala bakterie Escherichia coli. V mnoha jiných případech sice vědci tak úspěšní nebyli, přesto však jejich práce nepřišla úplně vniveč. Kupříkladu výroba léku, který se měl podle představ newyorské firmy Regeneron postavit amyotropní laterální skleróze, velmi zákeřnému neurodegenerativnímu onemocnění, musela být po několika testech zastavena, protože jeho užívání vedlo u pacientů k velice prudkému poklesu váhy. Přípravek se však záhy v upravené verzi prosadil jako jeden z prostředků v boji proti obezitě. A podobným životopisem se může pochlubit i slavná Viagra, medikament, který byl původně vyvíjen jako lék proti vysokému krevnímu tlaku.

Změníme vám osud

Prudký rozvoj genetiky, biochemie a biotechnologií navíc postupem času otevřel dveře i novým léčebným postupům, které ještě donedávna patřily do říše čiré fantazie. Příkladem může být genová terapie. Laicky řečeno, vědci se snaží v jejím rámci vpravovat do zhoubných nádorů geny, jež dokáží vyprodukovat enzym, který otráví smrtonosné buňky, aniž by uškodil zdravým. Britští výzkumníci už s tímto postupem slaví v laboratorních podmínkách velké úspěchy. Zatím ovšem bohužel zůstává otázkou, zda se osvědčí v složitém organismu lidského těla. To připomíná skutečnost, že navzdory veškerému pokroku je medicína stále velmi limitována a nadále před řadou vážných onemocnění stojí takříkajíc s prázdnýma rukama. Například v boji proti dědičným nemocím, AIDS a neurodegenerativním onemocněním typu Parkinsonovy či Alzheimerovy choroby se jí stále nedaří dosáhnout rozhodujícího průlomu.

Právě to by však čtyři roky staré rozluštění lidského genomu mohlo změnit. Díky jeho znalosti se totiž už dnes vědci učí rozeznávat, jaký vliv na život člověka má, jsou-li určité části jeho dědičné informace odlišné od standardu. Zjišťují například, jaké změny ve struktuře lidské DNA mají na svědomí rakovinu, jaké vznik roztroušené sklerózy a dalších nemocí. To před moderní lékařskou vědou potenciálně otevírá netušené možnosti: dopředu tak totiž bude moci při pohledu na DNA každého pacienta se značnou přesností předpovědět, jaká choroba mu hrozí, a získá tedy čas k přesně cíleným zákrokům, jež by jejímu propuknutí mohly zabránit. Třeba tím, že porouchané geny, které hrozí způsobit onemocnění, nahradí v pacientově dědičné informaci jejich nepoškozenými, laboratorně vypěstovanými variantami. Takové způsoby léčby jsou sice ještě hudbou daleké budoucnosti, teoreticky si je však lze představit už dnes. A vizionáři oboru jdou ještě dále: slibují takové zásahy do lidského genomu, které by v budoucnu zdravým lidem zajistily odolnost vůči infekci virem HIV, schopnost vyrábět si v těle vitamin C či jiné zdraví prospěšné látky, případně je vyzbrojily vyšší fyzickou zdatností, lepší pamětí nebo jim prostě umožnily delší život. Může se to zdát neuvěřitelné, ale faktem je, že schopnost člověka zasáhnout do vlastní dědičné informace se necelé čtyři roky po jejím rozluštění stala realitou.

Skeptici ovšem nabádají k opatrnosti a své obavy demonstrují například na pokusech s prodlužováním života. Když se biologovi Tomu Johnsonovi z Coloradské univerzity před časem podařilo úpravou jediného genu trojnásobně prodloužit život laboratorních hlístic, vizionáři zajásali: stačí zjistit, který gen je odpovědný za délku života u člověka, analogickým způsobem jej změnit, a podobný zázrak by se mohl podařit i u lidí. Méně nadšení znalci však nabádají k opatrnosti: Johnsonovy výsledky jistě představují nesporný úspěch v boji se stárnutím organismů, zatím ale nikdo netuší, co by takovýto zásah udělal s tak složitým organismem, jako je lidské tělo. Mohlo by se totiž stát, že učiní nesmrtelnými pouze některé buňky, což by pak „vylepšeným“ lidem místo dlouhověkosti přineslo hlavně zkušenosti s rakovinami všeho druhu.

