Syntetická biologie

Novým oborem výzkumu, kterým se v současnosti zabývá Expertní rada evropských akademií (European Academies Science Advisory Council – EASAC), je syntetická biologie, jež spojuje genetiku, chemii a inženýrství. Hlavním cílem syntetické biologie je vytvořit nové formy života, které se v přírodě nevyskytují. Expertní rada, která podporuje inovační trendy, si je vědeckého a komerčního potenciálu vědoma. Proto pro tuto novou oblast výzkumu sestavila pracovní skupinu nezávislých expertů, která pod vedením prof. Volkera ter Meulena vypracovala studii Realizace evropského potenciálu v syntetické biologii: příležitost pro vědu a efektivní řízení, která částečně navazuje na předchozí práci jednotlivých členských akademií. Zpráva zkoumá současný stav syntetické biologie a předkládá návrhy, jak by členské státy EU mohly přispět k jejímu dalšímu vývoji. V plném znění je ke stažení na webových stránkách EASAC.

V uplynulém desetiletí se vývoj v biologii dostal do středu zájmu veřejnosti, ale často také budil podezření, nepřátelství a občas i pozdvižení. V některých případech, jako je např. umělé oplodnění, společnost tyto pokroky akceptovala bez výhrad.
V jiných, jako jsou geneticky upravené organismy a práce s kmenovými buňkami získanými z embryí, se ještě musí přesvědčit, že jsou tyto technologie ve všech směrech bezpečné a žádoucí. Nástup syntetické biologie, jejímž cílem je vytvářet živé systémy z neživé hmoty, je vzrušující stejně jako jiné pokroky v biologii této dekády. Vyvolaly však také nepřátelské útoky a hanlivé komentáře, jak dokládají některé nedávno publikované novinové titulky (Vědci ohlásili přelom: Umělý život! Zpravodajství BBC, 2010; „Frankensteinova” laboratoř tvoří život ve zkumavce – Daily Express, Londýn, 2010; Vědci jsou obviněni z bohorovnosti – vytvořili umělý život. Stvořili mikroba z ničeho. Vyhubí to lidstvo? – Daily Mail, Londýn, 2010). O nevyzrálém pohledu na syntetickou biologii svědčí doposud relativně skromný objem tiskových zpráv, který souvisí s omezeným zájmem veřejnosti. Je pravděpodobné, že čím větší pokrok tento obor učiní, tím větší kontroverze vzbudí. Z tohoto důvodu chtějí autoři studie Expertní rady zahájit dialog mezi vědci a veřejností o budoucnosti této technologie a jejím potenciálu. Výměna názorů by přinesla naději na vytvoření kontextu, v němž by veřejnost mohla realisticky posoudit obavy, jež zkresleně předkládají některé senzacechtivé zprávy. Příspěvkem k dialogu je také tento stručný dokument.

Model dvoušroubovice DNA

Co je syntetická biologie?

Syntetická biologie je aplikací principů technických věd v biologii. Její součástí může být i účelová rekonstrukce živých organismů nebo jejich částečné přetvoření, k němuž by přirozeným způsobem nedošlo. Pokusy, které se neomezují jen na přetváření živých organismů, ale mají za cíl vytvářet něco nového – život z neživé hmoty –, jsou stále ambicióznější. Modifikace živých organismů, např. technologií rekombinantní DNA (genetické inženýrství), není sama o sobě novým podnikem; syntetická biologie se překrývá s mnoha dalšími vědními obory. Existují ovšem mnohem vyšší ambice: vytvořit živé organismy, které budou odpovídat specifickým potřebám a přáním lidí.

Výzkum syntetické biologie trvá pouhé jedno desetiletí. První oddělení syntetické biologie otevřela větší výzkumná instituce – americká Národní laboratoř Lawrence Berkeleyho – v roce 2003. Právě američtí vědci povětšinou stáli v počátcích tohoto výzkumu, byť aktivní výzkumné týmy mělo již také několik evropských států.

