Seznamka
Nedávno jsme si mohli přečíst v odborném, ale i denním tisku fascinující zprávu, že byl „rozluštěn“ lidský genom, přesněji, že bylo ukončeno jeho sekvenování, to znamená určeno pořadí písmen genetické (dědičné) abecedy. V souvislosti s touto zprávou se objevilo mnoho spekulací, co teď bude možné, jak těchto znalostí lidstvo může využít ke svému prospěchu, ale i jich zneužít a přivodit svou zkázu.
Zdůrazňuji, že jsou to z velké části opravdu spekulace, protože co známe, jsou vlastně písmenka a jejich sled, ale o tom, jak se z nich skládají slova, neřku-li věty, toho ještě moc nevíme.
Dnešní člověk je konfrontován s mnoha zprávami z oblasti tzv. genetického inženýrství (genových manipulací), týkajících se např. organismů s vnesenými cizími geny (transgenních organismů) nebo klonování (výrobě totožných jedinců), aniž je zpravidla informován opravdu objektivně.
Z jedné strany hlasitě protestují organizace typu Greenpeace varující před jakýmkoli použitím transgenních či klonovaných organismů a zdůrazňující všechna možná nebezpečí a z druhé strany zní hlasy některých nepříliš odpovědných vědců, kteří většinu nebo všechna rizika popírají či nedoceňují. Kde je pravda?
Jako obvykle, někde uprostřed a jako obvykle, každý z nás bude tyto otázky asi posuzovat trochu odlišně. Ale abychom se v problematice mohli orientovat a udělat si vlastní názor, je nutné jí alespoň v základu porozumět. O co se chci pokusit v tomto článku, je vysvětlit základy genových manipulací jazykem snad většině srozumitelným a položit si (i vám) otázku, kam až člověk smí jít ve svých zásazích do přírody, kde je hranice, za kterou už by jít neměl, neboť by se jednalo o nepřípustný zásah do Božího Stvoření?
Co mne opravňuje k napsání takového článku? Fakt, že jsem na jedné straně
odborník – rostlinný biolog (i když ne specialista na genové manipulace)
a na straně druhé člověk věřící a snažící se řídit veškeré své konání,
tedy i profesní, základními etickými normami.
1. Jak je v organismech uložena genetická informace?
Jak asi většina z vás ví, genetická informace (to je informace o
podobě, funkcích a vlastnostech organismů) je uložena v obrovské molekule
kyseliny deoxyribonukleové (DNK, častěji se užívá anglická zkratka DNA).
Tato obří molekula, která má molekulovou hmotnost v řádu miliónů, má v
zásadě velmi jednoduché chemické složení.
Její kostru tvoří molekuly cukru, který se nazývá deoxyribosa a které jsou vzájemně propojeny kyselinou fosforečnou. Na každou molekulu cukru je pak navázána jedna tzv. baze – jde o deriváty jednoduchých organických sloučenin purinu a pyrimidinu.
V DNA se tyto baze vyskytují čtyři: adenin, guanin, thymin a cytosin (A, G, T, C). A je to jejich pořadí v té obrovské molekule DNK, které je onou „genetickou abecedou“. Písmenka této abecedy určují, jaké bílkoviny, kdy a kde budou syntetizovány.
Bílkoviny jsou základní složky živých organismů (známe bílkoviny strukturní, funkční a regulační) a jsou složeny z aminokyselin. Každá aminokyselina je kódována třemi písmenky genetické abecedy, tj. třemi po sobě jdoucími bazemi v molekule DNK. Máme 4 baze, a tak trojpísmenkových kódů lze sestavit 64. Ale v bílkovinách se běžně vyskytuje pouze 20 typů aminokyselin, což znamená, že jedna aminokyselina je většinou kódována několika trojpísmenkovými kódy.
Jak je však informace předávána z buňky do buňky a potomstvu? DNK je uložena v jádře buňky ve formě dvoušroubovice - útvaru vzniklého vazbou dvou řetězců DNK, a to vždy tak, že adenin se váže s thyminem a guanin s cytosinem, takže oba řetězce jsou vlastně svým jakýmsi zrcadlovým obrazem) a stočením této „dvojité molekuly“ do tvaru šroubovice (lineární molekula by se nám do jádra buňky vlastně vůbec nevešla – rozvinutá molekula DNK může dosahovat délky až několika metrů).
Před rozdělením buňky se tato dvoušroubovice roztáčí a ke každému řetězci DNK je syntetizován řetězec druhý, stejný jako ten původní, a tak se do obou dělením vznikajících buněk dostává úplná a totožná genetická informace. V jádře se DNK nachází na pentlicových strukturách zvaných chromosomy a i ty se před dělením zdvojují, takže z jedné buňky vznikají její dvě věrné kopie.
Jak je tomu ale při pohlavním rozmnožování, kdy se spojují dvě buňky, vajíčko a spermie, aby daly vznik novému organismu? Jak se zabrání, aby nevznikl organismus s dvojnásobným množstvím DNK a chromosomů?
Při vzniku pohlavních buněk dochází k tzv. redukčnímu dělení a každá z těchto buněk tak obsahuje jen jednu sadu chromosomů. Spojením dvou takových buněk pak vzniká opět buňka s plnou sadou chromosomů – polovinu jich má od otce a polovinu od matky a tak dochází k předávání vlastností od obou rodičů. A pak již záleží na tom, které tyto vlastnosti jsou dominantní a projeví se při vývoji nově vzniklého organismu.
Vzhledem k velikosti DNK a k tomu, že potřeby organismu se rychle mění, zbývá odpovědět na otázku, jak buňka ví, kdy přepisovat kterou část DNK a tvořit které bílkoviny.
Dnes víme, že jen menší část DNK kóduje různé bílkoviny a tyto kódující oblasti nazýváme geny. Funkce ostatních, nekódujících oblastí DNK není dosud dostatečně objasněna. Každý gen začíná i končí specifickou sekvencí bazí (písmenek genetické abecedy), takže buňka snadno pozná místo počátku i konce přepisu. Každý gen má před kódem pro počátek přepisu oblast, která rozhoduje, kdy bude právě tento gen aktivní, tj. přepisován.
Mechanismů, které organismy používají k aktivaci či umlčení genů je
více a jejich popis je již mimo rozsah tohoto článku. Obecně však platí,
že v každém okamžiku je aktivně přepisována jen malá část genetické informace.
2. Jaké známe genové manipulace?
A. Transgenní organismy
Nejčastější genovou manipulací je vnesení cizího genu do organismu. Přenášet můžeme geny bakteriální, rostlinné i živočišné a opět do baktérií, rostlin či živočichů. Rozvoj této oblasti vědy a její případné využití bylo umožněno poznáním jednoho z mechanismů, který užívají některé bakterie či viry při napadení hostitelských organismů: vyštěpí pomocí specifických enzymů (funkčních bílkovin) určitou část své DNK a pomocí dalších enzymů tuto vyštěpenou část vpraví do DNK hostitele a tak jej donutí vyrábět to, co potřebují pro své množení.S pomocí zmíněných enzymů, které byly z bakterií izolovány, umíme dnes vyštěpit z velké molekuly DNK úseky (geny), které jsou pro nás zajímavé a vnést je do jiného organismu. K tomuto vnášení se často užívá i přírodního nástroje, již zmíněných bakterií či virů, do jejichž DNK byl vnesen příslušný gen. Uveďme si několik příkladů.
Z transgenních mikroorganismů je asi nejznámější běžná střevní bakterie Escherichia coli, do jejíhož genomu byl vnesen gen pro lidský hormon inzulín, jehož nedostatek působí cukrovku. Baktérie lze pěstovat ve velkých „tancích“, doba jejich generace je 7-10 dní a vylučují inzulín do média. Tímto způsobem získáváme levný a velmi kvalitní inzulín, proti němuž nebyly pozorovány žádné alergické reakce.
