Biologie přelomu tisíciletí Mgr. Pavel Netušil, 2007 Studium biologie, pokud se jí chce člověk věnovat se zanícením a zaujetím, nikdy nekončí. Nejenže neustále přibývají nové poznatky, ať už v evoluční biologii, genetice, molekulární biologii, medicíně nebo systematické biologii, ale zároveň musíme často upravovat již vžitá původní tvrzení. Málokterá věda opravuje vlastní tvrzení na základě nových výzkumů a poznatků tak často jako biologie. Připomenu namátkou některé novinky za posledních několik málo let: živočichové mohou využívat fotosyntézu; rostliny zase mají čich; matka může porodit cizí dítě, aniž by byla uměle oplodněna; živorodost savců stejně jako neschopnost lidí tvořit si v těle vitamín C je výsledkem pradávné virózy; některé neurony mají schopnost se rozmnožovat; na ostrově Flores žili moderní lidé zároveň s neznámým trpasličím druhem lidí. Zde jde jen o jakési „rozinky“, mnohé vědní disciplíny jako např. systematická biologie, evoluční biologie, molekulární biologie nebo genetické inženýrství chrlí nové poznatky po tisících a nechávají tak vyrůst novým nosným větvím košatého stromu biologie.
Systematická biologie Věda třídící organizmy do přehledného systému prošla zásadním vývojem. Tradiční pojetí dělilo rostliny a živočichy v převážné míře podle sledovatelných vnějších a vnitřních znaků, např. podle tvaru květu nebo podobnosti larev. Nyní je toto tradiční pojetí průběžně doplňováno a zpřesňováno poznatky cytogenetickými – organismy řadíme tím blíže k sobě, čím podobnější mají genetickou informaci (DNA). Bohužel pro školní výuku jsou tyto zásahy většinou nevhodné, protože podobnost ve stavbě květů pochopí student podstatně snáze než míru příbuznosti DNA. Neustálé inovace mají bohužel za následek situaci, kdy téměř nelze najít dvě učebnice se stejným biologickým systémem. Problém nastává již při stanovování nejvyšších taxonů, tzv. říší (regnum). Tradiční pojetí poloviny minulého století zavádělo jednoduchý a přehledný systém 4 říší: prokaryota neboli prvobuněční (bakterie a sinice), houby, rostliny a živočichové. Někdy se k nim přidávala pátá říše nebuněční, kam patřily viry. Osmdesátá léta minulého století a roky následující však svými novými poznatky rozbily toto pojetí napadrť. K virům přibyly viroidy a priony, o kterých se zmíním ještě později. Cytogenetické rozbory dále odhalily, že se bakterie skládají ze dvou navzájem velmi vzdálených skupin (nazvány byly archebakterie a eubakterie). Do jedné z nich bylo možno zařadit také do té doby samostatně řazené skupiny sinic a prochlorofyt, ale dokonce také některé buněčné organely rostlin a živočichů, konkrétně mitochondrie a chloroplasty. Prokázalo se, že obrovská strukturální rozdílnost buněk živočichů a bakterií vznikla tak, že do některých bakteriálních buněk vnikaly jiné, které v nich plnily určité specializované funkce, např. energetický metabolismus nebo fotosyntézu. Hostitelská buňka jim umožnila rozmnožování, ale pouze v rámci své struktury, takže se v důsledku staly navždy jejich součástí. Nejnovější výzkumy v jednadvacátém století dokonce prokázaly bakteriální původ také u tak svébytné struktury, jako je buněčný bičík. Definitivní ránu z milosti skupině prokaryot však přineslo zjištění, že archebakterie jsou geneticky bližší rostlinám a živočichům než eubakteriím. Je to evolučně pochopitelné – z archebakterií vznikly před 3,5 miliardami let (plus mínus, nějakých sto miliónů let zde nehraje roli) na jedné straně eubakterie, na druhé houby, rostliny a živočichové. Evoluce bakterií však z mnoha důvodů probíhá mnohem rychleji než u mnohobuněčných organismů, proto se svému vzoru vzdálily mnohem rychleji a více než my. To vedlo některé systematiky k přejmenování říše archebakterií na archea, aby ani svým názvem nenaznačovali významnou blízkost k eubakteriím. Převratné objevy ve výzkumu bakterií však nejsou svými následky ničím proti výzkumu jednobuněčných rostlin a živočichů. Jde o příliš obsáhlou a neustálenou problematiku, omezím se proto na konstatování, že byly zavedeny říše protista a chromista, přičemž obě mají jak mnoho zastánců, tak také odpůrců. Z jednotného systémů říší se tak stalo asi pět.