Následoval rychlý rozvoj. Posledním milníkem byla transplantace syntetického genomu, resp. nového souboru genetických informací do buňky příjemce, kterou realizovali výzkumníci pod vedením amerického biologa Craiga Ventera. Přes prohlášení, že se jedná o první úspěšný pokus stvořit život, se tak v tomto případě nestalo. DNA obsahující soubor genetických informací, které C. Venter se svými kolegy použil, byla skutečně získána z neživé hmoty. Buňka, do níž ji transplantovali, byla schránkou existující bakterie Mycoplasma mycoides, z níž byl odstraněn původní obsah. To, co vědci provedli, by se dalo přirovnat ke staršímu autu, jemuž dali nový motor. Pokus se ale stal významným mezníkem, který prokázal možnosti syntetické biologie.

Proč se syntetickou biologií zabývat?

Syntetická biologie je pro některé vědce sama o sobě cílem, totiž novým způsobem studia živých organismů. Syntetické organismy mohou být utvářeny mnohem jednodušeji než přirozené, a proto výzkumníkům umožňují pokusy, které by jinak mohli provést jen stěží nebo by je nemohli dobře interpretovat. Pro společnost spočívá význam syntetické biologie v jejím sociálním a komerčním potenciálu. Odhady zahrnující aplikace od medicíny po zemědělství uvádějí, že by celosvětový trh se syntetickou biologií měl v roce 2013 dosáhnout 2,4 miliardy amerických dolarů.

Využití syntetické biologie je mj. následující: energetika – na zakázku vytvořené mikroorganismy, které by produkovaly vodík a jiná paliva nebo vytvářely umělou fotosyntézu; medicína – výroba léčiv, vakcín, diagnostických činitelů a vytváření nových tkání; životní prostředí – odhalování zdrojů znečištění a havárií a jejich případná likvidace; chemický průmysl – výroba čistých chemikálií nebo chemická velkovýroba včetně proteinů, které by poskytovaly alternativu přírodních vláken nebo existujících syntetických vláken; zemědělství – nové potravinářské přísady.

Odborníci také zvažují, která z aplikací nejvíce ovlivní trh, mnozí však předpovídají největší náskok pravděpodobně biopalivům. Syntetická biologie totiž může urychlit vývoj biopaliv druhé generace, která se dají získávat z agroodpadu a zbytků zemědělských plodin. Vyhneme se tak konkurenci s plodinami pěstovanými k potravinářským účelům.

Barevně rastrovaný elektronový mikrosnímek syntetické bakterie Mycoplasma

Co od syntetické biologie očekáváme?

Nedávný průzkum toho, jak syntetickou biologii vnímá veřejnost, který zadala britská Královská technická akademie, odhalil velice omezené znalosti. Když však získali zástupci veřejnosti o syntetické biologii informace, začali se zajímat zejména o možnost tvorby mikroorganismů, které umějí vyrábět biopaliva a léčiva. Vyjadřovali ale také obavy, např. z úniku umělých organismů do životního prostředí při boji se znečištěním. Ačkoli požadovali, aby vláda syntetickou biologii usměrňovala, současně si uvědomovali, že přehnaná regulace by mohla její vývoj zastavit.

Proč Expertní rada vypracovala studii o syntetické biologii?

Komunita vědců, kteří se v Evropské unii věnují syntetické biologii, se stále rozrůstá. O tomto tématu nedávno jednalo několik akademií sdružených v Expertní radě. Jejich zástupci došli k závěru, že je potřeba více podnítit tento výzkum a vytvořit ucelenou strategii v celé EU. Právě z těchto důvodů nabídla Expertní rada Evropské komisi studii, která analýzy a perspektivy některých členských akademií shrnuje.

Cílem studie je také prozkoumat několik politických souvislostí. Mezi ně patří: příspěvek syntetické biologie ekonomickému růstu • vědecké a technické problémy, které musejí být překonány, aby se mohl realizovat její potenciál • potřebné vzdělání a investice do výzkumu a vývoje • překážky, jež by mohly plán zhatit včetně obecného nedorozumění či nepřátelství • eventuální potřeba nových směrnic v oblasti biobezpečnosti, bioochrany a vývoje výrobků • vyhlídky evropské syntetické biologie ve světové konkurenci.