Z řad odborné i laické veřejnosti se přitom ozývají i další námitky a otázky: Budou vůbec takové extrémně náročné medicínské postupy dostupné široké veřejnosti? Budou jimi moci lékaři pomáhat všem? A pokud tomu tak není, měly by vlády do takového typu výzkumu i nadále investovat veřejné peníze, když by pak jeho výsledky sloužily pouze úzkému okruhu nejbohatších pacientů? Odpovědi se dnes hledají jen těžko. Nikdo si netroufá odhadovat, jaké budou ceny této léčby. Navíc u každého převratného objevu je obvyklé, že se do praxe zavádí postupně v závislosti na cenové dostupnosti. Přesto debaty na toto téma mezi experty probíhají už dnes a nemálo jich soudí, že tento druh medicíny bude mít dvě odnože.

Jedna její část, s jejíž pomocí budou lékaři bojovat proti dědičným či devastujícím chorobám, se podle jejich mínění stane běžnou součástí moderní medicíny, podobně jako je tomu dnes u transplantací, zatímco druhá – zaměřená na vylepšování dědičné informace – bude výsadou movitých, podobně jako dnes plastická a kosmetická chirurgie.

A právě tyto vyhlídky nenechávají část vědců chladnými. Kupříkladu Lee Silver, profesor molekulární biologie na Princetonské univerzitě, ve svém bestselleru Remaking Eden (Znovuvytváření ráje) varuje před „genetickým rozdělením lidstva“. Elita, která bude mít prostředky na to, aby si zaplatila „genovou plastiku“, se totiž podle Silverových odhadů stane společensky i ekonomicky úspěšnější, a získá tím pádem dostatek prostředků na další a další vylepšování svého genetického profilu. Naopak pro chudší, „nevylepšené“ vrstvy populace se vyšší příčky společenského žebříčku začnou rychle uzavírat a společnost se rozštěpí. Tím se však Silverovy obavy nevyčerpávají. Varuje, že ve vzdálenější budoucnosti by ve snaze zabránit naředění svého pečlivě vyšlechtěného genetického profilu mohla nová elita sáhnout po genetické změně, jež by jí znemožnila početí dítěte s nemodifikovaným partnerem. „Pokud by k něčemu takovému opravdu došlo, rozdělil by se tím lidský rod fakticky na dvě vzájemně nespojitelné populace a z biologického hlediska tedy i na dva samostatné druhy,“ říká k tomu Silverův český kolega, docent Jaroslav Petr, který Američanovy obavy nebere na lehkou váhu.

Bakterie jako otrok

Vášnivé debaty o možnostech a dopadech moderní genetiky se přitom nevedou jen v medicíně a farmakologii. Kouzlo genetických manipulací už objevil i průmysl. Ten je zaujat především schopnostmi podivuhodných mikroorganismů, které dokáží měnit světlo na elektrickou energii, rozkládat oxidy uhlíku, jež vznikají při spalování fosilních paliv a přispívají ke skleníkovému efektu, nebo třeba produkovat hmotu, z níž vznikají plasty. Protože však jde vesměs o bakterie, jež není možné ve velkém pěstovat v laboratořích, neboť ke svému přežití nezbytně potřebují specifické přírodní prostředí, snaží se výzkumníci opakovat trik, který provedl Herbert Boyer při snaze získat lidský inzulín: hledají gen, kterému tito mikrobi vděčí za své „zázračné“ schopnosti, a ten se pak snaží voperovat bakterii, jejíž pěstování není nijak náročné.

První „výrobky“ tohoto druhu už přitom opustily výzkumné laboratoře a pomáhají pro koncerny DuPont, Matabolix a Cargill-Dow v praxi: podobně, jako když včela produkuje med, také speciální, geneticky upravené mikroorganismy pojídají glukózu a vypouštějí surovinu na bázi umělé hmoty. Výhodou této cesty je ekologická šetrnost – nevznikají škodlivé emise jako u průmyslové výroby. Nadšení však brzdí skutečnost, že výrobní náklady na takto získané umělé hmoty jsou stále vysoké. Používaná glukóza je drahá a efektivita bakterií nízká.

Optimisté však předpokládají, že i tento nedostatek lze odstranit. A vědci už dokonce odstartovali projekt, jehož výsledky by k tomu měly vést. Jejich heslo je přitom jednoduché: Není--li v přírodě dostupná bakterie, která by nám pomohla levně produkovat plasty nebo rozkládat oxid uhlíku, vytvořme si ji uměle sami.

Do čela tohoto výzkumu se postavil ředitel biotechnologické společnosti Egea Biosciences Glen Evans. A není zdaleka sám. Stejným směrem teď napíná síly i Craig Venter, otec společnosti Celera Genomics, která proslula rozluštěním dědičné informace člověka. Ten v dubnu 2002 ve svých laboratořích založil neziskovou organizaci Institute for Biological Energy Alternatives, získal vedle soukromé podpory také třímilionový grant od amerického ministerstva energetiky a pustil se do práce. První krok na dlouhé a klikaté cestě k vysněnému „umělému“ mikroorganismu pojídajícímu oxid uhlíku už má přitom tento tým úspěšně za sebou. Výrazně mu pomohlo, když se mu podařilo odhalit tzv. „minimální genom“, tedy nejmenší možný soubor genů, který ještě umožňuje prosté přežití a reprodukci buňky. Ukázalo se, že těchto genů je 265. Venter a jeho dlouholetý spolupracovník, laureát Nobelovy ceny Hamilton Smith, teď doufají, že se jim podaří tento soubor vložit do buňky pečlivě vybraného jednobuněčného mikroba, z něhož předtím jeho vlastní genetickou informaci odstraní. Tím uměle přivedou na svět nejjednodušší možnou bakterii.

Celé to vypadá jako nesrozumitelné laboratorní hrátky, pokud ale uspějí, mohli by opravdu odstartovat novou revoluci v průmyslu. Metabolismus takovéto minimální bakterie by byl totiž maximálně úsporný, takže pokud by do ní vědci voperovali geny schopné produkovat plasty nebo štěpit oxid uhlíku, spotřebovala by většinu přijaté energie právě na tyto účely. Výše zmiňovaný problém s nízkou efektivitou by tak mohl být překonán.

Přes počáteční úspěch jsou však Venter se Smithem od svého cíle stále daleko. Nestačí totiž všechny geny pouze vytvořit a bezchybně poskládat dohromady. Pokud tohle zvládnou, čeká je úkol ještě mnohem složitější – bude totiž nutné zajistit jejich ideální souhru. Něco jako udržet trvale skvělé vztahy každého s každým na pracovišti, kde je zaměstnáno 260 lidí, vysvětlují s oblibou vědci. Pokud by se to nepodařilo, mohlo by se výsledné chování bakterie velmi lišit od očekávání. Názorně to lze dokumentovat třeba na rozdílu mezi člověkem a šimpanzem. Oba dva tvorové mají prakticky shodnou genetickou výbavu, přesto jsou jejich schopnosti a možnosti od sebe propastně vzdálené. Liší se totiž ve vzájemné souhře jednotlivých genů.

Jak vařit z vody

Pokud plány Glena Evanse či Craiga Ventera a jejich spolupracovníků vyjdou, mohly by nakonec přispět nejen k revoluci v průmyslu, ale i převratu v energetice a dopravě. Nedávno totiž biologové zjistili, že bakterie Thermotoga neapolitana obsahuje gen, díky němuž je schopná zpracovávat organický odpad na čpavek, z něhož následně uvolňuje vodík. Tedy prvek, který je dnes špatně dostupný, skrývá však v sobě potenciál dokonale čistého a obnovitelného zdroje. Při jeho řízené chemické reakci s kyslíkem se totiž uvolňuje elektrická energie, přičemž jedinou zplodinou je voda, kterou je opět možné rozložit na původní stavební prvky – vodík a kyslík – a celý proces prakticky do nekonečna opakovat. Problém, proč toto úžasné perpetuum mobile zatím nenašlo široké využití, je jednoduchý: není dostatek vodíku. Jeho sloučenin – především vody – je sice na planetě k dispozici téměř nekonečné množství, uvolnit jej z nich však zatím dokážeme pouze za pomoci velmi drahých postupů, jež spotřebovávají velké množství energie. A ta se dnes nejčastěji získává prostřednictvím fosilních paliv, takže vodíkový projekt zatím představuje bludný kruh.

I tak už bylo této geniální technologie několikrát s úspěchem využito. První kyslíkovodíkové články se v praxi poprvé uplatnily v šedesátých letech minulého století, kdy s jejich pomocí americká NASA zásobovala elektřinou kosmické lodi Apollo během jejich cest k Měsíci. Další vývoj šel ale i přes známé ropné šoky v 70. letech pomalu. S vodíkovými palivovými články se nyní experimentuje především v automobilovém průmyslu, kde prakticky každý z velkých automobilových koncernů má rozpracovaný vlastní projekt elektromobilu poháněného právě prostřednictvím vodíku. Je to přitom zcela pragmatická investice. Poptávka po ekologicky šetrné dopravě bude sílit a auta, z jejichž výfuků místo koktejlu toxických zplodin vytéká pouze destilovaná voda, na ni mohou být ideální odpovědí.