Jak se promítl překotný vývoj do systematiky rostlin a živočichů, si ukážeme na jednom jediném příkladu rostliny s notoricky známým jménem pampeliška. Známá „pampeliška“ poskytující mlíčí pro domácí zvířectvo se dlouhou dobu jmenovala pampeliška jen v lidovém pojetí, její botanický název byl smetánka lékařská (Taraxacum officinale). V té době byl však rod rostlin s podobnými žlutými květy, avšak s méně dužnatými listy a menším množstvím mléčnic nazýván botanicky pampeliška (Leontodon). Vývoj názvosloví dokumentuje následující tabulka: rok 1985 1995 2005
český název pro Taraxacum smetánka pampeliška pampeliška
český název pro Leodonton pampeliška podzimka máchelka
Současná situace je taková, že se rod pampeliška rozpadá na 7 sekcí (např. pampeliška krkonošská, pampeliška lékařská aj.). Sama sekce pampelišky lékařské (Taraxacum sect. Ruderalia) u nás čítá 5 druhů; latinský název Taraxacum officinale se již v ČR nepoužívá, protože je vyhražen pro jeden severský druh této sekce, který u nás neroste. Celkově dle nového systému roste v ČR 62 druhů pampelišek! Autoři atlasů si s tím však z poměrně logických důvodů hlavu nelámou a zobrazují vždy jen jeden, u nás neexistující druh pampeliška lékařská s latinským názvem Taraxacum officinale. Podobně je to v dalších oblastech systematické biologie, zejm. v oblasti prvoků nebo hub.
Farmakobotanika Neustále nové a nové rozbory všech možných druhů rostlin stále zpřesňují naše poznatky o nich. V mnoha ohledech se potvrzují zkušenosti našich předků, jiné zkušenosti se nepotvrzují nebo jsou změněny pod vlivem dalších informací. Mezi často používané léčivky patřil např. plicník lékařský – jeho účinek se však ukázal být natolik slabým, že se od jeho používání upouští. Podběl lékařský (Tussilago farfara) byl odedávna používán jako léčivka v boji proti kašli. Dávný původ tohoto využití dokládá i odborný název (tussis - kašel, ago - ženu, odháním). Moderní farmakologie však na tento oblíbený jarní kvítek naprosto změnila názor poté, co v něm byly objeveny pyrrolizidinové alkaloidy (velmi podobné jako u starčeku, který je kvůli nim označován za jedovatou rostlinu). Jde o významné hepatokarcinogeny, tedy látky způsobující rakovinu jater. Z těchto důvodů bylo dokonce navrženo vyřadit podběl z materia medica, tedy z oficinálního seznamu léčiv. Doporučuje se nepoužívat jej déle než týden a při sběru vyřadit plně nerozvinutá poupata. V každém případě jsou bezpečnější listy, v nichž je koncentrace alkaloidů výrazně nižší.
Evoluční biologie Seriózní vědecká diskuse o existenci evoluce a platnosti Darwinovy teorie skončila před 100 lety a ve svém projevu v roce 1996 uznal Darwinovu teorii za hodnou studia i Jan Pavel II. Přesto je fakt evoluce uznáván mezi lidmi omezeně (podle průzkumu Gallupova ústavu v roce 1991 47% respondentů v USA věřilo, že Bůh stvořil Zemi v posledních 10 000 letech). Část lidí nikdy nedospěla do stádia, kdy by cítili potřebu si úvodní otázky položit, natož pak zodpovědět, část lidí má tendenci věřit autoritám, které potkali a obsah sdělení je pro ně podružný ve srovnání s osobou sdělujícího. Možnost evoluci pochopit je výsadou, kterou poskytuje jeden z posledních evolučních vynálezů, schopnost abstraktního myšlení, a je věcí každého, jak svět kolem sebe vnímá. Evoluční biologie v posledních 40 letech opustila nadobro svůj paleontologický základ a pevně spojila svůj život s molekulární biologií a genetikou. Studium genetické informace ukazuje stále zřetelněji, že k sobě mají živočichové této planety včetně člověka ještě blíže, než se kdykoli soudilo. Došlo k výraznému zpřesnění fylogenetického stromu vývoje rostlin, živočichů i člověka. Evoluce člověka Evoluční biologie spolupracuje s mnoha dalšími biologickými odvětvími. Některé okamžiky naší minulosti, jako např. oddělení linie vedoucí k lidem od linie šimpanzí, je díky tomu doloženo
z různých stran, přičemž vše do sebe zapadá jako v dobré detektivce. Na základě srovnání šimpanzí a lidské DNA stanovili genetici dobu trvání obou samostatných variant na 4 200 000 let. Geologové již před tím stanovili stáří Etiopské a Východoafrické vysočiny na 5 mil. let. Sopečná činnost tehdy vytvořením těchto pohoří rozdělila tehdejší populaci Ardipitéků na část západní a východní. Protože vláhu zde přinášely zejm. západní větry, které se nyní zastavovaly na novém pohoří, začala východní část pralesa usychat. A zde přispěchali se svou troškou do mlýna botanici. Analýzou pylových zrn v jednotlivých vrstvách prokázali, že už v době před 4 mil. let začalo stromů ubývat a časem začaly na tomto území převládat savany. Tato změna přinutila naše předchůdce k častější