Jaký výzkum chtějí vědci provádět?

Syntetická biologie má mnoho různých cílů, kterých se dosahuje rozličným způsobem. Některé cíle a metodologie jsou běžné také v ostatních oborech biologie, proto nelze syntetickou biologii jasně a přehledně definovat. Někteří vědci se snaží spojit skupinu molekul, aby dosáhli určitého záměru, např. vyrobili nové chemikálie. Tento modul může být vložen do živého organismu, a tím jeho původní činnost modifikovat. Organismus je tak stimulován, aby něco dělal nebo se choval jinak než v normálním režimu. Jiní vědci se pokoušejí zvládnout ještě náročnější úkol: chtějí vytvořit nové, nezávislé umělé organismy, které by se uměly množit. Studie Expertní rady uvádí několik příkladů postupu syntetických biologů.

Minimální genomy

Vědci zamýšlejí definovat minimální počet genetických instrukcí, genů potřebných pro organismy k přežití. Většina výzkumů se provádí na bakteriích, z nichž se postupně odstraňují geny, čímž odhalují ty, které jsou pro život podstatné a které nikoli. Dříve se odhalovalo, že minimální počet nezbytných genů je 500–800, avšak následné práce uvádějí počet nižší, přibližně 300–400. Tyto poznatky umožňují navrhnout a vytvořit buněčné továrny, jejichž produkce bude záviset na genech, které se k těm základním přidají, aby byla zachována existence organismu. Jejich důkladné poznání pomůže bioinženýrům nejen vytvářet nové, specializované organismy vyloučením zbytečných genů, ale i vytvářet nové organismy z ničeho. V budoucnosti lze předpokládat, že bude vytvořen určitý základní genom, který budou mít badatelé k dispozici. Bioinženýři tak budou moci přidat jakékoli nezbytné části k provedení daného úkolu. Hojně diskutované je vytvoření bakterie, jež by produkovala vodík nebo jiné palivo. Škála možných aplikací je pestrá.

Ortogonální biosystémy

Genetické informace, které ke své existenci potřebují všechny živé systémy, jsou uchovávány v kódované podobě v posloupnosti čtyř typů dílčích informací, jež vytvářejí dlouhý řetězec molekul DNA. Výzkumníci provádějí pokusy různými typy modifikací systému tak, že přenášejí instrukce k vytváření bílkovin, které v přírodě nenajdeme. Ještě radikálnější je nápad syntetizovat a využívat DNA k vytváření nového typu genetického materiálu. Taková alternativní molekula by měla mít vlastnosti srovnatelné s vlastnostmi DNA (uchovávání informací, schopnost samoplození atp.) a měla by být schopna se chovat obdobně. Živé systémy založené na takové alternativě by se neměly vzájemně ovlivňovat s konvenčními formami života založenými na DNA, což by mohlo být výhodné z hlediska bezpečnosti.

Metabolické inženýrství

Jinou aplikací syntetické biologie je vytváření nových biosyntetických postupů výroby užitečných látek, které živé organismy normálně neprodukují. Často se zmiňuje příklad modifikovaných buněk kvasinek nebo bakterie Escherichia coli produkujících artemisinin, antimalarickou drogu, která se tradičně získává (v nepoměrném množství) z pelyňku ročního (Artemisia annua). Vědci odhadují, že by získávání artemisininu z kvasinek snížilo výrobní náklady o 90 %. Další příklady metabolického inženýrství:
výroba protirakovinné látky taxolu z pivních kvasinek (Saccharomyces cerevisiae) • vytvoření sloučeniny pavoučího hedvábí využitím bakterie Salmonella typhimurium • výroba druhé generace biopaliv v kvasinkách a syntetizace hydrokortizonu z glukózy – taktéž v kvasinkách.

