Můžeme vytvořit Jurský park? (část III.)

…aneb Není vejce jako vejce

Když se vajíčko po oplození vyvíjí v embryo, dochází k tomu, že se původně jediná buňka začne dělit. Z jedné jsou 2, potom 4, následně 8 a tak dál. Kdyby tento proces pokračoval stejně jednoduše dál, měli bychom před sebou pouze čím dál větší chuchvalec identických buněk. Tak tomu ale ve skutečnosti samozřejmě není. Aby vznikl živý tvor, musí buňky začít růst jiným tempem a jinými způsoby. Z některých nakonec vznikne kůže, z jiných svalová hmota, z dalších zase nervy, játra nebo krev. Všechny typy buněk v těle tedy vyrostou z jediné oplodněné buňky (lidské tělo tvoří v dospělosti odhadem asi 37 bilionů buněk)[1], a přesný mechanismus tohoto děje není dosud zcela uspokojivě vysvětlen. Jisté je tolik, že instrukce k výrobě všech těchto typů buněk najdeme v DNA. Vajíčko tedy musí být vybaveno komplexními mechanismy, které dokážou správně přečíst a přeložit tyto instrukce. Když ale tento proces dostatečně dobře nechápeme ani u současných organismů, jak bychom mohli něco podobného zvládnout v případě reprodukce tvora, známého jen z jeho pravěké DNA? Jakým způsobem bychom tedy mohli zakomponovat dinosauří DNA do vajíčka? Problém je o to větší, že DNA eukaryot je umístěna v jádře buňky, neplave volně v cytoplazmě jako u jednoduchých bakterií. V jádře je tato molekula velmi specifickým způsobem složena a má vysoce komplexní strukturu. Ukazuje se přitom, že tato struktura může mít významný vliv na to, co DNA „provádí“ v různých typech buněk. Aby nukleová kyselina správně pracovala uvnitř umělého dinosauřího vajíčka, musí být správným způsobem uskladněna, aby biochemická mašinérie buňky dokázala aktivovat nezbytné kroky v tom správném pořadí. Jen tak se může embryo zdárně vyvíjet. Ovšem představu o tom, jakou strukturu měla DNA v buňkách druhohorních dinosaurů, samozřejmě nikdo ani v nejmenším nemá. Přehled problémů tím ale rozhodně nekončí. Bylo řečeno, že vajíčko už musí některé věci „umět“. Co tedy vlastně vejce „ví“ a jak je možné, že to „ví“?

———

Ideálním „nosným médiem“ pro zrekonstruovaný genom neptačího dinosaura by nejspíš bylo pštrosí vejce. Je větší než krokodýlí vajíčka a jeho původce je navíc vývojově bližším příbuzným druhohorních dinosaurů. Kredit: Klaus Rassinger, Gerhard Cammerer; Wikipedie (CC BY-SA 3.0)

———

Jedním z významných zdrojů této znalosti je ohromný objem tzv. maternální RNA. Vajíčko je vybaveno vlastní sadou RNA, která určí translaci bílkovin ještě před začátkem „četby“ DNA. Tato maternální sada RNA umožňuje zahájit vývoj embrya a bez ní by tento proces vůbec nemohl být započat. Kromě toho obsahuje buňka i chemický gradient, který určuje orientaci budoucího embrya při vývoji. Je jasné, že tyto nedílné součásti zdárně se vyvíjejícího organismu v případě dinosaurů k dispozici nemáme. Vývoj dinosauřího embrya v matčině těle je jakýsi konečný produkt vysoce specifické následnosti dějů, odehrávajících se ve vyvíjejícím se zárodku i v těle dospělého dinosaura. Jde o událost kontrolovanou informacemi v genomu, ale často také modifikovanou ději, probíhajícími v organismu matky. Jistou roli pak sehrávají i externí faktory, jako je kvalita výživy, nemoci nebo zranění. Vlastně se tak dá říci, že abychom pochopili, jak vyrobit dinosauří vejce na základě dinosauřího genomu, museli bychom už vědět, jak „vyrobit“ samotného životaschopného dinosaura – což je ovšem problém, který řešíme od samotného začátku. A další nesnáze už čekají doslova za rohem. Mezi ty patří například mitochondrie, buněčné organely starající se o dostatek energie v buňce, které mají vlastní DNA. Mitochondriální DNA se stará o výrobu některých bílkovin, které ke své práci mitochondrie potřebují. Buňky v typickém případě obsahují asi 1000 jednotlivých mitochondrií, které vypadají prakticky stejně, a každá obsahuje DNA o délce kolem 20 000 bází.[2] To představuje asi 20 milionů bází v každé dinosauří buňce. Je možné, že v ideálním případě bychom získali z jantaru i části mtDNA, které bychom potom museli přesně identifikovat. Ve srovnání s jadernou DNA je mitochondriální DNA relativně krátká a jednoduchá.[3] Pokud ale zrekonstruujete mtDNA nesprávně, nemůžete uspět. Buněčné jádro produkuje bohatou paletu bílkovin, z nichž některé vycestují do cytoplazmy a interagují zde s mitochondriemi. Protože jaderná i mitochondriální DNA se v buňkách živočichů společně vyvíjí po mnoho milionů let, interagují velmi úzce a jakákoliv drastická změna by tedy vedla k velkým komplikacím.

Problém pak představuje i možnost, že zrekonstruovaná mtDNA dinosaura nebude dobře interagovat s jadernou DNA z dinosauřích buněk. Další neznámou je, jak zrekonstruovat živočicha, který přirozeným způsobem vzniká dodáním dvou sad chromozomů od otce a matky. Výsledný jedinec tak má kombinaci genetických informací od obou rodičů, není ale identický ani s jedním, což skýtá velký evoluční význam. Pokud máte obrovské štěstí, máte k dispozici dostatek fragmentů DNA, ze kterých je možné nejen získat představu o původním genomu ale dokonce i zjistit odlišnosti mezi oběma sadami chromozomů v původním živém tvorovi (reálně je samozřejmě něco takového sotva představitelné). Rozdílné sady chromozomů jsou přitom nesmírně důležité, protože pomáhají vyhnout se náhodným i dědičným genetickým chybám, které mohou vyústit v neživotaschopnost jedince. A výčet dalších kritických nedostatků by mohl dlouho pokračovat. Celá problematika se dá shrnout tak, že vajíčko je silně komplexní „zařízení“, schopné interpretovat pokyny v DNA svého vlastního druhu, zároveň ale neschopné plně pochopit cizí instrukce. Vložit tedy cizí genetický program do vajíčka jiného tvora je jako očekávat od Čecha, že bude ihned rozumět a plynně mluvit francouzsky, protože oba jazyky používají většinou stejná písmena abecedy. Možná některé výrazy pochopíte a budete umět interpretovat, ale je jisté, že si s potěšením hned nepřečtete celou knihu. V Jurském parku postupoval genetik Henry Wu přibližně takto: zkompletovaný dinosauří genom vložil do neoplodněných vajíček krokodýlů a takto pozměněné buňky potom vpravil do syntetických vajec, sestávajících z umělé skořápky a doplňkového bílku a žloutku coby zdroje živin pro vyvíjející se embryo. Nesnáz je ovšem v tom, že u živočichů kladoucích vejce jsou vajíčka umístěna ve vaječnících a po úspěšném oplození teprve nastupují cestu ke zdárnému vývoji. Při sestupování vaječníky se buňka dělí a roste. Postupně je doplňován zásobní materiál pro výživu zárodku a nakonec speciální žláza obalí celý objekt pevnou skořápkou. Ve chvíli kladení vajec je tedy embryo již daleko za stadiem, které by umožňovalo přesměrovat jeho vývoj. Buňky budoucího mláděte už začaly růst a vyvíjet se a tento děj je již nezvratný. Neoplodněná krokodýlí vajíčka jsou nám ovšem také k ničemu – postrádají totiž biochemické struktury, do kterých by bylo možné vložit rekonstruovanou dinosauří DNA.

Musíte tedy v pravou chvíli odstranit krokodýlí DNA z krokodýlího vajíčka (nebo ji alespoň inaktivovat) a nahradit ji dinosauří DNA. Poté musíte krokodýlí vajíčko „přesvědčit“, že už bylo oplodněno, takže se začne vyvíjet. Tak jednoduché to ale samozřejmě není. Stejně jako se lidské embryo nemůže vyvíjet samostatně ve zkumavce, ani dinosauří embryo nemůže růst bez podpory mateřského těla a jeho chemických a biologických signálů. Lepším řešením než bylo to, které jsme viděli ve filmu, by bylo využití pštrosího vejce, a to ze dvou důvodů. Jednak jsou ptáci evolučně bližší dinosaurům než krokodýli (takže je šance, že dinosauří DNA by mohla být kompatibilnější s vajíčkem pštrosa spíše než krokodýla) a jednak je pštrosí vejce větší a objemnější než krokodýlí. Vlastně byste na ostrově Isla Nublar či Isla Sorna měli mít i velkokapacitní pštrosí farmu! Další postup by byl takovýto: odebrali bychom neoplodněná pštrosí vajíčka dospělé pštrosí samici. Následně bychom vyměnili pštrosí DNA za dinosauří DNA a takto pozměněnou buňku bychom vrátili do reprodukčního systému pštrosí samice. V ideálním případě by její organismus vajíčko přijal za své a provedl by s ním všechny nezbytné procedury, ústící ve vznik vajíčka se skořápkou, ukrývajícího živé embryo. Po nakladení vejce by bylo třeba jej rychle odebrat a v laboratoři pod bedlivým dohledem přístrojů pečlivě udržovat v ideálních podmínkách pro jeho další vývoj. Problém ovšem je, že nikdo netuší, jaké by takové ideální podmínky měly být. Stejně tak netušíme, jak probíhá vývoj embrya na základní úrovni, jaký je přesný sled dějů, při kterých jsou aktivovány jisté geny v genomu a jak následně tyto geny interagují s dalšími geny, které mohou dle potřeby aktivovat i „vypínat“. Zkrátka a dobře, v současnosti jsme ještě daleko od sebejistoty, jakou již před čtvrt stoletím projevoval románový (a následně i filmový) genetik a jeho tým.[4] Ale pokračujme ve snění. Dejme tomu, že alespoň jedno embryo z tisíce se vám „uchytilo“ a nyní roste v umělém či vypůjčeném laboratorním vejci. Robotická ruka jej pravidelně otáčí, aby embryo příliš nepřilnulo k jedné jeho straně, a přístroje udržují domněle správnou vlhkost vzduchu a okolní teplotu. Nyní už v podstatě jen doufáte, že příroda udělá svoje a za několik týdnů až měsíců se vyklube malý neptačí dinosaurek.

———

https://luisvrey.files.wordpress.com/2013/09/oviraptor-trilogy-pt2-copy2.jpg?w=504&h=515

Hlavním cílem genetiků v Jurském parku bylo přivést zpět k životu neptačí druhohorní dinosaury. Cesta k úspěšnému vylíhnutí životaschopných dinosaurků z umělých vajec je ale velmi trnitá. Zde přirozenější (již brzký) příchod na svět v podání mongolských oviraptoridů. Kredit: Luis V. Rey, převzato se svolením z jeho blogu.

———

Je jisté, že i v ideálním případě můžete počítat pouze s jedním úspěchem na tisíce či desítky tisíc neúspěšných.[5] Hormonální stimulace pštrosí samice, do níž jste vložili pozměněné vajíčko, totiž může snadno vyústit v nechtěné nakladení neoplodněných vajíček. Ale i pokud již bylo takové vajíčko akceptováno, nemusí správně růst nebo třeba nebude správně obaleno do vápnité skořápky. Vývoj nemusí probíhat podle kýženého genetického programu z dinosauří DNA. Možností, proč neuspějete, jsou doslova kvanta (a samozřejmě je zde i nezanedbatelné etické hledisko)[6]. Navíc netušíte, jak takové vyvíjející se embryo dinosaura vypadá. Může jít pouze o malý terčík z buněk na žloutku vajíčka nebo mít úplně jinou, těžko představitelnou podobu. Nemusí být zpočátku vůbec nápadné a rozeznatelné. Klíčovým bodem je v tomto případě úspěšné projití fází gastrulace. Teprve po ní získává dosud neforemná kupka buněk tvar charakteristický pro embryo budoucího tvora.[7] Následná distorze tvaru, naprogramované úmrtí některých buněk a další řízený vývoj už může spět ke správnému cíli. Na tomto místě lze dodat, že dostat se až sem by znamenalo zajistit si několik desítek Nobelových cen za biologii a chemii najednou. Ale pojďme dál. Nějakou dobu by samozřejmě trvalo, než bychom rozlišili, zda jde o embryo pštrosa nebo druhohorního teropodního dinosaura. Vlastně ani nevíte s jistotou, zda se vám vylíhne dinosaurus, hybrid mezi neptačím dinosaurem a pštrosem nebo dokonce mezi dinosaurem, pštrosem, kuřetem, vrabcem a pelikánem (záleží na tom, jaké fragmenty náhradní DNA jste použili). A tak čekáte, embryo se zvětšuje, zásoby živin ve žloutku naopak zmenšují. Blíží se den „D“. Teplota v místnosti činí asi 38 °C, obsah kyslíku je vyšší než ve venkovní atmosféře (ideální může být i přes 30 % oproti běžným 21 %). Otázkou je také, co udělá teplota s pohlavím dinosauřího embrya. U některých plazů určuje právě okolní teplota, zda se z vajíček vylíhnou samečci nebo samičky.[8] V Jurském parku genetici vyřešili otázku pohlaví dinosaurů jednoznačně – ozářili embrya tak, aby všichni jedinci byli samicemi a nemohli se tedy nekontrolovaně rozmnožovat. Jenže si neuvědomili, že pro „zaplátování“ chybějících částí genomu použili v jistých případech DNA bezocasých obojživelníků, tedy žab. A některé žáby dokážou v případě potřeby a pod tlakem nepříznivých životních podmínek měnit své pohlaví.[9] Mohlo by na tom ale ve skutečnosti něco být? Bohužel, v reálném světě je tato zajímavá románová zápletka zcela nesmyslná.

V první řadě je jisté, že z celého genomu žáby je jen velmi malý úsek zodpovědný za určování pohlaví. Šance, že by se genetici „strefili“ právě do této části DNA je tedy mizivá. Zadruhé, schopnost změny pohlaví u žab rozhodně nekontroluje pouze jediný gen, ale složitá interakce mnoha různých genů. Tyto geny přitom rozhodně nemusí být umístěny na jednom místě pospolu. Naopak mohou pocházet z mnoha různých oblastí genomu, takže je těžko uvěřitelné, že by k jejich selekci a hromadnému využití čirou náhodou došlo. A za třetí, i kdyby se to nějakou astronomickou shodou náhod povedlo, není žádný důvod se domnívat, že v organismu dinosaura by tyto geny měly stejný efekt jako u původních „majitelů“. Signální funkce těchto genů by v biochemické mašinérii dinosaurů mohla způsobit pořádný chaos, v lepším případě by se nijak neprojevily, v horším by ale mohly vést k fatálním a nepředvídatelným změnám (například v podobě smrtelných chorob, neplodnosti, fyzických deformací apod.). Genom každého organismu se vyvinul vcelku, a tak akce jednoho genu vyvolává silnou a specifickou reakci pro akce jiných genů. Vložení cizorodé sady genů do genomu jiného druhu by tedy mělo za následek s největší pravděpodobností nefunkční genom. Pokud jednotlivé sady genů nedokážou spolupracovat, je se všemi vašimi nadějemi konec. Geny rozdílných druhů nemohou pohromadě fungovat, nevědí totiž, jak spolu komunikovat. Jak je tedy vidět, problémů s klonováním dinosaurů z jejich pravěké DNA uchované v jantaru či zkamenělinách je tak velké množství, že i v roce 2017 činí tuto perspektivu, mírně řečeno, velmi nejasnou. Nedá se říci, že v případě velmi prudkého rozvoje technologií v příštích dekádách a snad i staletích už nikam dál neposkočíme (stačí se ostatně ohlédnout za úžasnými poznatky a výzkumy posledních let), k naklonování opravdového druhohorního dinosaura nám ale nejspíš stále bude něco chybět. Možná vás v záchvatu science-fiction rozjímání napadne, zda je pravděpodobnější vytvoření funkčního stroje času. Kdo ví, ale v dohledné budoucnosti se i toto jeví jako zcela nedosažitelná vize.[10] Jisté je, že Michael Crichton se svým Jurským parkem předběhl technologické i vědecké možnosti doby – pravděpodobně v řádu celých staletí. Ještě ale naši sérii nekončíme…dejme tomu, že by se nám i přes všechny zmíněné problémy dinosauři skutečně vylíhnuli. Co s nimi dál? (pokračování příště)

———

Literatura:

DeSalle, R., Lindley D. (1997). The Science of Jurassic Park and the Lost World, Basic Books/HarperPerrenial, New York.

———

[1] Bianconi, E.; Piovesan, A.; Facchin, F.; Beraudi, A.; Casadei, R.; Frabetti, F.; Vitale, L.; Pelleri, M. C.; Tassani, S.; Piva, F.; Perez-Amodio, S.; Strippoli, P.; Canaider, S. (5 July 2013). „An estimation of the number of cells in the human body.“. Annals of Human Biology. 40 (6): 463–71. doi:10.3109/03014460.2013.807878

[2] Henze K., Martin W. (2003). „Evolutionary biology: essence of mitochondria“. Nature. 426 (6963): 127–8. doi:10.1038/426127a

[3] Anderson, S.; Bankier, A. T.; Barrell, B. G.; de Bruijn, M. H. L.; Coulson, A. R.; Drouin, J.; Eperon, I. C.; Nierlich, D. P.; Roe, B. A.; Sanger, F.; Schreier, P. H.; Smith, A. J. H.; Staden, R.; Young, I. G. (1981). „Sequence and organization of the human mitochondrial genome“. Nature. 290 (5806): 457–65. Bibcode:1981Natur.290..457A. doi:10.1038/290457a0

[4] Wakayama S., Kohda T., Obokata H., Tokoro M., Li C., Terashita Y., Mizutani E., Nguyen V. T., Kishigami S., Ishino F., Wakayama T. (7 March 2013). „Successful serial recloning in the mouse over multiple generations“. Cell Stem Cell. 12 (3): 293–7. doi:10.1016/j.stem.2013.01.005

[5] Ono T., Li C., Mizutani E., Terashita Y., Yamagata K., Wakayama T. (Dec 2010). „Inhibition of class IIb histone deacetylase significantly improves cloning efficiency in mice“. Biol Reprod. 83 (6): 929–37. doi:10.1095/biolreprod.110.085282

[6] McGee, G. (October 2011). „Primer on Ethics and Human Cloning“. American Institute of Biological Sciences.

[7] Viz web http://www.gastrulation.org/

[8] Warner D. A., Shine R. (2008). „The adaptive significance of temperature-dependent sex determination in a reptile“. Nature. 451 (7178): 566–568. doi:10.1038/nature06519

[9] Grafe, T. U.; K. E. Linsenmair (1989). „Protogynous sex change in the reed frog: Hyrperolius viridiflavus“. Copeia. 4 (4): 1024–1029. doi:10.2307/1445989

[10] Hawking, Stephen (April 27, 2010). „STEPHEN HAWKING: How to build a time machine“. Daily Mail.

———

Napsat komentář

Filed under Jurský park a jiné filmy, O dinosaurech obecně, Spekulativní paleontologie

Napsat komentář

Vyplňte detaily níže nebo klikněte na ikonu pro přihlášení:

WordPress.com Logo

Komentujete pomocí vašeho WordPress.com účtu. Log Out / Změnit )

Twitter picture

Komentujete pomocí vašeho Twitter účtu. Log Out / Změnit )

Facebook photo

Komentujete pomocí vašeho Facebook účtu. Log Out / Změnit )

Google+ photo

Komentujete pomocí vašeho Google+ účtu. Log Out / Změnit )

Připojování k %s