Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 14 (vyšlo 14. dubna, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Kterak si naprogramovat vlastní bakterii?

Lucie Kulhánková

Co kdybychom byli schopni naprogramovat živý organizmus tak, aby vyráběl a prováděl to, co bychom si přáli? Přeci jen mezi programovacím jazykem používajícím nuly a jedničky to k biologickému genetickému kódu, který používá čtyři báze: adenin, thymin, guanin a cytosin, není tak daleko. Možná to zní jako sci-fi nejtvrdšího ražení, ale pro inženýry z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v americkém Cambridge, skládající se z pěti škol a jedné koleje. Založena byla v roce 1861. není žádný úkol dost velký. Od této odvážné myšlenky se dostali až k počítačovému programu jménem Cello. I když používání matematického modelování buněčných procesů nebo například růstu celých buněčných kultur není pro biology žádnou novinkou, skutečné propojení programování a biologie bylo zatím poměrně vzdálenou budoucností. Cello se tedy pouští tam, kam se ještě žádný jiný software neodvážil. Programátor na začátku zadá počítači problém v programovacím jazyce Verilog a na konci získá data v podobě DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. sekvence. Tuto sekvenci lze následně nechat syntetizovat a vložit do buněk bakterie Escherichia coliEscherichia coli – gramnegativní baktérie tyčinkovitého tvaru, běžně osidlující tlusté střevo teplokrevných živočichů, včetně člověka. Je fakultativně anaerobní, což znamená, že v případě potřeby dokáže převést svůj metabolismus přizpůsobený na přítomnost kyslíku na fermentaci za nepřítomnosti kyslíku. Je významná z hygienického hlediska jako jeden z indikátorů fekálního znečištění pitné vody. Její přítomnost ve střevě je pro organismus obvykle prospěšná, může však nést genetickou výbavu, která z ní činí původce závažných střevních onemocnění. Vzhledem ke svým nenáročným růstovým vlastnostem a dobře prozkoumané DNA definovaných kmenů je oblíbeným modelovým organismem či nosičem cizorodých genů. pomocí plazmiduPlazmid – mimochromozómová DNA. Malá kruhová molekula DNA, která kóduje specifické informace a je schopna samostatného množení, autoreplikace. Vyskytuje se u archeí, některých baktérií a vzácně i eukaryot. Plazmidy hrají významnou roli v odolnosti baktérií vůči antibiotikům. Genetická informace uložená na plazmidech může být vyměňována mezi dvěma baktériemi konjugací, což je obdoba pohlavního rozmnožování., malého kruhového kousku DNA, který se v buňce může vyskytovat v mnoha kopiích. Escherichia coli je pravděpodobně nejpoužívanějším modelovým organizmem na světě a navíc se do ní DNA poměrně snadno vkládá, neboli transformuje. Zatím byl tento přístup vyzkoušen na poměrně sporadickém vzorku. Z 60 pokusů vzešlo 880 000 párů bází DNA, u nichž 92 % výstupů fungovalo tak, jak si autoři programu přáli.

Programování chování jedenoduchých organzimů

Programování chování. Předpřipravené části DNA  se inplementukjí
do malých organizmů. Zdroj: MIT News/Janet Iwasa.

DNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.

Plazmid – mimochromozómová DNA. Malá kruhová molekula DNA, která kóduje specifické informace a je schopna samostatného množení, autoreplikace. Vyskytuje se u archeí, některých baktérií a vzácně i eukaryot. Plazmidy hrají významnou roli v odolnosti baktérií vůči antibiotikům. Genetická informace uložená na plazmidech může být vyměňována mezi dvěma baktériemi konjugací, což je obdoba pohlavního rozmnožování.

Transformace – horizontální (v rámci jedné generace) přenos genetické informace mezi příjemcem a dárcem. K přenosu obvykle dochází bez přímého kontaktu mezi buňkami, DNA se vyskytuje volně v prostředí a příjemce tuto DNA získá nejčastěji ve formě plazmidu. Transformace může být přirozená, nejčastěji při dělení buněk, nebo za použití kompetentních buněk při vystavení buňky stresu (osmotickému či tepelnému šoku).

Transkripce – přepis genetické informace uložené v DNA do RNA. Transkript je vytvářen pomocí proteinu RNA polymerázy (DNA dependentní RNA polymeráza). RNA pak může nést informaci pro tvorbu proteinů, plnit regulační funkci či tvořit funkční strukturální jednotky potřebné například pro začleňování aminokyselin do proteinů.

Promotor – sekvence DNA nutná k zahájení transkripce. V případě bakterií se na tuto sekvenci přímo váže RNA polymeráza. Typickým příkladem promotoru je bakteriální TATA box.

Represor – obvykle protein, který se váže na DNA v oblasti promotoru, a blokuje tak nasedání RNA polymerázy a transkripci. Opakem represoru je pak aktivátor.

Terminátor (biologicky) – sekvence DNA, která ukončuje transkripci. Tato sekvence iniciuje uvolnění nově syntetizované RNA od RNA polymerázy.

Jak se vytváří biologický program?

K vytvoření biologického programu je potřeba jednak informace o sekvencích a síle takzvaných senzorů. To jsou obvykle promotoryPromotor – sekvence DNA nutná k zahájení transkripce. V případě bakterií se na tuto sekvenci přímo váže RNA polymeráza. Typickým příkladem promotoru je bakteriální TATA box. – kousky DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. stojící před genem, které ho jsou schopny zapnout či vypnout. Součástí senzoru může ale být v podstatě jakákoliv sekvence, která ovlivní expresiExprese – převod genetické informace z DNA do funkční podoby. To může znamenat pouhý přepis do RNA, která sama může mít v buňce funkci, či následný přepis RNA do proteinu. vašeho cílového produktu. Druhá informace, kterou musíme programu poskytnout, jsou uživatelem požadovaná omezení na systém, se kterým pracujeme. V případě biologického programování musíme například myslet na to, jaký organizmus používáme a který jeho konkrétní kmen. Poslední poskytovaná informace je samotná operace, kterou chceme v buňce provést. Nejčastěji jde o syntézu nějakého chemického produktu.

Samotný program Cello nejprve vytvoří z námi zadaných informací diagram obvodu se sérií hradel s jednoduchou Booleovou logikou. K jednotlivým hradlům se pak přiřadí regulátory, které je ovlivňují. Pokud výsledek na jednom hradlu přesáhne vstupní práh následujícího hradla, program je spojí. Celý systém je optimalizován pomocí Monte CarloMonte Carlo – skupina numerických metod využívající náhodná čísla a náhodné procesy. Ke nejznámějším patří například Metropolisova metoda. simulací tak, aby se výsledek co nejvěrněji přiblížil zadání. Oním výsledkem je DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. sekvence, která reguluje některý z buněčných procesů, ať už přímo jako regulující sekvence DNA, nebo nepřímo například pomocí RNA polymerázyRNA polymeráza – enzym, který podle vlákna DNA syntetizuje k němu komplementární vlákno RNA. Výchozí DNA tedy slouží jako šablona pro tvorbu RNA molekuly. Na rozdíl od DNA polymeráz mohou RNA polymerázy zahájit syntézu bez pomoci části komplementární sekvence (primeru). V buňkách existuje několik typů RNA polymeráz, které se specializují na různé druhy RNA. Speciálním druhem RNA polymerázy je RNA dependentní polymeráza, která syntetizuje RNA vlákno dle RNA předlohy. Tato polymeráza se vykytuje u RNA virů.. RNA polymeráza pak z DNA vytvoří RNARNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA., která bude plnit onu regulační funkci. Nicméně z Monte Carlo simulace biologických procesů většinou získáme několik výsledků, které pak biolog v laboratoři může prověřit a nalézt biologicky nejvhodnější řešení.

Logo programu Cello

Logo programu Cello. Zdroj: Cello.