chůzi po dvou a ejhle, dle kosterních nálezů zde máme již z doby před 3,5 mil. let doloženu širokou pánev, základní předpoklad pro chůzi lidského typu. V západní části pralesa zatím nerušeně pokračovalo přizpůsobování stejných lidoopů životu ve větvích stromů - a výsledkem je současný šimpanz. Na hrubém čtení šimpanzího genomu se podílelo 67 vědců z 23 výzkumných institucí. Výzkum ukázal, jak málo se člověk liší od lidoopa, a otevřel cestu k řešení starých i nových otázek o nás samých, jak zdůrazňuje jeden z účastníků projektu, profesor Robert Waterston z univerzity v americkém Seattlu. „Stále nemáme v ruce odpověď na nejzákladnější otázku: Co nás dělá lidmi? Srovnání genomů však dramaticky zužuje prostor pro pátrání,“ tvrdí profesor Waterston. On a jeho kolegové zjistili, že genetická výbava šimpanzů a lidí se liší ve 35 až 40 milionech z více než tří miliard „písmen“ dvojšroubovice DNA, nositelky dědičnosti. „V rámci těch 40 milionů zjevně leží základ toho, co nás dělá lidmi,“ domnívá se Waterston. Čtyřicet milionů rozdílných „písmen“ genetického kódu není nijak málo, ale někteří molekulární biologové soudí, že počet významných rozdílů bude nižší, jelikož drtivá většina těchto změn se nachází v odpadní DNA. Vědci však našli ještě další rozdíly: některé části řetězce DNA u šimpanzů a jiné u lidí buď chybějí, nebo jsou naopak zdvojeny. Na úrovni bílkovin, jejichž tvorbu geny řídí, se zdá, že lidé se od šimpanzů přece jen liší zásadněji. Jen třetina bílkovin u lidí a šimpanzů je zcela totožná. Ale i tam, kde jsou rozdíly, jsou velmi malé. Často se liší jen jedna ze stovky aminokyselin, což jsou stavební kameny bílkovin. „Když vidím, jak jsou lidé zvláštní a jak moc obsadili planetu, jsem překvapen, že nenacházíme silnější důkaz o odlišnosti našeho genomu. Jsem stále ještě trochu vyveden z míry nad tím, jak jsou si lidé a šimpanzi podobní,“ řekl listu Die Welt Svante Pääbo z lipského Institutu evoluční antropologie. Pääba překvapuje jen míra podobnosti. Ještě nedávno bylo šokující, že vůbec někdo mohl oba druhy přirovnávat. Když s myšlenkou příbuznosti před půldruhým stoletím vystoupil Charles Darwin, byl to obrovský skandál - lidé se bouřili proti představě, že by měli mít s opicí něco společného. Dnes vyvolávají podobná zjištění pocit nadšení, aspoň u vědců. „Nedokážu si představit, že by Darwin mohl najít silnější potvrzení svých teorií,“ prohlašuje Waterston. Za nadšením se skrývá i trocha „politiky“. Poznání genetické výbavy šimpanzů totiž přichází v době, kdy se Darwinova evoluční teorie stává v USA terčem sílících útoků kreacionistů, tedy těch, kdo věří, že člověk byl stvořen nějakou vyšší bytostí. Nedávným objevem (1999) jsou pozůstatky australopitéka na lokalitě Bouri v pouštní oblasti Etiopie. Žil před 2,5 mil. let a používal kamenné nástroje ke čtvrcení kořisti. Nalezený jedinec byla žena o velikosti 1,2 m, nedaleko ní byly nalezeny kosti antilopy, jež nesly stopy po kamenných nástrojích a byly rozdrceny (zřejmě kvůli morku). Jelikož se takovéhoto nálezu na dané lokalitě nikdo nenadál, byl nazván svým objevitelem Timem White z Kalifornské university v Berkeley Australopithecus garhi (překvapující). Dalším nálezem byl r. 2001 nový druh poměrně odlišný od australopitéků, avšak s mnoha lidskými znaky. Objevila jej Meave Leakeyová a byl nazván Kenyantrophus platyops. V r. 1997 se podařilo izolovat mitochondriální DNA neandrtálce z prvního nálezu v Neandertalu u Düsseldorfu. Porovnáním s mitochondriální DNA člověka se prokázalo, že k oddělení našich vývojových linií došlo již zhruba před 500 tisíci lety a neandrtálec nemůže být naším vývojovým předkem. Stále však zůstávají nezodpovězené otázky kolem příčin jeho vyhynutí. Endogenní retroviry Zásadními objevy však byly objevy funkcí tzv. endogenních retrovirů. Jedná se o viry, které se umějí zapsat do lidské DNA podobně jako infekční retroviry, např. virus HIV. Nejsou však in-
fekční, zpravidla vůbec neopouštějí buňku hostitele a množí se spolu s ní. V naší DNA je asi 1 % aktivních genů (podle nichž tělo vytváří bílkoviny), zatímco endogenní retroviry zabírají kolem 8 % naší DNA! Jejich existence souvisí s neschopností části hmyzožravců v době třetihor syntetizovat vitamín C, což přispělo ke vzniku primátů, žijících na stromech. Ještě před tím však umožnily retroviry izolací buněk imunitního systému vznik živorodosti. Nebýt těchto virů, imunitní systém matky by zlikvidoval zárodek jako soubor podezřelých buněk s nesprávnou genetickou informací (jediná správná genetická informace je pro buňky imunitního systému jejich vlastní DNA, proto je takový problém najít vhodné dárce orgánů).
