Bioinformatika - na půl cestě mezi algoritmy a životem - 2

Do bioinformatiky bývá dnes zařazováno leccos, toto slovo je dnes docela populární mj. i mezi investory a zakladateli start-upových firem. Snad tahle popularita souvisí se zvýšeným zájmem o interdisciplinární vědní obory, současně ale často dochází k určitým zmatkům. V následujícím textu se tyto zmatky pokusíme trochu projasnit v rozhovoru s Fatimou Cvrčkovou, která na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy přednáší mj. právě úvod do bioinformatiky.

Bioinformatika - na půl cestě mezi algoritmy a životem


Jaké hlavní přínosy může dnes bioinformatika nabídnout? Jaké nové léky byly díky těmto metodám uvedeny na trh, kam dospěla farmakogenomika, jak blízko jsou různé miniaturní strojky pracující přímo v živých buňkách?

Dalo by se říci, že snad za všechny praktické výstupy molekulární biologie vděčíme bioinformatice. Takové konstatování je ale triviální, skoro jako kdybychom řekli, že za všechny výstupy vědy vděčíme tomu, že naši předkové vynalezli písmo, nebo že se naši ještě dávnější předkové naučili chodit po dvou.
Mám-li se pokusit odpovědět netriviálně, tak navzdory veškeré mediální slávě kupodivu těžištěm uplatnění molekulárně biologických poznatků, hlavně těch „se zvýšeným podílem bioinformatiky“, není genová terapie. Zajímavou oblastí uplatnění je vývoj nových léčiv, popřípadě optimalizace účinných látek. Firmy se pochopitelně příliš nechlubí, jak to dělají, ale velice často se nemohou vyhnout krokům, kdy je nutné testovat třeba i tisíce jen mírně odlišných chemických sloučenin na jednoduchém modelovém systému. Může to být třeba buněčná kultura, jejíž odpověď se pak sleduje pomocí DNA čipů. Pokud je známo, která molekula má být cílem působení léku, lze výběr testovaných variant značně omezit, jestliže známe i trojrozměrnou strukturu cílové molekuly. Pak totiž lze varianty předběžně testovat „na sucho“ v počítačovém modelu, a jen ty nadějné pak i opravdu vyrábět v syntetické laboratoři. Troufnu si odhadnout, že jeden či druhý přístup se dnes uplatňuje u významné části nově zaváděných léků.
Naprosto zřejmý je také přínos molekulární biologie v oblasti diagnostiky v nejširším smyslu. Tahle oblast aplikací je možná ještě zajímavější než vývoj léčiv, také proto, že je méně spoutaná bezpečnostními předpisy. Pokud metoda nepočítá s tím, že by se pacientovi něco podávalo, není třeba testovat její neškodnost, a stačí zabývat se „jen“ účinností a spolehlivostí. Nemusí ale jít jen o aplikace v lidské medicíně, svého druhu diagnostikou je totiž i vyhledávání vloh k vlastnostem, které ovlivňují třeba odolnost rostlin k suchu, zasoleným půdám a podobně. Dá se to pak využívat k cílenému šlechtění plodin s požadovanými vlastnostmi; tohle dlouho a dobře dělají třeba na univerzitě v Jeruzalémě.

Několikrát jsme již narazili na DNA čipy. Kde se uplatňují dnes a kde předpokládáte jejich nasazení v blízké budoucnosti?
Asi bude na místě začít vysvětlením, co to vlastně DNA čipy jsou. Jejich princip spočívá v tom, že na skleněnou či plastovou destičku nalepíme „mřížku“ z definovaných fragmentů DNA, a pak destičku s těmito sondami vykoupeme v roztoku, který obsahuje zkoumaný vzorek – složitou směs, ve které chceme měřit množství jistých typů molekul RNA (genových produktů), které se specificky chytají na naše sondy. Destičku vytáhneme, opláchneme, a pak už jen změříme, kolik se na které políčko mřížky nalepilo. Když to uděláme šikovně, můžeme na jedné destičce – tedy čipu – umístit sondy odpovídající až desítkám tisíc genů. Z minimálního množství materiálu tak dostaneme informaci o tom, které geny jsou zapnuté a které vypnuté, a dokonce i jak silně. Člověk má asi 40 000 různých genů a na pokrytí celého lidského genomu přitom stačí jen několik čipů. Samozřejmě celý postup není tak jednoduchý – je o tom celé vědní (nebo metodické?) odvětví, které se nazývá transkriptomika.
Podíváme-li se do katalogu firmy Affymetrix, která je dnes nejvýznamnějším producentem DNA čipů, zjistíme, že dodává kompletní systém – hardware, software i samotné čipy – a na uživateli už zůstává jen příprava vzorku a případně zadání požadavků na konstrukci čipu „na míru“. Konsorcium několika evropských laboratoří s centrem na univerzitě v Nottinghamu si tak třeba nechalo navrhnout čip, který pokrývá přes dvě třetiny známých genů huseníčku (Arabidopsis, jednoho z modelových organismů rostlinné molekulární genetiky) a ten se teď používá k velmi důkladnému mapování funkce těchto genů za nejrůznějších podmínek. Výsledky jsou odborné veřejnosti k dispozici ve volně přístupné databázi, a každý se může prostřednictvím webové aplikace podívat na chování konkrétních genů, které ho zajímají.
Většinu katalogové nabídky čipů Affymetrix ale tvoří čipy pro lékařskou diagnostiku. Ty obsahují třeba široký výběr genů, které se uplatňují při vzniku určitých typů nádorů. Tuším, že v současnosti sice možná většinu odbytu firmy zajišťují výzkumná pracoviště, ale dá se čekat, že se transkriptomické metody budou čím dál tím víc uplatňovat i v rutinních klinických vyšetřeních, zejména pokud se celou technologii podaří výrazně zlevnit.

Řada vizionářů vkládá velké naděje do okamžiku, kdy se sekvenování stane tak rychlé a levné, že budeme "mapu" své DNA nosit na nějaké elektronické obdobě zdravotní karty. Kdy k tomu podle vás může dojít?
Nemyslím si, že vývoj půjde tímhle směrem. My si totiž svou genetickou mapu už teď nosíme v každé kapce krve. Položme si otázku, co je výhodnější: zmapovat (neříkám osekvenovat, to by bylo ještě nákladnější) každého jedince pokud možno v okamžiku narození, vybavit celou populaci kartou, starat se o databáze, nosiče a terminály – a nebo raději vyvíjet metody na to, abychom mohli zmapovat, popřípadě osekvenovat, to, co je aktuálně potřeba, co nejrychleji a co nejlevněji? Když dostanete angínu nebo si zlomíte nohu, nebude vám asi sekvence čehokoli k ničemu. Pokud byste ale dostal rakovinu nebo nějakou vzácnou autoimunitní chorobu, velmi by se hodilo, kdyby bylo možné během dvou dnů ze vzorku vaší krve osekvenovat to správné jedno procento vašeho genomu, na kterém v konkrétním případě záleží.
Přitom tuším, že problémem možná už ani teď není rychlost sekvenování a snad ani jeho cena, ale spíš to, že zatím jen málokdy víme, které je to pravé procento.

Jakým směrem se podle vás bude ubírat vývoj a role geneticky upravených organismů?
Čekala bych, že podobným, jako posledních asi tak osm tisíc let. My totiž své okolí „geneticky upravujeme“ už od chvíle, co jsme si začali vybírat a přednostně pěstovat či chovat rostliny a živočichy, kteří se nám z nějakého důvodu líbí, nebo nám chutnají - tedy od neolitu. Potíž je v tom, že dokud zemědělci vozili brambory z Ameriky do Evropy nebo králíky z Evropy do Austrálie, a šlechtitelé křížili rybíz s angreštem, považovalo se to za normální součást vývoje. Občas je prostě nutno riskovat průšvih, protože všechno předpovídat nelze. Nikdo nemohl předem zaručit, že z křížence rybízu s angreštem vzejde nenápadný keřík s poměrně chutnými, i když trochu kožnatými a chlupatými bobulemi, který se ještě dnes občas po jménem Josta (Johannisbeere-Stachelbeere) najde po našich zahrádkách. Zrovna tak se mohlo zrodit nezničitelné rychle rostoucí trnité křoví, schopné během pár let pohltit celou zahrádkářskou kolonii a pustit se do sousedícího města.
Co je ovšem nové, a co mne osobně dost znepokojuje, je přístup naší civilizace k moderním genetickým technikám. Kdyby dnes někdo chtěl velmi cíleně přenést z rybízu do angreštu jeden jediný gen, bude muset napřed dalekosáhle přesvědčovat veřejnost, že všepohlcující trnité křoví nevznikne (teď možná trochu přeháním, ale zase ne až tak moc). Jsme posedlí jistotou a bezpečností (až na to, že máme „slepou skvrnu“ jménem automobilová doprava) a zvykli jsme si od vědců očekávat, že nás předem ujistí, že žádné riziko neexistuje. Poctivý vědec takovou jistotu poskytnout nemůže, může nanejvýš poukázat na to, že neexistuje žádné riziko specifické pro ony technologie.
Myslím, že je vlastně dobře, že se poslední dobou vynořují i kritikové, kteří se ohánějí argumenty citovými a estetickými, a nejen pseudoracionálním zdůvodňováním v duchu „bezpečná jsou jen ta rajčata, která neobsahují žádné geny“. A to přesto, že nemohu pochopit, proč by světélkující králík, kterému se v kožichu dělá zelený fluorescenční protein, měl být méně králíkem, než je maltézský pinč vlkem, a proč by snad zelené světélkování mělo ubližovat králíkově králičí důstojnosti, zatímco vlčí důstojnost maltézského pinče zůstává nedotčena. Takovým argumentům ale nelze čelit kalkulacemi ekonomického přínosu nebo odhady rizika. Je už konečně na čase, aby se i vědci přihlásili k tomu, že věda sama – je-li praktikována dobře a s pokorou – je i lidským příběhem plným tajemství a krásy, který snad stojí za úctu a opatrování alespoň tak jako Karlův most.

Myslíte, že projekty počítající s budováním nějakých úplně nových organismů jsou v současné době reálné? K čemu nám takové organismy budou dobré?
Myslím si, že reálné nejsou, a nedivila bych se, kdyby to byla záležitost principiální, nejen záležitost dosud nedokonalého poznání této doby.
Již zmiňovaný pan Venter sice před časem rozvířil veřejné mínění prohlášením o tom, jak se chystá sestrojit umělou bakterii, ale při bližším pohledu se ukazuje, že vlastně neměla být tak docela umělá. Měl totiž v úmyslu vzít přirozenou bakterii a po kouskách jí vyměnit genom za umělý. Pokud by to i nadále žilo a množilo se, byl by to velice dobrý důkaz, že už beze zbytku známe všechny opravdu nezbytné geny bakteriálního genomu (tolik také ke smyslu podobného počínání). Ale genom ještě není buňka, a úvahy o sestrojení buňky jsem zatím našla jen u novinářů a spisovatelů sci-fi. Od velice mlhavého dávna vznikají buňky vždy jenom dělením stávajících buněk. Dosud se nikomu nepovedlo ani oživit třeba i jen bakterii právě čerstvě zabitou, nebo dokonce i jenom sestavit plně funkční membránovou organelu rozebranou na molekulární součástky. Silně pochybuji, že to vůbec někdy půjde – dokladů pro nezbytnost tělesné kontinuity buněk je celkem hodně.
Vyvstává nám pak ovšem otázka, kde se tu vzaly vůbec první buňky. Nevíme, můžeme si jenom vymýšlet více či méně přijatelné evoluční scénáře. Bioinformatika při tom hraje velice významnou úlohu: dnes je vlastně základním přístupem, který umožňuje rekonstruovat, jaké geny měli naši velice dávní předkové. Čímž se dostáváme k tomu, co zde ještě vůbec nebylo zmíněno - bioinformatika je dnes základní metodou také pro evoluční biologii.
Pokud jde o Venterova bakteriunkula, už několik let o něm není slyšet. Buď na to autoři nesehnali peníze, nebo to zkusili a ukázalo se, že to nejde, nebo projekt v tichosti běží a ještě se dočkáme překvapení.

