…aneb Hrátky s pravěkou DNA
Pokud bychom měli to neuvěřitelné štěstí a získali z jantaru nebo snad i jiného fosilního zdroje dinosauří DNA, nebude tato velká molekula samozřejmě ani zdaleka kompletní. Místo toho budeme mít k dispozici malé fragmenty dvojité šroubovice, zbylé z původní, geologickým časem „rozbité“ makromolekuly. Za využití speciálního přístroje, zahřátí na teplotu 72 °C a přidání enzymu DNA-polymerázy můžeme nakonec docílit pomnožení těchto fragmentů. Polymerázová řetězová reakce by tak teoreticky mohla pomoci získat z velmi malého množství alespoň dostatečný objem dědičného materiálu dinosaura pro další postup. Samozřejmě je nezbytné dodat tzv. primer – řetězec nukleové kyseliny či proteinu o délce asi 15 až 20 nukleových bází, která v případě komplementarity určí správné pořadí řetězců. Už toto je ale téměř nepředstavitelně složitý a těžce dosažitelný úkol, pokud se jedná o pravěkou DNA. Jaká bude kvalita zachování pravěké nukleové kyseliny v jantaru, je v každém případě obtížné předpovědět. DNA není sama o sobě příliš robustní molekulou a v buňkách je doprovázena celou mašinérií biochemické ochrany, která brání jejímu poškození a dokáže částečné narušení dokonce opravit. Jakmile ale organismus uhyne, tato mašinérie se zastaví a DNA je náhle pouhou osamělou, ničím nechráněnou molekulou. Britsko-švédský biochemik a specialista na výzkum rakoviny Tomas Lindahl (* 1938) již před dvěma desetiletími odhadl, že až na základní jednotlivé báze se DNA ve vodním prostředí rozpadne již za zhruba 30 000 let.[1] Šance na zachování v extrémně příznivém prostředí jsou sice větší, ale optimismus přesto není na místě. S touto částí problému neudělají vůbec nic ani průběžně se zdokonalující technologie genetického inženýrství a molekulární biologie. Můžete prostě jen doufat, že příroda bude k vaší snaze dostatečně milostivá. A to je bohužel v případě křídových dinosauřích fosilií vysoce nepravděpodobné.[2]
———
Britský biochemik švédského původu Tomas Lindahl je držitelem Nobelovy ceny za chemii z roku 2015. Proslavil se zejména výzkumem rakovinného bujení a také způsoby „opravy“ lidské DNA. K možnostem zachování pravěké DNA v druhohorních fosiliích je nicméně velmi skeptický. Kredit: Holger Motzkau, Wikipedie (CC BY-SA 3.0)
———
Když už se vám povede izolovat a sekvenovat všechny namnožené fragmenty dinosauří DNA, budete je chtít pospojovat ve správném pořadí tak, aby výsledkem byl kompletní genom dinosaura. Problém je ovšem v tom, že už 66 milionů let nikdo netuší, jak takový genom neptačího dinosaura vypadá. V podstatě si ani teď nemůžete být jistí, že máte před sebou skutečně části dinosauří DNA. Díky poznatkům a zkušenostem, které přinesl například i Projekt lidského genomu[3] máme dnes k dispozici postupy a zejména pak velmi rychlé počítače (s příslušný softwarem), které umožňují složitým srovnáváním pospojovat jednotlivé sekvence genomu ve správném pořadí. Moderní superpočítače druhé dekády 21. století už takový úkol zvládnou hravě a hlavně v rozumném čase. Problém je ale v tom, že přesnou pozici milionů fragmentů o délce několika stovek bází nejspíš nebudeme schopni rekonstruovat. Problémem je i univerzální podstata stavby molekuly – jakýkoliv úsek DNA se může spojit s jiným úsekem, pokud odpovídá jeho pořadí bází. V knize se genetik Henry Wu s tímto problémem vypořádal přidáním tzv. restrikčních enzymů (restrikční endonukleázy), které „osekávají“ a štěpí DNA na kýžených místech.[4] Wu potom procházel za pomoci výkonného počítače desítky milionů fragmentů ve všech kopiích dinosauřího genomu a sledoval opakující se vzorce písmen genetického kódu. Ve skutečnosti by ale rekonstrukce dinosauřího genomu zdaleka tak snadná nebyla. Stejně jako u lidského genomu nebyl ani ten dinosauří pouhou jednou sekvencí DNA, ale byl by zakomponován do chromozomů. Nemáme ovšem tušení, kolik párů chromozomů měli v buněčných jádrech jednotliví dinosauři. Zatímco lidé mají 23 párů chromozomů a šimpanzi 24, některé druhy mloků a ryb jich mají více než stovku a naopak samičky asijského jelínka muntžaka sundského mají zase jen šest párů.[5] Problém je v tom, že v případě izolování segmentů DNA z jantaru bychom měli před sebou namíchané fragmenty z obou sad chromozomů. To většinou nepředstavuje problém, protože obě sady jsou z velké části identické. Liší se ale samozřejmě v pohlaví určujících chromozomech X a Y, takže bude třeba rekonstruovat zmíněné části odděleně.