Regulační obvody

Přirozenou činnost buněk kontrolují obvody genů analogické obvodům elektronickým. Jiný způsob, jak přimět buňky, aby dělaly něco nového, proto spočívá ve vytvoření nové vnitřní soustavy obvodů, aby byl pozměněn vzorec jejich chování. Mělo by jít sestavit umělou genovou síť z důkladně prozkoumaných genetických součástek, které se chovají jako molekulární přepínače. Tyto sítě, pospojované a zasazené do přirozených systémů, mohou badatelé využít ke kontrole jejich činnosti – kdy a jak často něco dělají. Poté, co se umělá síť integruje do vhodné buňky, ji lze využít k pochopení a k opravě metabolických poruch, jaké například nalézáme u cukrovky.

Umělecké ztvárnění umělé prabuňky, ze které vznikají dvě dceřiné buňky.

Prabuňky

Nejpozoruhodnějším počinem syntetické biologie je snaha vytvořit syntetické buňky schopné samy se smontovat, spravovat a rozmnožovat. Ačkoli je třeba překonat spoustu překážek; jedná se o realistický úkol, na němž pracuje několik výzkumných týmů. Jedním z takových projektů, které financuje Evropská unie, je i Programovatelná evoluce umělých buněk (PACE).

Bionanověda

Mezi novější vědecké obory patří také nanotechnologie neboli inženýrství systémů na molekulární úrovni. Motory a jiné přístroje, které se na této úrovni vytvářejí (nebo projektují), jsou relevantní pro vědce působící v oblasti syntetizace celých buněk nebo živých systémů. Nanověda a syntetická biologie se natolik překrývají, že je obtížné a zbytečné jejich vzájemné hranice definovat.

Jaká rizika syntetická biologie přináší?

Rizika spojená s vývojem syntetické biologie jsou dvojího druhu: biobezpečnost před neblahými následky náhodných nebo nepředvídatelných událostí a bioochrana před zneužitím poznatků syntetické biologie, například ve zbrojení.

Biobezpečnost

Mnoho oblastí biologického výzkumu vzbuzuje obavy. Syntetická biologie určité ohrožení skutečně přináší. Lze si představit, jakou reakci by vyvolalo, kdyby z laboratoře unikl do životního prostředí nový, samostatně se množící organismus, který by mohl způsobit nejrůznější škody v závislosti na vlastnostech a schopnostech, jakými by jej tvůrci obdařili. Tato eventualita s nepředvídatelnými následky by se dala minimalizovat vytvořením organismů závislých na živinách nebo jiných základních látkách, které se v přírodě nevyskytují. Avšak ani to není spolehlivý recept, protože mnoho mikrobů má schopnost přenášet geny „horizontálně“, resp. vyměňovat si části genetických informací s jinými mikroby svého druhu a dokonce i se zástupci jiných druhů. Navíc noví, samostatně se množící mikrobi by pravděpodobně měli schopnost se vyvíjet a získávat nebezpečné vlastnosti. S jakýmkoli syntetickým organismem bychom proto měli nakládat v souladu s nejvyššími bezpečnostními standardy. V přepracované podobě například s těmi, které vědci navrhli pro zacházení s geneticky upravenými organismy a jež by podléhaly přísným předpisům na národní a evropské úrovni.

Také vypuštění syntetického organismu, které by nebylo zcela náhodné, přináší další komplikace. Aby totiž nový mikrob navržený k likvidaci znečištění životního prostředí, mohl svůj úkol vykonat, musí být do tohoto životního prostředí volně vypuštěn. Vědci, kteří o podobné možnosti vážně uvažují, si musí být naprosto jisti, že takový organismus s největší pravděpodobností nevyvolá nepředvídatelné události.