Virologie Medicínská bakteriologie slavila stěžejní úspěch již v první půli minulého století, kdy A. Fleming objevil antibiotika. Podobné látky ničící viry nebudeme mít pravděpodobně ještě mnoho desítek let k dispozici. V tuto chvíli neexistuje žádná „obecná“ skupina antivirových léčiv, která by svou účinností byla srovnatelná s antibiotiky. Ono je to v jistém smyslu i logické. Bakterie mají vlastní biosyntetický aparát, který se liší od buněk vyšších organismů. Boj proti bakterii můžete proto cílit právě proti těmto komponentám. Naproti tomu viry nic podobného nevlastní, využívají, respektive zneužívají biosyntetický aparát buňky hostitelského organismu. Takže je těžší proti nim použít specifické zbraně, které by současně neničily i lidské buňky. Vlastně první obranou proti virům nebyla antivirotika, ale antivirové vakcíny (neštovice, polio-obrna...). Některé nemoci se díky vakcínám podařilo výrazně potlačit a stále jsou vyvíjeny vakcíny nové. Hitem posledních let je vakcína proti rakovině děložního čípku. Tento typ rakoviny je totiž na rozdíl od většiny typů rakoviny vyvoláván viry (tzv. onkoviry). Vývojem vakcín však boj proti virům nemůže končit – neustále jsou vyvíjeny léky, které by je pomohly ničit cíleně, tzv. antivirotika. Už jsme si řekli, že nemohou fungovat na všechny viry obecně – jak tedy vlastně fungují? S trochou nadsázky by se dalo říci, že každý jinak, každý zabírá proti jinému viru a proti konkrétní fázi virového životního cyklu. Dnes asi nejznámější preparát, Tamiflu, působí tak, že brání chřipkovému viru opustit napadenou buňku – virus zůstane nalepen na buněčnou membránu, a nemůže se tedy dále šířit. Další známou antivirovou léčbou je kombinace inhibitorů množení viru HIV, v dnešní době se používají inhibitory virové replikázy (reverzní transkriptázy) a inhibitory proteázy, enzymu, který zajišťuje správné poskládání viru při jeho výstupu z buňky. Jiné antivirové preparáty zase třeba blokují vstup viru do buňky. Jenže ani proti některým variantám chřipkových virů není Tamiflu bohužel příliš účinným prostředkem, musí se každopádně nasadit včas a podávat v dost velkých dávkách. Rychlé objevování variant viru HIV, které jsou rezistentní na virové inhibitory, je také důvodem toho, že účinného zastavení množení HIV lze dosáhnout až při použití kombinace několika inhibitorů. S lékem Tamiflu se dostáváme k oblíbenému tématu médií v roce 2006 – ptačí chřipce. V současné době není virus ptačí chřipky H5N1 přenosný z člověka na člověka. Právě možnost, že by k tomu v budoucnu došlo, vyvolává obavy z pandemie chřipky. Ona už i „obyčejná“ lidská chřipka představuje docela problém – je to nepříjemné onemocnění s určitým procentem mortality, které však postihuje pravidelně obrovský počet lidí na celém světě (10 % populace ročně onemocní chřipkou). Obavy zvyšuje fakt, že různé varianty chřipkového viru v nedávné minulosti už řadu pandemií způsobily, a zdaleka se nejedná jen o chřipku španělskou, která zahubila více lidí než bojiště první světové války. No a fakt je i to, že jakmile zjistíte, že nějaký patogenní organismus má schopnost mezidruhového přenosu, na klidu to také nepřidá. Máme s tím zkušenosti – SARS je původem virus cibetek, HIV zase virus opičí.
Kmenové buňky Jedna z největších biologicko-medicínských revolucí souvisí s výzkumem kmenových buněk. V lidském těle najdeme celou řadu buněk schopných obnovovat jeho poškozené či opotřebené části. Označujeme je jako buňky kmenové. Ty prodělávají buněčné dělení podobně jako jiné
buňky, ale v jejich případě nevznikají z jedné mateřské buňky dvě rovnocenné buňky dceřiné. Produktem jejich "asymetrického" dělení jsou dva diametrálně odlišné typy buněk. Jeden se prakticky neliší od výchozí mateřské kmenové buňky a je tudíž předurčen k tomu, aby udržoval v těle železnou zásobu kmenových buněk. Druhý je základem pro vznik nových specializovaných buněk, jejichž stavy je třeba obnovit. Rejstřík proměn buněk předurčených k další specializaci je různě široký. Některé kmenové buňky mají před sebou jen jednu "profesi"a hovoří se o nich jako o unipotentních buňkách. Patří k nim například spermatogoniální buňky, které se dělí ve varleti jednak na další spermatogoniální buňky a jednak na buňky, které jsou předurčeny k proměně ve spermie. Unipotentní buňky lze využít k léčbě chorobných stavů. Transplantací cizích spermatogoniálních buněk byla u neplodných samců pokusných zvířat obnovena narušená tvorba spermií a uplatnění výsledků tohoto výzkumu v humánní medicíně by mohlo otevřít nové možnosti léčby neplodnosti mužů. Před jinými kmenovými buňkami se otevírá více osudů, a ty pak označujeme jako multipotentní. Nervové kmenové buňky mohou v mozku zajišťovat vznik různých typů buněk nervového systému, krvetvorné kmenové buňky zase zajišťují kromě vlastní obnovy i vznik červených krvinek a buněk plnících úkoly imunitní obranu. Využití multipotentních typů kmenových buněk nachází už dnes významné uplatnění při léčbě nejrůznějších chorobných stavů. Je například základem úspěchu při transplantacích kostní dřeně. Existují ale buňky, kterým není odepřen žádný z možných buněčných osudů. Takové buňky označujeme jako pluripotentní. Nejsou sice schopny vytvořit nového jedince, ale jinak se dokážou proměnit v jakýkoli typ buněk těla. Pluripotentní buňky najdeme v embryoblastu časného zárodku. To je ta část zárodku, která se vyvíjí ve vlastní embryo. Zbývající část zárodku, tzv. trofoblast, je předurčen k proměně v plodové obaly a placentu. Jeho buňkám není pluripotence dopřána. Právě z embryoblastu lze ve vhodných kultivačních podmínkách vypěstovat neomezeně se množící linii buněk, které si udržují pluripotenci. Takovou linii buněk označujeme jako embryonální kmenové buňky. Již počátkem osmdesátých let se podařilo vědcům získat tento jedinečný typ buněk kultivací embryoblastu myši. Myší embryonální kmenové buňky přinesly do biologie skutečnou revoluci. S jejich pomocí bylo možné například vyšlechtit myši, které měly cíleně vyřazen z činnosti vybraný úsek dědičné informace. Technika označovaná jako genový knockout znamenala zásadní průlom ve studiu funkce genů. Laická veřejnost se díky kampani sdělovacích prostředků začala o embryonální kmenové buňky zajímat až na sklonku devadesátých let, poté co byly v roce 1998 publikovány hned dvě práce oznamující vypěstování lidských embryonálních kmenových buněk. Tento objev byl prezentován rozporně. Na jedné straně byly lidské embryonální kmenové buňky líčeny jako "živá voda", na druhé straně byla jejich produkce prohlašována za zločin. Optimisté čerpají své naděje ze skutečnosti, že se lidské embryonální buňky mohou díky své pluripotenci proměnit za vhodných kultivačních podmínek na jakýkoli typ buněk lidského těla. Mohou z nich vznikat nové krvetvorné buňky, nové neurony, buňky srdečního svalu nebo buňky slinivky produkující inzulín. Potenciální možnosti léčby degenerativních onemocnění nebo úrazů pomocí embryonálních kmenových buněk se zdají nevyčerpatelné. Při vytvoření lidských embryonálních kmenových buněk je ale proměněno lidské embryo (a tudíž potenciální lidská bytost) v masu buněk, z které už tato bytost vzniknout nemůže. Tvorbu lidských embryonálních buněk proto mnozí lidé vnímají jako zničení lidského života a je pro ně nepřijatelná podobně jako umělé přerušení těhotenství. Společnost se dostává do nelehké situace. Na jedné straně se jí nabízí perspektiva úspěchů v boji s chorobami, které dnešní medicína zvládá jen s obtížemi nebo je vůbec neumí léčit. Na druhé straně je tento příslib zatížen faktem, že tu dochází k dezintegraci lidského zárodku. Řešení tohoto sporu lze nalézt jen diskusí. Diskuse o lidských embryonálních kmenových buňkách bohužel ne-