Tedy využití transgenního organismu jistě chvályhodné a téměř bezrizikové (i při úniku takových bakterií do prostředí by v konkurenci s přírodními kmeny s nejvyšší pravděpodobností rychle zahynuly). Ale úplně stejně lze vnést do bakterií či kvasinek geny pro velmi nebezpečné toxiny a asi si ani nechceme představovat, co by se dělo po vypuštění takových bakterií do vodovodní vody!
Takové biologické zbraně byly bohužel vyvinuty a pro jejich extrémní nebezpečnost je vývoj dalších biologických zbraní ve většině zemí zakázán a již existující zbraně byly zčásti zlikvidovány a doufejme, že brzy budou zlikvidovány všechny.
Poněkud složitější je situace u rostlin – tady jsme u transgenní sóji, případně kukuřice, které byly tolik proslaveny protestními akcemi Greenpeace. Jde o rostliny, do kterých byl vnesen gen kódující bakteriální toxin, vysoce toxický pro určité druhy hmyzu a neškodný pro člověka. Takové rostliny jsou proti danému hmyzu odolné a podobně můžeme získat rostliny odolné k působení některých herbicidů používaných k hubení plevelů, případně rostliny odolné vůči chladu či se zlepšenými výživovými hodnotami (zvýšený obsah vitaminů apod.).
Také lze získat rostliny, které produkují vakcíny proti určitým nemocem a takové rostliny (testují se např. banány) by bylo možno využít k imunizaci („očkování“) populace třetího světa vůči řadě nebezpečných chorob. Výhody takových rostlin jsou jistě každému zřejmé. Jaká jsou však rizika? Přímá rizika pro lidské zdraví nejsou podle mého názoru téměř žádná – v průběhu trávení jsou jak bílkoviny tak nukleové kyseliny rychle rozštěpeny na stavební kameny.
Výjimkou mohou být alergické reakce na bílkoviny – produkty vnesených genů. Známý je nedávný případ, kdy do bramboru byl vnesen rybí gen pro odolnost k nízkým teplotám a bílkovina tímto genem kódovaná vyvolala u lidí alergických na rybí maso alergické reakce. Ale alergicky reagovali a reagují lidé i na složky nových odrůd řady rostlin, které byly získány klasickým šlechtěním.
Vážnější otázkou je možnost narušení přírodní rovnováhy rovnováhy a používání odolnosti vůči některým antibiotikům. Jsou vyslovovány obavy, že by se transgenní rostliny mohly křížit s přírodními populacemi a vnést tak do nich cizí gen. Odborníci k tomu říkají, že bariéra o šířce několika metrů, zejména při osázení vhodnou nekřižitelnou rostlinou, tomuto nebezpečí zabrání.
Také se uvažuje o možném vlivu vysazování rostlin odolných vůči určitým druhům hmyzu na hmyzí populace a rovnováhu rostlinných a hmyzích společenstev. Je tedy na místě před zavedením těchto rostlin do praxe tyto otázky testovat a rizika snížit na minimum.
U živočichů se transgenoze provádí nejčastěji u hospodářských zvířat, zejména u skotu, ale i u ovcí, koz a prasat. První snahou bylo zvýšit a urychlit růst zvířat (přírůstek hmotnosti) vnesením genu pro růstový hormon z krysy. To se však zatím podařilo jen u některých ryb. Testuje se zvyšování odolnosti zvířat vůči některým chorobám či nepříznivým podmínkám (např. nízkým teplotám).
Vnesením různých genů by mělo být možné změnit skladbu látek obsažených v mléce, učinit ho stravitelnějším, obohatit mléko o některé, z hlediska lidské výživy důležité složky. Je také testována možnost produkce pro člověka léčebných bílkovin v mléce, krvi či moči. Transgenní hospodářská zvířata by také mohla poskytovat orgány pro transplantace nemocným lidem (testují se zejména prasata, jejichž orgány by nevyvolávaly prudkou imunitní reakci lidského organismu).
Stejně jako u rostlin, přímá rizika pro člověka jsou nízká. Mléko i maso transgenních zvířat by, až na možné alergické reakce, nemělo přinášet rizika. Navíc u většiny hospodářských zvířat nehrozí křížení s přírodními populacemi (to ovšem nemusí být pravda u ryb).
A jsme u člověka: řada nemocí je působena poškozením či špatnou funkcí jednoho jediného genu, a tak není divu, že je tu snaha tento gen v nemocných buňkách nahradit či „opravit“, nebo v případě nadměrné funkce umlčet. To se může dít buď v buňkách tělních a pak tato změna nebude dědičná (nebude přenášena na potomstvo) nebo v buňkách zárodečných (vajíčka, spermie) a pak děděna bude.
V této oblasti je zatím veliký problém technického provedení: ve velké
většině případů se dosud k přenosu genů do lidských buněk používají specielní
viry, z nichž byla odstraněna část jejich DNK odpovědná za jejich vysokou
nebezpečnost lidskému organizmu. Ale i takto upravené viry často vyvolávají
řadu nečekaných potíží a problémů. Rizika jsou tedy zatím značná, ale není
pochyb, že technologická stránka bude v budoucnosti vyřešena.
B. Klonování
To je slovo, které se dnes v úvahách o použití genových manipulací,
stává noční můrou mnoha z nás. Co je klonování? Je to získávání geneticky
shodných jedinců ze zárodečných buněk organismu.
Řekli jsme si výše, že při pohlavním rozmnožování získává jedinec sadu dědičné informace od otce a sadu od matky a je tedy kombinací jejich vlastností, a to kombinací dost těžko předpověditelnou, protože podle kombinace genů některé navenek (ve vzhledu a vlastnostech) převáží. Klonováním získáme jedince totožné.
U rostlin to není nic mimořádného, všichni víme, že řada rostlin se množí vegetativně (šlahouny, oddenky apod.) a tedy se samy „klonují“. Ale u živočichů je to již nemožné. Jak se tedy klonování u nich provádí?
Je několik možností: vyjde se z izolovaného vajíčka, z nějž se zvláštní technikou vysaje buněčné jádro a nese se do něj jádro tělní buňky daného organismu. Toto jádro má již dvě sady chromozómů a obsahuje tedy plnou informaci nutnou k vývoji organismu. Vajíčko s novým jádrem se vnese do dělohy matky, z níž bylo vyňato a tam se vyvíjí až do narození. Takto vznikla pověstná ovečka Dolly.
Podobně můžeme zacházet z buňkami z časného embrya vyšších živočichů. Z embrya získané buňky, tzv. embryonální kmenové buňky, lze však také dále kultivovat a množit „ve zkumavce“. Při vhodných podmínkách si tyto buňky uchovávají kompletní informaci k zabezpečení vývoje jedince. U těchto buněk můžeme určitým zásahem vyvolat vývoj na různé typy tkání – např. nervovou, srdeční, chrupavku apod.
Takto získané tkáně by pak mohly být využity k transplantaci a k léčení řady dosud neléčitelných chorob. Tento postup je zatím spojen s řadou metodických problémů – pokud by se užívaly tkáně získané z embryonálních buněk prasat či skotu, je zde otázka přenosu zvířecích chorob na lidi a nedořešené otázky imunitní reakce.
Pokud by se musely používat tkáně lidské, dostáváme se nezbytně k etickým otázkám manipulací s lidskými embryi. Ta jsou zatím získávána při provádění asistované reprodukce (oplodnění vyňatých vajíček „ve zkumavce“ a vrácení do dělohy matky – při této metodě se vždy připravuje více zárodků a do dělohy se vnáší jeden či dva).
Kmenové buňky se vyskytují téměř ve všech orgánech, nejen v embryích. Nedávno proběhla tiskem zpráva o pokusu o využití kmenových buněk z kostní dřeně a jistě se v řadě světových laboratoří hledají i další zdroje kmenových buněk.
Pokračování přístě
Autorka je ředitelka Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR
