Aká bude súčasnosť a budúcnosť DNA

Tretia časť príbehu o použití DNA v súčasnosti a jej aplikáciách v budúcnosti. Od DNA vakcín až po biologické USB.

Vypočujte si podcast

Počúvajte cez >> Apple podcasty | Spotify | Google podcasty | RSS

V minulej a predminulej časti Pravidelnej dávky som rozprával o histórii DNA: o tej dávnej, keď sme prešli od Charlesa Darwina po objav DNA, aj o tej nedávnej keď sme si rozpovedali príbeh o tom, ako sa vedci snažili rozlúštiť štruktúru DNA. Dnes nastal čas, aby sme si povedali o súčasných a budúcich trendoch vo využití DNA a o tom, ako o nej rozmýšľajú súčasní moderní inžinieri. Konkrétne si rozpovieme o niekoľkých fascinujúcich možných využitiach DNA. Povieme si o tom, či ju môžeme využiť ako vakcínu, ako ju môžeme využiť na ukladanie informácií a či nám môže pomôcť pri nastavovaní optimálneho stravovania.

Ešte predtým, ako sa pozrieme na tie vzrušujúce a najexotickejšie možné spôsoby využitia DNA, vráťme sa v našom príbehu do miléniového roku 2000.

Rozlúštenie genetického kódu ovocnej mušky

V marci 2000 spolupráca vedcov z viacerých laboratórií úspešne dekódovali genetický kód ovocnej mušky, Drozofily obyčajnej. Spoločná snaha mala zásadný vplyv na sekvenovanie ľudského genómu, pretože biológia a vývoj buniek Drozofily majú veľa spoločného s cicavcami.

Vedci počas svojho výskumu zistili, že každá bunka tejto mušky obsahuje 13 601 génov, čo z nej urobilo ďaleko najkomplexnejší dekódovaný organizmus tej doby. Pre porovnanie, ľudské bunky obsahujú 20 000 až 25 000 génov. Zatiaľ čo projekt sekvenovania (teda v úvodzovkách, čítania) ľudského genómu, ktorý začal v roku 1990 mal pred sebou ešte dlhú cestu k dosiahnutiu svojho konečného cieľa, dekódovanie genetickej sekvencie mušky bol dôležitým míľnikom na tejto ceste.

Genetický kód prvého cicavca bol odhalený v roku 2002

V roku 2002 vedci urobili ďalší veľký krok a dekódovali genóm prvého cicavca - myši. Tento úspech im umožnil prvýkrát porovnať ľudský genóm s genómom iného cicavca.

Prekvapujúco sa ukázalo, že 90% sekvencií v genóme myši sa dalo zladiť so zodpovedajúcimi oblasťami v ľudskom genóme. Myší aj ľudský genóm tiež obsahovali asi 30 000 génov kódujúcich proteíny. Tieto objavy po prvýkrát poukázali na to, ako úzko sú geneticky príbuzné druhy cicavcov. Dobrý dôvod na to, aby sme ako ľudský druh neboli príliš namyslení a nemysleli si, že naše gény sú také unikátne, ako by si mnohí ľudia mysleli.

2003: Projekt sekvenovania ľudského genómu bol ukončený

V roku 2003 bol po 13 ročnom úsilí konečne dokončený projekt ľudského genómu.

Vedcom sa podarilo urobiť vysoko kvalitné sekvenovanie celého ľudského genómu. V roku 2001 konzorcium vedcov publikovalo „hrubý návrh“ ľudského genómu, ktorý obsahoval 90% sekvenciu všetkých troch miliárd párov báz, ktoré sa nachádzajú v ľudskom genetickom kóde.

Potom vedci pokračovali v druhej fáze projektu - v záverečnej fáze. Počas tejto doby vedci vyplnili medzery a odhalili vlastnosti DNA v nejednoznačných oblastiach, kým nedokončili skenovanie 99% ľudského genómu.

Táto konečná forma obsahuje 2,85 miliárd nukleotidov (teda báz, písmeniek), s predpokladanou mierou chybovosti asi jednej nesprávne sekvenovanej bázy na každých 100 000 báz. Predstavte si teda, že pri sekvenovaní celého ľudského genómu sme urobili množstvo chýb ekvivalentné jednému chybnému písmenku na tridsiatich piatich stranách textu. Čo vedcov prekvapilo? Bol to relatívne malý počet génov kódujúcich bielkoviny (medzi 20 000 a 25 000) a skutočnosť, že u rôznych druhov existujú podobné gény s rovnakými funkciami.

Keď si uvedomíte, že pred necelými 200 rokmi, ľudia ako Charles Darwin len začínali tušiť, že vlastnosti sa dajú dediť, je ohromujúce, čo sa vedcom podarilo dosiahnuť.

Ako je to s genetikou dvojčiat?

V roku 2013 firmy DNA Worldwide a Eurofins Forensic, spoločnosť, od ktorej si aj na Oxforde poslušne nechávame sekvenovať gény buniek využívaných pri laboratórnych experimentoch, ako prví na svete dokázali, že dvojčatá majú rozdiely vo svojich genetických kódoch.

Pred týmto objavom sa verilo, že monozygotické (teda jednovaječné) dvojčatá sú stopercentne geneticky identické a že testovanie DNA nie je možné použiť v prípadoch trestného činu alebo otcovstva, ktoré sa týkajú rovnakých dvojčiat, pretože ich nebolo možné rozlíšiť. Inak povedané, vraždy spôsobené jednovaječnými dvojčatami môže rozlúštiť len Sherlock Holmes alebo CSI Miami.

Tím spoločnosti DNA Worldwide sa však rozhodol otestovať túto teóriu. Vedci použili sekvenovanie novej generácie a prepojili ho s bioinformatikou. Sekvenovali DNA zo vzoriek spermií dvoch dvojčiat a vzorky krvi dieťaťa jedného dvojčaťa. Bioinformatická analýza identifikovala päť rozdielov (mutácií) nazývaných jedno-nukleotidové polymorfizmy (SNP) prítomné u dvojčaťa, ktoré bolo otcom dieťaťa, no táto DNA nebola zhodná s dvojčaťom otca dieťaťa, teda jeho strýkom.

Tieto rozdiely v SNP boli potvrdené Sangerovým sekvenovaním (teda klasickou, old-school sekvenovacou metódou) a poskytli experimentálne dôkazy pre hypotézu, že zriedkavé mutácie v génoch sa vyskytnú veľmi skoro, okolo času keď sa ľudská blastocysta (jedno zo skorých vývojových štádií ľudského jedinca) rozdelí na dvoje a že tieto mutácie sa budú niesť počas celého života.

Tieto rozdiely a metódy vyvinuté laboratóriami firiem DNA Worldwide a Eurofins poskytli riešenie problémov, ktoré sa objavujú pri zložitých prípadoch rozhodovania o otcovstve a pri súdnom konaní týkajúcom sa identických dvojčiat.

Posuňme sa teraz od týchto míľnikov k tým najmodernejším objavom.

DNA ako vakcína?

O mRNA vakcínach, ktoré dnes zachraňujú milióny ľudí po celom svete pred závažnými následkami ochorenia COVID-19 sme sa už pred časom v tomto podcaste rozprávali - určite si vypočujte 178. epizódu Pravidelnej dávky, v ktorej som sa tejto téme venoval. Čo však DNA vakcíny?

DNA vakcína využíva na stimuláciu imunitného systému gén vírusu alebo baktérie. Ak sa DNA vakcína podá pacientovi, mechanizmy v pacientových bunkách vytvoria vírusový alebo bakteriálny proteín, ktorý ich imunitný systém rozpozná ako cudzí pre telo. Ako v prípade akýchkoľvek iných vakcín, imunitný systém potom v budúcnosti rozpozná baktérie alebo vírusy a teda snáď zabráni rozvoju choroby. Takúto vakcínu na COVID-19 napríklad vyvíjajú na Pasteurovom inštitúte vo Francúzsku. Ďalšie firmy pracujúce na DNA vakcínach na ochorenia ako rakovina či HIV sú GlaxoSmithKline, či Powdermed.

Pripomeňme si: konvenčné vakcíny sa vyrábajú z celých baktérií alebo vírusov (buď deaktivovaných alebo mŕtvych) alebo a časť baktérií alebo vírusov, napríklad z jednej z bielkovín.

Aké sú výhody DNA vakcín? Môžu byť vyrobené v krátkom časovom rozmedzí - je ľahšie vyrobiť veľké množstvo istého génu, než vytvárať proteíny alebo pestovať baktérie alebo vírusy. Pri výrobe je dôležitá rýchlosť, ako to vidíme pri súčasnej pandémii. Vakcíny môžu byť využité proti kmeňom baktérií alebo vírusov, ktoré neustále mutujú a menia sa.

DNA vakcíny sa ľahko prepravujú a skladujú - DNA je veľmi stabilná molekula a nemusí sa skladovať pri nízkych teplotách, čo je výborné kvôli preprave a skladovaniu. Výroba DNA vakcín môže byť veľmi lacná - výroba a purifikácia je pomerne jednoduchá aj pri veľkom množstve DNA. Tiež neexistuje žiadne riziko pre tých, ktorí vakcínu vyrábajú - niektoré konvenčné vakcíny si vyžadujú kultiváciu infekčných baktérií alebo vírusov - a to so sebou nesie malé riziko pre tých, ktorí sa zaoberajú výrobou vakcín.

A čo ich nevýhody? Jednoducho povedané, predchádzajúce snahy vyvinúť DNA vakcíny zlyhali. Ešte stále sa nám nepodarilo dostať takúto vakcínu na trh skrze celé spektrum klinických testov. Dúfajme, ze sa to v blízkej budúcnosti podarí.

Ukladanie informácií do DNA: Biologická alternatíva k hard-disku?

Každú minútu v roku 2018 Google vykonal 3,88 milióna vyhľadávaní a ľudia si podľa softvérovej spoločnosti Domo pozreli 4,33 milióna videí na YouTube, poslali 159 362 760 e-mailov, tweetovali 473 000-krát a zverejnili 49 000 fotografií na Instagrame. V roku 2020 sa na celom svete vytvorilo odhadom 418 miliárd terabajtov informácií, za predpokladu svetovej populácie 7,8 miliárd. Magnetické alebo optické systémy na ukladanie dát údajne nevydržia viac ako storočie. Okrem toho, prevádzka dátových centier ďalej vyžaduje obrovské množstvo energie. Stručne povedané, budeme mať vážny problém s ukladaním takého množstva informácií, ktorý sa bude časom len zhoršovať.

Biologická alternatíva k pevným diskom však existuje: ukladanie údajov založené na DNA. Ako vieme, DNA pozostáva z dlhých reťazcov nukleotidov A (adenín), T (tymín), C (cytozín) a G (guanín). Je to materiál na ukladanie genetických informácií v živote. Dáta je možné ukladať v postupnosti týchto písmen, čím sa DNA zmení na novú formu dátového úložiska. DNA je dnes bežne syntetizovaná a presne kopírovaná. DNA je tiež neuveriteľne stabilná, čo dokazuje kompletné sekvenovanie genómu fosílie koňa, ktorý žil pred viac ako 500 000 rokmi. A skladovanie DNA nevyžaduje veľa energie.

Ale práve úložná kapacita je to, čím je DNA fascinujúca. DNA dokáže presne uložiť obrovské množstvo dát s dátovou hustotou ďaleko prevyšujúcou dátovú hustotu elektronických zariadení. Napríklad jednoduchá baktéria Escherichia coli má podľa výpočtov publikovaných v roku 2016 v Nature Materials Georgom Churchom z Harvardovej univerzity a jeho kolegov hustotu ukladania asi 10^19 bitov na kubický centimeter - to je desať miliónov biliónov bitov - kašlime na milióny a bilióny, je to vlastne veľmi veľa! Ako veľa? Pri tejto hustote by všetky súčasné svetové potreby ukladania dát ročne mohli byť dobre naplnené kockou DNA s hranou asi jeden meter.

Možnosť ukladať údaje v DNA nie je len teoretická. Napríklad v roku 2017 použila Churchova výskumná skupina technológiu úpravy DNA CRISPR na zaznamenávanie obrázkov ľudskej ruky do genómu E. coli, ktoré boli následne čítané s presnosťou na viac ako 90 percent. A vedci z Washingtonskej univerzity a Microsoft Research vyvinuli plne automatizovaný systém na zápis, ukladanie a čítanie údajov zakódovaných v DNA. Mnoho spoločností, vrátane spoločností Microsoft a Twist Bioscience, pracujú na zdokonalení technológie uchovávania DNA.

Medzi prekážkami, ktoré bránia tomu, aby sa ukladanie údajov DNA stalo bežným, sú náklady a rýchlosť čítania a zápisu DNA, ktoré musia ešte klesnúť, aby ukladanie informácií do DNA mohlo konkurovať elektronickému ukladaniu. Aj keď sa DNA nestane všadeprítomným úložným materiálom, bude takmer určite použitá na generovanie informácií na veľkej škále a najmä na ich dlhodobé uchovávanie - pri nízkych teplotách je totiž DNA veľmi stabilná.

Je optimálne stravovanie zakódované v našich génoch?

Nutričná genomika, tiež známa ako Nutrigenomika, je veda, ktorá skúma vzťah medzi ľudským genómom, výživou a zdravím. Ľudia v tejto oblasti sa snažia dosiahnuť pochopenie toho, ako telo reaguje na potravu prostredníctvom systémovej biológie, ako aj vzťahov medzi jednotlivými génmi a jednotlivými zložkami potravy.

Od spomínaného osekvenovania ľudského genómu je o nutrigenomiku veľký záujem. Je už dávno známe, že všetci nereagujeme rovnakým spôsobom na rovnaké stravovacie intervencie. Niektorým sa pri diéte s vyšším obsahom tukov darí naozaj dobre - vegánstvo by im určite neprospelo. Na druhej strane, u iných sa pri rovnakej strave vytvára vysoký obsah triglyceridov alebo cholesterolu. Niektorí chudnú viac, keď redukujú sacharidy. Iní chudnú viac, keď zvyšujú komplexné sacharidy a znižujú tuky.

Ak sú tieto rozdiely genetické, mohli by sme nájsť optimálny prístup pre každého jedinečného jedinca na základe jeho DNA.

V dobe lacného genetického testovania začali mnohé spoločnosti predávať personalizované programy výživy, ktoré sú založené na špecifikách DNA.

Tím vedcov z King's College v Londýne a Harvard Medical School zahájil ambiciózny výskumný projekt s názvom PREDICT, ktorého cieľom je zistiť, aké faktory určujú jedinečnú reakciu jednotlivca na jedlo. Štúdia zahŕňala 700 identických dvojčiat spolu so 400 ne-dvojčatami. Hodnotil okrem iného nárast a pokles hladiny cukru v krvi a tukov v krvi po konzumácii rôznych druhov jedál.

Predbežné výsledky štúdie PREDICT, ktoré boli predstavené na stretnutí Americkej spoločnosti pre výživu v roku 2019, potvrdzujú, že rôzni ľudia reagujú veľmi rozdielne na rovnaké stravovacie vstupy. Neexistuje jediný stravovací prístup, ktorý by vyhovoval všetkým najlepšie.

Ak sú tieto rozdiely dané geneticky, potom by sme očakávali, že jednovaječné dvojčatá budú reagovať podobne. Ale to sa nestalo. Zdá sa, že genetika je zodpovedná za menej ako tretinu inzulínových a triglyceridových odpovedí pacientov. Špecifický pomer tukov a sacharidov v strave tiež nebol silne prediktívny. Pri našich individuálnych reakciách na stravu hrali oveľa väčšiu úlohu ďalšie faktory, ako napríklad spánkové návyky, cvičenie, stres a črevné mikróby.

Napriek tomu sú však individuálne variácie v našej DNA dôležité pri predikcii rôznych genetických chorôb a verím, že v budúcnosti sa testy DNA budú bežne používať v rámci prevencie chorôb - najmä v dôsledku ich klesajúcej ceny. Okrem toho, americká Federálna lieková agentúra FDA v roku 2017 schválila test DNA zo slín od spoločnosti 23andMe, ktorý umožňuje zistiť geneticky podmienené riziko chorôb ako Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, celiakia, Alpha-1 antitrypsínová deficiencia, či dedičná trombofília.

Suma sumárum, existuje množstvo ďalších fascinujúcich využití DNA. Je to programovací jazyk? Môžeme z nej budovať nové štruktúry pomocou DNA Origami technológie? A zmeníme jej fundamentálnu štruktúru pomocou expanzie genetického kódu? O tom si možno povieme niekedy nabudúce.

Referencie

[1] Discovery of DNA Double Helix: Watson and Crick | Learn Science at Scitable. (n.d.). Retrieved February 1, 2021.

[2] The History of DNA Timeline | DNA Worldwide. (n.d.). Retrieved February 1, 2021.

[3] Sexism in science: did Watson and Crick really steal Rosalind Franklin’s data? | Genetics | The Guardian. (n.d.). Retrieved February 2, 2021.

[4] James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins, and Rosalind Franklin | Science History Institute. (n.d.). Retrieved February 4, 2021.

[5] Watson, The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA, 2001.

[6] Williams, Unravelling the Double Helix: The Lost Heroes of DNA, 2019.

[7] Dawkins, The Selfish Gene, 1976.

[8] Wimmer, Cloning: Dolly the Sheep, 2008.

[9] Venter, A Life Decoded: My Genome: My Life, 2008.

[10] Hutchison, C. A., Chuang, R. Y., Noskov, V. N., Assad-Garcia, N., Deerinck, T. J., Ellisman, M. H., … Venter, J. C. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science.

[11] DNA Data Storage Is Closer Than You Think - Scientific American. (n.d.). Retrieved March 1, 2021.

[12] Personalized Nutrition: The Latest on DNA-Based Diets - Scientific American. (n.d.). Retrieved March 1, 2021.

[13] Tollefsbol, Handbook of Epigenetics, 2017.

[14] Davies, The $1,000 Genome, 2010.

[15] Sousa et al., DNA Vaccines: Methods and Protocols, 2020.

Všetky podcasty denníka SME si môžete vypočuť na jednom mieste na podcasty.sme.sk.