jednou sklouzává z věcné konfrontace stanovisek v hádky plné emocí. V USA se právě svádí rozhodující boj – demokratická většina Kongresu hodlá povolit výzkumy kmenových buněk pro účely humánní medicíny, republikánský prezident G. Bush je odhodlán jakékoliv takové pokusy vetovat. Prezident Bush a jeho stoupenci především z řad náboženských kruhů argumentují, že mikroskopická, čtyři dny stará embrya, ze kterých se kmenové buňky získávají, jsou potenciální lidské bytosti. Odebrání kmenových buněk z embryí považují za neetické dokonce i v případě záchrany života. Naproti tomu profesor Hawking tyto námitky odmítá a přirovnává odnětí buněk z lidských embryí k transplantaci orgánů od mrtvých lidí. "Skutečnost, že kmenové buňky mohou pocházet z embryí, není důvodem k odmítnutí výzkumu, protože embrya stejně zahynou," tvrdí. Otec nejistý, matka také nejistá? Výzkumy kmenových buněk myší vedly k objevu, který zásadním způsobem mění náš pohled na otázku mateřství. Buňky kostní dřeně prokazují překvapivé „rekvalifikační" schopnosti. Kromě krvetvorby a dalších úloh, jež mají v „popisu práce", se mohou za určitých podmínek zhostit úkolů zcela neočekávaných, např. se „přeškolit" na buňky jater či srdečního svalu. Tým amerického biologa Jonathana Tillyho z bostonské Massachusetts General Hospital přišel na stránkách renomovaného vědeckém časopisu Cell („Buňka“) s důkazy „rekvalifikace", které nás nutí vytrhnout první strany učebnic reprodukční biologie a odnést je ke kontejnerům s tříděným odpadem. Takto zlikvidovaný text bychom měli nahradit konstatováním, že buňky kostní dřeně putují v těle samic krevním oběhem do vaječníků a tam se mění ve vajíčka. Tillyho tým není v oboru revolucí nováčkem. V roce 2004 vyvrátil půlstoletí tradované dogma, podle kterého se samice savců rodí s hotovou zásobou vajíček a z té už jim pak celý život jen ubývá. Bostonští revolucionáři dokázali, že si myši vytvářejí ze zárodečných kmenových buněk záplavu nových vajíček po celý život. Odborníci se ještě nevzpamatovali z šoku a Tilly už je nutí polknout ještě nestravitelnější sousto. Při pátrání po původu zárodečných kmenových buněk narazil jeho vědecký tým na buňky s příslušnými buněčnými „rysy" v myší i lidské kostní dřeni. Zjistili, že tyto buňky dokonce reagují na průběh pohlavního cyklu. V dalších pokusech zbavili Tilly se spolupracovníky myší samice všech pohlavních buněk látkami používanými běžně při chemoterapii nádorů. Zvířata zůstala trvale neplodná. Pokud však dostala kostní dřeň nebo krevní transfuzi od zdravé myši, začaly se v jejich vaječnících objevovat stovky nových vajíček. O původu vajíček nebylo pochyb. Na rozdíl od neplodných příjemkyň nesly myši-dárkyně v dědičné informaci gen pro světélkující zelený protein medúzy, a světélkování vajíček myší vyléčených z neplodnosti proto spolehlivě prozrazovalo původ nově vytvořených pohlavních buněk. První vajíčka se objevila ve vaječníku léčené myši už za 30 hodin po transplantaci kostní dřeně. To je rychlost až podezřelá, protože savčí vajíčko obvykle potřebuje k vývoji celé týdny. Tilly vysvětluje „vaječný kalup" tím, že vajíčka prodělala část vývoje v kostní dřeni a v krvi během cesty z kostní dřeně do vaječníků. Zbývá dokázat, že takto vzniklá vajíčka zvládnou oplození, následný embryonální vývoj a narodí se z nich zdravé mládě. Odpověď na tuto otázku je s to zpochybnit zásadu tradovanou od antiky: „mater semper certa" (matka je vždy jistá). Tillyho experimenty otevírají možnost, že po krevní transfuzi či transplantaci kostní dřeně dojde k zabudování buněk dárce do vaječníků pacientky a tam se přemění ve vajíčka. Vyléčená žena by pak mohla počít a porodit dítě z vajíčka obsahujícího dědičnou informaci dárce. Nebyla by proto jeho biologickou matkou. Jonathan Tilly se k této možnosti nestaví skepticky a odvolává se na případy žen a dívek, které byly neplodné, avšak po transplantaci kostní dřeně porodily zdravé děti. Získání pádného důkazu v podobě výsledků analýz dědičné informace žen vyléčených transplantací kostní dřeně a jejich dětí zřejmě uvázne na etických problémech. Odhalení pravé biologické totožnosti dítěte by určitě nebylo příjemné ani pro domnělou matku, ani pro dítě samotné. Čeká se tedy na nezávislé potvrzení vzniku vajíček z vybrané populace buněk kostní dřeně u myší a na studie, které by prokázaly existenci toho fenoménu i u dalších savců včetně člověka. Takto získané poznatky by jistě našly praktické uplatnění v chovu a šlechtění hospodářských zvířat, při záchraně ohrožených druhů a v neposlední řadě i při léčbě neplodnosti.
Klonování Kmenové buňky lze získat v zásadě třemi způsoby. Mezi eticky nejčistší patří terapeutické klonování. O klonování se vedou ještě vášnivější spory než o kmenové buňky. Charakteristické pro ně je to, že většina odpůrců klonování není vůbec schopna vysvětlit, jak tento proces probíhá. Tak tedy klonování je způsob regenerace celého organismu (případně jeho orgánů, resp. cílená tvorba kmenových buněk) z diferencovaných buněk tkání. Vědcům se již podařilo naklonovat většinu domácích zvířat, první byla ovce Dolly. Jak ono klonování probíhá? Je nutné získat oplodněné vajíčko a odstranit z něj genetickou informaci. Tuto informaci (která vznikla smícháním DNA dvou jedinců, je jedinečná a neopakuje se u žádného jiného jedince druhu) nahradíme obsahem jádra vyňaté z tělesné buňky klonovaného jedince. Oplozené vajíčko tak získá DNA „mateřského“ jedince a jeho dalším dělením vznikne organismus, který bude s matkou geneticky identický. Matky může mít dvě: tu, která jej porodila, a tu, která mu darovala genetickou informaci a jejímž je tedy klonem. O klonování koluje mnoho fám. Jedna z nich říká, že umožní vrátit na Zemi nežádoucí osoby typu Hitlera či masových vrahů. Jde o dvojnásobný nesmysl. Za prvé v případě genetiky člověka není cílem tvorba jedince, ale pouze jeho orgánů či kmenových buněk. Zároveň technologie klonování člověka není dosud na takové úrovni, aby něco takového umožňovala. Přesto se jednou zřejmě setkáme s tím, že principielně bude naklonování člověka jako jedince možné. Avšak ani potom nebude obava z lidských duplikátů namístě. Můžeme-li zkopírovat DNA, v žádném případě to neznamená, že tím vytvoříme dvojníka. Klon bude již prenatálně vyrůstat v odlišném prostředí, jeho mozek bude tedy jinak strukturován a jeho uvažování bude jiné. Rozdíly se ještě prohloubí rozdílnou výchovou, takže ve výsledku bude mezi vzorem a jeho klonem rozdíl zcela jistě větší, než mezi jednovaječnými dvojčaty. Další fáma tvrdí, že je klonování proti přírodě, a kdyby bylo k něčemu dobré, už dávno by se v přírodě vyskytovalo. Ve skutečnosti je klonování v přírodě relativně četné, protože tak vznikají všechna jednovaječná vícečetná těhotenství. U pásovců je např. naprosto obvyklé, že se v těle matky z jednoho oplozeného vajíčka naklonuje osm zárodků. Největším technickým problémem je skutečnost, že technikou současného klonování vzniká jedinec s již „starými“ chromozomy; jeho DNA je výslednicí mnohonásobného kopírování DNA v mateřském organismu. Nemá již proto potřebnou „vitalitu“ a klonovaný jedinec má proto zpravidla kratří život než je standardní délka života u daného druhu.
Geneticky modifikované organizmy (GMO) Genové modifikace jsou to cílené a přímé zásahy do DNA. Základem je vnášení jednotlivých genů do dědičného základu eukaryot. Je to přesný přenos určitých sekvencí DNA (tzv. transgenů). Tímto získáme plánovanou změnu jediného znaku. Může jít o znak, který by jinak u daného druhu nebylo možné vůbec získat (např. bakterie může produkovat inzulín nebo pavoučí vlákna). Výsledkem jsou geneticky modifikované organismy (GMO) neboli transgenní organismy. Pro tyto organismy je charakteristické, že se vyznačují vlastnostmi, které by se u daných druhů v průběhu evoluce ve volné přírodě jen těžko vytvořily. Geneticky modifikované jednobuněčné organizmy Bakterie a kvasinky jsou využívány v potravinářství, pekařství, při výrobě sýrů, jako producenti průmyslově a farmakologicky důležitých látek díky své schopnosti metabolizovat různé přírodní substráty. Pomoci genového inženýrství a šlechtění byly upraveny jejich metabolické dráhy, tak aby se zlepšily produkty nebo jeho vlastnosti. Velké množství bakterií a kvasinek se používá kromě potravinářství také pro přípravu enzymů, antibiotik, organických kyselin, aminokyselin, vitamínů, alkaloidů,…Některé druhy bakterií se používají při čištění odpadních vod, odstraňování vedlejších produktů chemické výroby, radioaktivního odpadu, ropných produktů z půdy,…