Bioochrana

Jakkoli jsou odpovídající směrnice důležité, poskytují jen omezenou ochranu před bioteroristy, kteří by mohli syntetickou biologii zneužít jako zbraň. Skutečná míra této hrozby je předmětem diskusí. Podle některých vědců by bylo jednodušší zneužít přirozené patogeny než ty zcela nové. Před deseti lety ale CIA publikovala zprávu, že by syntetická biologie mohla vytvořit umělé mikroby schopné vyvolat mnohem horší nemoci než jaké lidé doposud poznali. Z toho vyplývá, že je zlepšování bioochrany, přinejmenším, prozíravé. Základy položil již tzv. Interakademický panel tím, že formuloval principy, které je třeba brát v úvahu, když se vytvářejí etické zásady potřebné pro minimalizaci zneužití výzkumu pracovníky v biologických vědách. Tyto principy zahrnují:
informovanost o možných následcích výzkumu a odmítnutí práce, která by mohla mít pouze škodlivé následky • dodržování kvalitních laboratorních pracovních směrnic • znalost a podpora národních a mezinárodních zákonů a opatření k prevenci zneužití výzkumu • souhlas s povinností oznámit jakoukoli činnost porušující zákony, jako je např. Úmluva o biologických a toxických zbraních.

Zjednodušení přístupu k řetězcům DNA, resp. k souborům genetických informací, umožní přejímat metody molekulární biologie oborům (např. technickým), které mají malou zkušenost s biologickými činiteli. Mají-li být dodrženy standardy biobezpečnosti i bioochrany, je důležité, aby nováčci v komunitě biologických věd znali potenciální rizika.

Paralelně s tímto vývojem probíhá debata o správné rovnováze mezi vědeckou samosprávou a zákonnými ustanoveními. Jeden z průzkumů ukázal, že syntetičtí biologové pokládají za důležité zamezit odporu veřejnosti, který by podkopával práci na geneticky upravených organismech v zemědělství. Zdá se, že většina podporuje součinnost mezinárodních směrnic, národních zákonů a autoregulace doprovázenou podněty v oblasti veřejného vzdělávání a osvěty.

Kdo má v syntetické biologii práva na duševní vlastnictví?

Někteří komentátoři stále namítají, že by syntetická biologie, podobně jako třeba vývoj ve výzkumu řetězce genů, neměla být patentovatelná. Trvají na tom, že poznání má být volně přístupné. Avšak patentovatelnost biotechnologických vynálezů je obecně dobře zajištěna směrnicemi Evropské komise a spravována Evropskou patentovou úmluvou. Otázka patentování v tomto oboru se tedy bude ještě diskutovat.

Objevují se zejména dva problémy: vytvoření patentů s příliš rozsáhlou ochranou by mohlo posílit monopoly, brzdit spolupráci a utlumit inovační aktivity ostatních vědců • naopak udělování patentů s úzkou ochranou by mohlo bránit následným aplikacím, protože složitá licenční ujednání by obnášela jednání s mnohonásobnými držiteli. Multidisciplinární povaha syntetické biologie vyžaduje patentové expertizy z několika odlišných oborů, což by mohlo tyto problémy prohloubit. Anebo by také nemuselo; podle jednoho z alternativních názorů jsou jednotlivé, individuální subjekty, které koncipují syntetickou biologii, relativně dobře schopny se společně přizpůsobit. Ať už tak či onak, EASAC nabádá patentové úřady k opatrnosti, když někdo žádá o udělení patentů s rozsáhlou ochranou.

Jako jinde v biologických vědách i zde existují alternativy k tradičním patentovým ujednáním. Sdílení informací, např. v patentových portfoliích, se už využívá ve farmaceutickém průmyslu. EASAC doufá, že členské akademie pomohou vytvářet badatelské prostředí otevřené spolupráci v syntetické biologii, které bude současně povzbuzovat investory a vyhne se porušování stávajících práv. Vědci zabývající se syntetickou biologií se musí učit od nejrůznějších výzkumných společenství, jež už v biologických vědách působí; řada z nich již přijala závazek otevřené inovace.

Digitálně vytvořený obraz threózy (kyselina TNA), syntetické molekuly podobně strukturované jako DNA a RNA

Co EASAC doporučuje?

Studie adresovaná politickým činitelům Evropské unie klade celou řadu otázek, které by měly být zodpovězeny, pokud má Evropa k rozvoji syntetické biologie plně přispět a maximálně z něj těžit. Předmětem otázek, o nichž z větší části pojednává i výtah z této studie, je též výzkumná kapacita a vysokoškolské vzdělávání v Evropě, ochrana inovací, dialog s veřejností, biobezpečnost, bioochrana a právní předpisy. V těchto oblastech také přináší doporučení. Jejich výčet by byl v tomto abstraktu příliš rozsáhlý – od specifických (např. aby EU kontrolovala schvalování nových výrobků, které pocházejí ze syntetické biologie a měly by spadat do stejného právního rámce jako ty, jež pocházejí z jiných zdrojů) k obecným (např. důležitost pokračování diskuse o etických aspektech syntetické biologie).

Studie Expertní rady v závěru konstatuje, že syntetická biologie je mladý obor, jehož rychlý rozvoj a přesah do dalších technologií je výzvou pro politické činitele. Zatím ale stále nedošlo ke shodě, zda se jedná o transformační technologii, a pokud ano, dá-li se zařadit do stávajícího rámce, který vědu usměrňuje. Nejenže syntetická biologie pomáhá porozumět přirozeným biologickým systémům, může také významně přispět k inovačnímu procesu a ke globální konkurenceschopnosti zemí EU. Má-li lidstvo vytvářet živé systémy, měla by se Evropa na jejich vývoji a využití výrazně podílet.

Děkujeme členům pracovní skupiny EASAC, kteří se podíleli na vypracování celé studie o syntetické biologii:
Volkeru ter Meulenovi (Würzburg),
Bärbel Friedrich (Berlín),
Adamu Kraszewskému (Poznaň),
Ulfu Landgrenovi (Uppsala),
Peteru Leadlayovi (Cambridge),
Gennaro Marinovi (Neapol),
Václavu Pačesovi (Praha),
Bertu Poolmanovi (Groningen),
György Pósfaiovi (Szeged),
Rudolfu Thauerovi (Marburg),
Georgu Thireosovi (Atény),
Jeanu Weissenbachovi (Evry).

Děkujeme rovněž Geoffu Wattsovi (Londýn) za jeho podporu při psaní souhrnu celé studie.

Expertní radu evropských akademií (EASAC) tvoří národní akademie věd členských států EU. Umožňuje jim vzájemně spolupracovat při poskytování poradenství evropským politickým činitelům. Umožňuje tak vytvářet kolektivní hlas evropské vědy, který je slyšet.

Akademie sdružené v Expertní radě spolupracují na poskytování nezávislého, odborného, fakty podloženého poradenství o vědeckých aspektech veřejné politiky těm, kdo jsou politicky aktivní či ovlivňují dění v evropských institucích. EASAC čerpá ze zkušeností členských akademií a jejich sítí a má přístup k tomu nejlepšímu z evropské vědy. Její názory nejsou komerčně ani politicky předpojaté a ve svém konání je otevřená a transparentní. Expertní rada si předsevzala poskytovat poradenství, které je srozumitelné, relevantní a aktuální.

Rada EASAC má 25 individuálních členů a podporuje ji profesionální sekretariát se sídlem v Leopoldině, v Německé akademii věd v Halle nad Sálou. Expertní rada má též kancelář v Bruselu v Belgických královských akademiích věd a umění.

• Academia Europaea • Federace evropských akademií (ALLEA)
• Vlámská královská akademie Belgie • britská Královská společnost
• Bulharská akademie věd • Akademie věd České republiky
• Královská dánská akademie věd a vzdělanosti • Estonská akademie věd
• Delegace finských akademií • francouzská Akademie věd
• Královská irská akademie • Národní akademie Lincei – Itálie
• Lotyšská akademie věd • Litevská akademie věd
• Maďarská akademie věd • Německá akademie věd Leopoldina
• Královská nizozemská akademie věd a umění
• Polská akademie věd • Lisabonská akademie věd
• Rakouská akademie věd • Aténská akademie
• Slovenská akademie věd • Slovinská akademie věd a umění
• Španělská královská akademie věd
• Královská švédská akademie věd
• Norská akademie vědy a vzdělanosti
• Švýcarská akademie věd
• Federace evropských lékařských akademií (FEAM)

Překlad: Robert Zika, Kancelář AV ČR