V dnešní době obligátní otázka - myslíte, že postupy podobnými těm Venterovým budou třeba teroristé někdy konstruovat nové patogeny?
Myslím, že z výše řečeného je dosti zřejmé, že ne. Což ovšem neznamená, že se tím nebude strašit za účelem získání prostředků na zcela teoretický výzkum, protože teď zrovna se dávají peníze na boj proti terorismu.
Hovoří-li se o morálních problémech vědy, téměř vždy je řeč o rozhodování, jak daleko jít v konkrétních experimentech. Kolikabuněčné embryo se ještě smí rozebrat na kmenové buňky? Smí se vůbec nějaké embryo rozebrat? Co je dostatečným důvodem k zabití myši nebo makaka? (O švábech se obvykle takto neptáme.) Je přípustné, aby se vědec angažoval ve vojenském výzkumu? Obraz vědy v obecném povědomí vymezují tragičtí hrdinové typu Frankensteina nebo Einsteina.
Ale možná, že mnohem typičtější je dnes jiné vědcovo dilema; týká se toho, zda a do jaké míry je přípustné nadsazovat (nechci říci přímo lhát) v zájmu toho, aby výzkumný projekt – v očích autora nepochybně špičkový – byl financován. I tohle je mimochodem velice výstižně umělecky zpracováno: vzpomeňme si na scénu ze slavného filmu „1492“, v níž Depardieuův Kolumbus přesvědčuje královnu Isabelu Kastilskou (tedy Sigourney Weaver), že za Atlantikem dobude zisku a slávy pro Španělsko a křesťanskou civilizaci... a přitom je oběma jasné, že ho do neznámých krajů žene pouze veskrze „neaplikovaná“ zvědavost.
Už jsem viděla i velmi solidní fyziologickou studii zdůvodněnou tím, jak globální oteplování časem ohrozí světovou sklizeň jahod. Nedivila bych se tedy, kdyby příští projekt na konstrukci umělé buňky byl motivován tím, že to přece musíme mít dřív než teroristé.


-----------------------------------------------
Dr. Fatima Cvrčková se na katedře fyziologie rostlin Přírodovědecké Fakulty UK zabývá studiem molekulárních mechanismů zodpovědných za tvar rostlinné buňky. Kromě toho přednáší také úvod do bioinformatiky. Na stejné téma jí na začátku tohoto roku vychází také vysokoškolská učebnice v nakladatelství Academia.

Na okraj: Bioinformatické databáze pro každého
Jak si vyzkoušet fungování bioinformatické databáze? Významný mezinárodní časopis Nucleic Acids Research uveřejňuje dvakrát do roka tlusté zvláštní číslo, jakési bioinformatické „kdo je kdo“. V něm jsou každoročně zmiňovány snad už stovky adres volně dostupných databází nebo serverů, od zcela obecných až po velmi specializované (třeba na jednu malou skupinu virů). A to si odborná redakce dosti kriticky vybírá, koho zařadí.
Pokud se chcete podívat na něco opravdu základního, doporučuji trojici vzájemně propojených databází, která sdružuje americkou GenBank, evropskou EMBL Data Library, a japonskou DNA Database of Japan. V téhle „matce všech databází“ by měly skončit prakticky všechny publikované sekvence. Americký portál na adrese http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ je poměrně jednoduchý, přehledný a opatřený bohatými vysvětlivkami i pro neodborníka. Navíc současně poskytuje přístup i k databázi lékařské a biologické literatury PubMed, včetně některých časopisů v plném znění zdarma (hlavně starší čísla).
Řadu odkazů i s komentářem, a také s informacemi o přednáškách a kursech (hlavně v Praze), najdete také na stránkách bioinformatické sekce Československé společnosti pro biochemii a molekulární biologii, známější pod zkratkou FOBIA (Free and Open Bioinformatic Association) na adrese http://fobia.img.cas.cz.








Komentáře