O rostoucím významu vodíkové technologie a nadějích s ní spojených svědčí i skutečnost, že Bushova administrativa před třemi roky převedla prostředky, které do té doby vynakládala na vývoj automobilů s nízkou spotřebou, právě na zdokonalení a zlevnění aut s vodíkovým pohonem. „První auto, které si koupí dnešní děti, bude poháněno vodíkem,“ sliboval George W. Bush, když loni oznamoval, že zvyšuje federální dotace na výzkum vodíkových palivových článků z dosavadní 1 miliardy na 1,7 miliardy dolarů. Podobně se chová například vláda Kanady (v roce 2002 vyčlenila na vodíkový výzkum 160 milionů dolarů) či Islandu, jehož kabinet před dvěma roky odhlasoval program, podle něhož by do 25 let měly všechny spalovací motory na ostrově ustoupit elektromotorům poháněným vodíkem.

Penězi na tyto účely nešetří ani soukromí investoři. Například Royal Dutch/Shell, Mitsubishi Corp. a britská chemička Johnson Matthey založily vkladem 100 milionů USD investiční fond Conduit, jenž má finančně vstupovat do nadějných „vodíkových“ projektů.

Navzdory přízni investorů i politiků však nad vidinou ideálního hospodářství založeného na ekologicky čisté výrobě elektrické energie zůstává viset zmíněný fatální otazník: kde vzít dostatek vodíku. Venter se Smithem na něj konečně slibují odpověď.

Krásný nový svět

Ačkoli – jak už bylo řečeno – týmu z marylandského Institute for Biological Energy Alternatives nechybějí ambice, sebevědomí, optimismus, a dokonce ani úspěchy a peníze, krásný nový svět, v němž umělé formy života pomohou zajistit ekologicky čistý průmysl a otevřou brány vodíkovému hospodářství, které by zbavilo lidstvo závislosti na stále se tenčících zásobách fosilních paliv, stále není otázkou příštích měsíců či let.

Od složitých biochemických schémat poblikávajících na monitorech plánovačů je k „minimálním“ bakteriím fungujícím podle přání zákazníka pořád ještě daleko. I ty nejjednodušší organismy se totiž skládají ze stovek tisíc až milionů písmen (bází) DNA. Bezchybné navržení jejich přesné sekvence pro umělého mikroba tak, aby jeho metabolismus plnil očekávané zadání, si ještě vyžádá svůj čas. Navíc „Frankensteinovi inženýři“ nebudou mít vyhráno ani ve chvíli, kdy se jim to podaří. Jedna věc je totiž dědičnou informaci nového života naplánovat a druhá dokázat ji v praxi „napsat“ – tedy slepit jednotlivá písmena do funkčního řetězce DNA. Současnými metodami se totiž zatím nedaří vytvářet řetězce delší než pár set písmen. Nabízí se samozřejmě ještě možnost pokračovat v syntéze a spojovat tyto krátké úseky řetězce dále, dokud nebude sestaven celý požadovaný genom.

To je ovšem postup jak časově velmi náročný, tak enormně nespolehlivý, neboť pravděpodobnost výskytu fatální chyby je při něm příliš vysoká. Venterovi muži jsou tak přibližně v situaci člověka, který má za sebou prvních pár lekcí cizího jazyka, v němž musí bez jediného překlepu napsat mnohasetstránkový román. Zná už sice jednotlivá slova a rozumí jejich významu, je však velmi toporný ve vyjadřování a často přehazuje pořadí slov ve větě, aniž by si všiml, že tím mění její vyznění.

Již zmiňovaný ředitel kalifornské firmy Egea Biosciences Glen Evans však tvrdí, že i tato překážka může časem padnout. Naději přitom vkládá do prototypu přístroje, který vyvíjí jeho společnost a který on sám nazývá „textovým procesorem DNA“. Podle Evansových slov, jež ale zatím nelze ověřit, by měl být tento zázrak pro začátek schopen bez chyb vytvářet řetězce čítající až deset tisíc bází DNA, přičemž cílovým stavem je posunout možnosti této technologie ještě o řád výše, což už by se blížilo délce velmi jednoduchého bakteriálního genomu. A tím pádem i splnění dnešních snů.

(Respekt, www.respekt.cz)