V současnosti je hradel vytvořeno 14 a disponují klasickou NOT nebo NOR logikou, navíc jsou navržena tak, aby spolu neinteragovala. V buňkách totiž nelze používat stejné hradlo vícekrát v rámci obvodu, protože jednotlivé produkty nejsou fyzicky odděleny a ovlivňovaly by se navzájem. Jsou tedy od sebe separovány silnými terminátoryTerminátor (biologicky) – sekvence DNA, která ukončuje transkripci. Tato sekvence iniciuje uvolnění nově syntetizované RNA od RNA polymerázy. transkripceTranskripce – přepis genetické informace uložené v DNA do RNA. Transkript je vytvářen pomocí proteinu RNA polymerázy (DNA dependentní RNA polymeráza). RNA pak může nést informaci pro tvorbu proteinů, plnit regulační funkci či tvořit funkční strukturální jednotky potřebné například pro začleňování aminokyselin do proteinů. tak, aby nedocházelo k takzvanému prosakování RNA polymerázyRNA polymeráza – enzym, který podle vlákna DNA syntetizuje k němu komplementární vlákno RNA. Výchozí DNA tedy slouží jako šablona pro tvorbu RNA molekuly. Na rozdíl od DNA polymeráz mohou RNA polymerázy zahájit syntézu bez pomoci části komplementární sekvence (primeru). V buňkách existuje několik typů RNA polymeráz, které se specializují na různé druhy RNA. Speciálním druhem RNA polymerázy je RNA dependentní polymeráza, která syntetizuje RNA vlákno dle RNA předlohy. Tato polymeráza se vykytuje u RNA virů., kdy transkripce probíhá, i když je gen technicky vypnutý. Tím se jednotlivá hradla izolují nejen od sebe, ale i od dalších genetických vlivů, které se v buňkách vyskytují. To samozřejmě není možné provést dokonale, nicméně pomocí těchto izolačních sekvencí se vliv okolí alespoň sníží na přijatelné minimum. Vytvořit NOT nebo NOR hradlo z elektronických součástek hračka, ale v rámci biologie je tento problém trošku složitější. Pokud chceme například poskládat NOT hradlo z DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace., pak jako vstupní data považujeme signál na promotoruPromotor – sekvence DNA nutná k zahájení transkripce. V případě bakterií se na tuto sekvenci přímo váže RNA polymeráza. Typickým příkladem promotoru je bakteriální TATA box. transkripceTranskripce – přepis genetické informace uložené v DNA do RNA. Transkript je vytvářen pomocí proteinu RNA polymerázy (DNA dependentní RNA polymeráza). RNA pak může nést informaci pro tvorbu proteinů, plnit regulační funkci či tvořit funkční strukturální jednotky potřebné například pro začleňování aminokyselin do proteinů. a jako výstup signál pro jiný promotor. Uvnitř samotného hradla pak máme represorRepresor – obvykle protein, který se váže na DNA v oblasti promotoru, a blokuje tak nasedání RNA polymerázy a transkripci. Opakem represoru je pak aktivátor. blokující výstupní promotor, který je syntetizován, pokud existuje vstupní signál. Čili pokud existuje signál na vstupu, pak je signál na výstupu negativní. Pro NOR hradlo stačí přidat na vstupu druhý promotor fungující obdobně jako ten první. Pokud přijde signál alespoň z jednoho z nich, bude transkripce na výstupu zastavena.

Biologická hradla

Biologická hradla. Zdroj: Christopher Voight.

Závěr

Zatím je tato technologie tak trošku v plenkách a buněčné programování funguje dobře pouze pro jeden produkt a pouze v takové metabolické dráze, která je neustále zapnutá. Pokud se nám podaří lépe porozumět všem regulacímRegulace genové exprese – jakékoliv ovlivnění množství produktu jednotlivého genu. Může se jednat o represi, kdy je tvorba produktu zastavena, nebo naopak o zvýšení produkce – indukci. K regulaci může docházet na všech úrovních, od regulace přepisu DNA do RNA (transkripce), přes životnost RNA, až po přepis RNA do proteinu. Regulace genové exprese stojí například za diferenciací jednotlivých buněčných typů, kdy z stejné počáteční informace (DNA) vznikají tak rozličné typy buněk, jako jsou například buňky mozkové a buňky jaterní., které v buňkách probíhají, pak budou programy jako Cello představovat mocný nástroj pro genetické inženýrství. Aktuálně program Cello disponuje pouze nastavením pro Escherichia coli, do budoucna se však počítá s rozšířením o další bakteriální systémy, případně eukaryotické organizmyEukaryota – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné i vícebuněčné organizmy, které obvykle mají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory a genetickou informaci umístěnou v podobě lineárních řetězců DNA v formovaném jádře. Rozmnožují se pohlavně i nepohlavně., jakými je například kvasinka Saccharomyces cerevisiae. Jako ukázku možného využití můžeme například jmenovat jednu z největších výzev moderní biologie: překonání hrozby antibiotické rezistence. Vzhledem k tomu, že bakterie velice rychle mutují, objevují se samozřejmě mutované kmeny, na které klasická antibiotika nepůsobí. V tomto případě je velice lákavá představa, že počítači řekneme, kde je s antibiotikem problém a obratem získáme několik možností řešení, která pak můžeme testovat v laboratoři. V budoucnu se tedy může stát, že nám programovatelné bakterie budou pomáhat vytvářet léčiva. Dobrou zprávou pro nás také je, že Cello je open-source program a je přístupný jak pro stažení, tak online v rámci webového rozhraní.

Vysvětlení podstaty syntetické bilogie. Zdroj: iGEM Eindhoven 2014.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage