Kompatibilní jako stavebnice LEGO – vědci vyvíjejí genetickou stavebnici pro zelené řasy

Mezinárodní vědecký tým kolem mladšího profesora Dr. Felixe Willmunda (vlevo) a profesora Dr. Michaela Schrody vyvinul genetickou stavebnici pro zelené řasy. (Foto: Koziel/TUK)

Grafika ukazuje, jak funguje stavebnice. Jednotlivé genetické bloky lze kombinovat jako Lega. (Foto: Schroda)

V dědičné informaci buněk je to podobné jako ve výrobních závodech: geny řídí a regulují výrobu proteinů. V průmyslu je často vhodný systém modulů, kdy lze vyměňovat výrobní linky, pokud je třeba vyrábět jiný produkt. Výzkumníci také pracují na tom, aby mohli kombinovat stavební bloky genů jako Lega. Takový stavebnicový systém s 119 funkcemi genových jednotek pro zelenou řasu nyní vytvořil mezinárodní tým vědců spolu s biology z Kaiserslautern. Z nich lze sestavit minifabriky z řas, které například vyrábějí barevné pigmenty nebo léčivé látky. Studie byla zveřejněna v odborném časopise „ACS Synthetic Biology“.

Legové kostky existují v mnoha různých velikostech, barvách a tvarech. Lze je libovolně skládat dohromady. Podobně jako u těchto malých stavebnic chtějí vědci také kombinovat části genů.

Gen se skládá z různých funkčních jednotek. Na začátku sekvence genu je například takzvaný promotor. „Ovlivňuje aktivitu genu a zajišťuje, že se vytvoří pouze určitá množství proteinu nebo že se gen přečte jen po určitou dobu,“ říká profesor Dr. Michael Schroda, který na Technické univerzitě Kaiserslautern (TUK) zastává katedru „Molekulární biotechnologie a systémové biologie“.

Tým kolem Schrody pracuje na rozdělení genů na tyto jednotlivé části. Kromě promoturu existuje ještě čtecí oblast s genetickou informací, kterou lze rozdělit na mnoho funkčních bloků: například takové, které řídí protein do určitých oblastí v buňce, způsobují jeho záření nebo umožňují jeho snadné extrahování z buněčných extraktů. Existuje také zastavovací oblast, kde končí čtení genetické informace. „Naším cílem je libovolně kombinovat takové jednotky z různých genů,“ dodává profesor.

V aktuální studii se mezinárodní tým vědců, včetně skupin Schrody a jeho kolegy z Kaiserslautern, mladšího profesora Dr. Felixe Willmunda, podařilo vytvořit stavebnicový systém s 119 genetickými funkcemi pro řasu Chlamydomonas reinhardtii. Podobně jako Legové kostky lze tyto genetické stavební bloky snadno skládat. „To je možné, protože jsou standardizované. Mají vždy definované sekvence na svých koncích, takže je lze sestavit v určitém pořadí,“ vysvětluje biolog z Kaiserslautern.

Speciální na studii je fakt, že řasa je vyšším organismem – eukaryotou, jak se v odborné terminologii říká. Dosud byly takové stavebnice spíše pro nižší organismy, například bakterie. „Řasa je mnohem složitější a má například více genů,“ říká mladší profesor Willmund, který se zabývá eukaryontovou genetikou. „Stejně jako bakterie se však velmi rychle množí, což ji činí zajímavou i pro průmyslovou výrobu.“

Řasy by mohly například sloužit jako mikrofabriky. „Pomocí genetické stavebnice lze relativně rychle vyrábět různé proteiny, od pigmentů po léčivé látky používané v medicíně,“ říká Willmund. Metoda je však zajímavá i pro základní výzkum. „S její pomocí můžeme jednoduše upravovat metabolické dráhy a podrobně je zkoumat,“ uvádí Schroda jako příklad.

Schroda se zabývá výzkumem v oblasti syntetické biologie. Tato poměrně nová vědecká oblast se mimo jiné zaměřuje na vytváření nových biologických systémů a přenos znalostí z inženýrských věd na molekulární procesy.

Při tom jsou také stanovovány standardy a normy, například u konců genových stavebnic. Díky tomu jsou tyto moduly snadno použitelné a libovolně kombinovatelné.

Práce probíhaly v rámci Sonderforschungsbereich (SFB Transregio TRR175) „The Green Hub – chloroplast jako centrum aklimatizace rostlin“. Tento projekt je financován Německou výzkumnou společností od roku 2016. Výzkumné týmy z Berlína, Potsdam-Golm, Mnichova a Kaiserslautern zkoumají, jak se rostliny dokážou přizpůsobovat měnícím se podmínkám prostředí.

Kromě vědců z Kaiserslautern se na studii podíleli také kolegové z Francie, Anglie, Dánska, Španělska a Bielefeldu. Práce byla publikována v prestižním odborném časopise „ACS Synthetic Biology“: „Birth of a photosynthetic chassis: MoClo toolkit enabling synthetic biology in the microalga Chlamydomonas reinhardtii“

DOI: 10.1021/acssynbio.8b00251