Superpočítač může vyhledávat opakující se sekvence genetického kódu, které by mohly být tzv. telomerami (koncovými částmi chromozomů), což by umožnilo lépe jednotlivé chromozomy identifikovat.[6] Opět je ale velmi nepravděpodobné, že by k takové proceduře (i všem předchozím) byl k dispozici dostatek původního materiálu. Dalším problémem je rozlišení dinosauří „odpadní DNA“ (junk DNA) a rekonstrukce křehčích úseků nukleové kyseliny, které se snadno rozpadají. Na základě současných poznatků je téměř jisté, že miliony let starý hmyz nebo tělesné části organismů (jako je i nedávno objevený dinosauří ocas z Myanmaru) neposkytnou víc než několik fragmentů DNA. Možnost, že by v nich byl zachován kompletní genom dinosaura, byť i rozdrolený na malé fragmenty, je zcela mizivá. A pokud v záznamu DNA dinosaura máte nezacelitelné mezery, je konec. Nemáte jistotu, zda vám chybí jen 5 bází nebo třeba 5 milionů. A dokonce i pět milionů bází je v celém genomu o řádově miliardě bází poměrně málo. Pravděpodobné přitom je, že nebudete mít v záznamu jen jednu mezeru, ale desítky nebo stovky mezer. Budou chybět přinejmenším desítky procent genomu, a přitom stačí nemít jediné procento, aby byl osud vašeho projektu definitivně zpečetěn. Jedno procento je například rozdíl lidského a šimpanzího genomu. Nezní to jako moc, ale i toto malé procento dělá v reálu obrovský rozdíl. Na tomto místě je dobré zmínit, že sekvence DNA na monitoru doktora Wu ve skutečnosti pochází z plazmidu (malé kruhové molekuly DNA), vkládaného genetickými inženýry do běžné bakterie z naší střevní mikroflóry jménem Escherichia coli. Jak se ale vyrovnat s již zmíněnými mezerami v genetickém kódu dinosaurů? Wu je zkusil „záplatovat“ vypůjčenými částmi DNA obojživelníků, což později vedlo ke katastrofě, protože spolu s původními majiteli DNA se i dinosauří samice dokázaly přeměňovat v samce a nekontrolovaně se tak rozmnožovat. Ve skutečnosti by taková záměna nemohla fungovat. Nepřesná či zcela špatná tvorba bílkovin by vyústila v neživotaschopnost takového genetického hybrida.
Jistou možností by snad byla lepší volba doplňkové DNA, a to ptačí DNA. Ptáci jsou nejbližšími žijícími příbuznými dinosaurů[7], proto i jejich genom je zřejmě dinosauřímu podstatně podobnější. V tomto případě potřebujete vybrat více druhů ptáků různého systematického zařazení, osekvenovat a vzájemně porovnat jejich genomy. Jde o nákladnou a zdlouhavou práci, ale v současnosti jsme již o velký kus dál než v době premiéry prvního filmu. Pro kontrolu potřebujete osekvenovat genom nějakého fylogeneticky vzdálenějšího obratlovce, například želvy nebo žáby. Po provedení těchto procedur můžete vaše fragmenty dinosauří DNA porovnat s ptačími sekvencemi a hledat podobné nebo dokonce identické úseky DNA. Ale i pokud se vám nakonec podaří doplnit dinosauří genom příslušnými úseky ptačí DNA, budete mít stejně jen hybridní a nepravý genom. Nepůjde nikdy o úplně „čistou“ proceduru a výsledek bude v ideálním případě jistým podvodem a jakýmsi obejitím zákonitostí přírody. V horším (a mnohem více pravděpodobném) případě se ale do této fáze dokonce ani zdaleka nedostanete. Každopádně je celý proces ještě mnohem složitější a zdlouhavější a nese s sebou také mnohem více neznámých. Jisté je, že lidé vlastně uzpůsobují dinosaury ke svému obrazu již po tisíciletí – tato činnost má ale do Jurského parku daleko. Má totiž podobu šlechtění domestikovaných ptáků, počínaje slepicemi a krůtami až po papoušky a holuby. Dá se tedy s jistou nadsázkou říci, že není důvod toužit po dávno vyhynulých tyranosaurech a galimimech, když máme jejich relativně blízké příbuzné každý den na dvorku (a často i při obědě na talíři). Posuňme se nyní k dalšímu kroku – tvorbě vajíček a pokusu o vylíhnutí dinosauřího embrya. I kdybychom se totiž dostali až k rekonstrukci kompletního genomu dinosaura, stále nás čeká nepřekonatelná cesta k živému mláděti, vykukujícímu nesměle zpod rozbité skořápky. Musíme počítat s jedním podařeným pokusem z tisíců, možná desítek tisíc. Stěžejní otázkou však je – jak přeměníme dinosauří DNA v dinosaura?
———
Fosilní kostra mongolského pozdně křídového dromeosauridního teropoda druhu Velociraptor mongoliensis. Vše bohužel nasvědčuje tomu, že živého jej už nikdy nespatříme, což ovšem platí i pro ostatní neptačí dinosaury. Kredit: Eden, Janine and Jim, Wikipedie (CC BY 2.0)
———
Řekněme, že v tuto chvíli máte kompletní dinosauří genom v podobě přesné sekvence bází (A, C, G a T) a máte jej rozdělený do správného pořadí v rámci chromozomů. Takový materiál už dokáže například slepice přeměnit ve vajíčko se zdravým slepičím embryem, z nějž bude po vylíhnutí životaschopné kuře. V průběhu embryonálního vývoje kuřete je seznam instrukcí v podobě DNA přeměněn v návod na výrobu kuřete. Problém je v tom, že ještě úplně přesně nechápeme, jak tento děj vlastně probíhá. Vajíčko samozřejmě obsahuje mnohem víc než jen DNA: jde o komplex molekulárních aparátů, které dokážou „číst“ genetické instrukce a podle nich vyrobit kuře. Stejně jako není možné postavit kvalitní panelový dům pouze jedním člověkem, také při výrobě nového jedince se musí uplatnit celá armáda specializovaných biologických stavitelů – enzymů a bílkovin – které působí v přesném načasování a pořadí. Nezbytností pro vytvoření dinosaura je tedy náhradní nebo umělé vajíčko. Zatímco pro většinu lidí je pojem vejce redukován na vjem oválného objektu, který lze zakoupit v supermarketu, pro biologa představuje vajíčko jedinou mateřskou buňku, která po oplodnění samčím spermatem umožní vznik a růst nového jedince. Kdyby dinosauři byli savci, stáli byste před nepřekonatelným problémem. Museli byste nechat dinosauří embryo růst v děloze jiného podobného tvora – a žádný takový dnes samozřejmě neexistuje (nemluvě o tom, že podobný růst v cizím organismu by nebyl vůbec myslitelný). Dinosauři se ale rozmnožovali pomocí vajíček, což situaci přece jen trochu usnadňuje. Problém je sice stále nebetyčný, ale už ne zhola nepřekonatelný. Aby vše fungovalo jak má, nestačí jen vložit dinosauří DNA například do pštrosího vejce. Jiná vejce umí úplně jiné věci, ne uchovat v sobě embryo druhohorního dinosaura. Abyste mohli vypiplat malého dinosaurka, potřebujete vejce, které už bude „nastaveno“ tak, aby dokázalo zrealizovat program zapsaný právě v dinosauří DNA… (pokračování příště)
———
Literatura:
DeSalle, R., Lindley D. (1997). The Science of Jurassic Park and the Lost World, Basic Books/HarperPerrenial, New York.
———
[1] Lindahl T. (1993). „Recovery of antediluvian DNA“. Nature. 365 (6448): 700. Bibcode:1993Natur.365..700L. doi:10.1038/365700a0
[2] Allentoft M. E.; Collins M.; Harker D.; Haile J.; Oskam C. L.; Hale M. L.; Campos P. F.; Samaniego J. A.; Gilbert M. T. P.; Willerslev E.; Zhang G.; Scofield R. P.; Holdaway R. N.; Bunce M. (2012). „The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils“. Proceedings of the Royal Society B. 279 (1748): 4724–33. doi:10.1098/rspb.2012.1745
[3] https://www.genome.gov/11006943/
[4] Roberts R. J. (Nov 1976). „Restriction endonucleases“. CRC Critical Reviews in Biochemistry. 4 (2): 123–64. doi:10.3109/10409237609105456
[5] Kinnear, J. F. (2006). „Chromosomes: How Many?“ Nature of Biology Third Edition. Book 2. Milton, Queensland: John Wiley & Sons Australia Ltd.
[6] Aubert G.; Lansdorp P. M. (April 2008). „Telomeres and Aging“. Physiological Reviews. 88 (2): 557–579. doi:10.1152/physrev.00026.2007
[7] Senter, Phil (2007). „A new look at the phylogeny of Coelurosauria (Dinosauria: Theropoda)“. Journal of Systematic Palaeontology. 5 (4): 429–463. doi:10.1017/S1477201907002143
———