První produkty eukaryotických genů připravených v bakteriích jsou lidský inzulín a růstový hormon. Díky jejich jednoduché bílkovinné struktuře je můžeme připravit v bakteriích v aktivní formě. Inzulín se používá u lidí trpících cukrovkou, růstový hormon u lidí s poruchami růstu. U kvasinek se podařilo zavedením genu pro tvorbu povrchového antigenu viru hepatitidy B připravit první očkovací látku. Vakcíny tohoto typu jsou velice účinné a na rozdíl od dříve používaných oslabených preparátů virů jsou zcela bezpečné a nehrozí žádné propuknutí infekce. Pro přípravu některých jiných bílkovin nelze použít jednobuněčné organizmy a je nutné sáhnout k produkci transgenních rostlin či zvířat. Transgenní živočichové a rostliny Transgenní živočichové se připravují přenosem cizorodé DNA do zárodečných. U savců se jako modelový organizmus používají myši. Mohou tak být připravována hospodářská zvířata s lepšími užitkovými vlastnostmi. Příkladem jsou prasata , které mají nižší obsah tuku v mase, ovce, jejichž vlna má lepší chemické složení, drůbež se zvýšeným množstvím lysozymu ve vaječném bílku. Také ryby, které jsou lépe přizpůsobeny ke změnám obsahu solí ve vodě, rychleji rostou a jsou odolnější vůči výkyvům teploty, jsou připraveny trasgenozí. Některé lidské geny byly do hospodářských zvířat zavedeny, tak aby výsledný produkt přecházel do mléka, odkud jej lze snadno izolovat. Takto byly připraveny např. transgenní ovce, jejichž mléko obsahuje vysoké množství lidského faktoru pro sráženi krve, tento faktor se využívá k léčbě hemofilie. Cizorodé geny se do rostlin přenášejí nejčastěji pomoci půdních bakterií rodu Agrobacterium, které mají schopnost napadat poraněné rostliny a přenášet do nich část své genetické informace. V dnešní době je už připraveno mnoho významných transgenních odrůd rostlin, které jsou odolné vůči novým typům herbicidů šetrných k životnímu prostředí, rezistentní vůči některým virům nebo hmyzím škůdcům, mají změněné okolnosti související se zráním plodů (rajčata) nebo obsahem tuků v semenech (řepka). Když aktivisté Greenpeace se zápalem sobě vlastním likvidovali první políčka s geneticky modifikovanou kukuřicí ve Velké Británii, projevovali tím trestuhodnou neznalost základních faktů. Kukuřice odolná novým formám herbicidů je v pravém slova smyslu „zelená“, tedy vstřícná k ochraně životního prostředí. Nové typy herbicidů se totiž rozkládají v půdě daleko dříve než ty původní, a proto se nehromadí ani ve vodě, ani v rostlinách a živočiších. Problém spočívá v tom, že na původní typy plodin je nemůžeme použít, protože se to negativně projeví na výnosech. Můžeme si tedy vybrat: buď standardní odrůdy kukuřic ošetřované standardními herbicidy, nebo geneticky upravená kukuřice a herbicidy méně zatěžující životní prostředí. Pokud se někdo brání GMO s tvrzením, že zahrávání si s geny je nebezpečný hazard, je nutné ho upozornit, že pláče sice možná dobře, ale na špatném hrobě. Absolutní většina všech odrůd rostlin, vyšlechtěných „klasickými metodami“, totiž prošla daleko rozsáhlejší změnou genů než ten nejmodifikovanější GMO. Všechna ta krása nejrůznějších barev a forem chryzantém, růží a karafiátů (ale také většiny odrůd zeleniny a obilovin) je umožněna uměle vyvolanými mutacemi, tedy změnami DNA následkem např. ozařování osiva. Na rozdíl od GMO v tomto případě nikdo neví, k jakým změnám v rostlině došlo a jaké nové látky se v ní budou tvořit! Osivo se zaseje a podle toho, co z něj vzejde, se nové typy uchovají nepohlavním rozmnožováním nebo zlikvidují. Jaké nové geny jsou v těchto rostlinách Greenpeace kupodivu netrápí, ačkoli nikdo neví, jaké vlastně přesně látky tvoří. Jde-li o zeleninu či obiloviny, stačí testy vylučující jejich jedovatost. U okrasných rostlin plných nových neznámých genů se neřeší vlastně nic. Rýže s vysokým obsahem β - karotenu v endospermu (živném pletivu) obilek, a s lepším využitím železa v trávicím traktu, je výsledkem evropského projektu „Zlatá rýže“. Karotenoid, který tvoří barvivo plodů rajčat, je antioxidant, který chrání před volnými radikály a snižuje nebezpečí nádorového bujení. Zvýšenou expresí genů byl zvýšen obsah lykopenu, ale hlavně β karotenu ve zralých plodech až na hodnotu 5mg na 100 g, takže 120 g těchto transgenních rajčat
by pokrylo denní potřebu β - karotenu člověka. Tato transgenní rajčata mají v důsledku velkého množství β - karotenu oranžovou barvu. Význam GMO je obrovský, zejména v případě produkce jinak draze získávaných látek typů např. léků v mléce krav či v plodech banánů je lákavou vizí zejm. pro rozvojové země. Rozdíl mezi genovými modifikacemi a křížením názorně dokládá tento obrázek:
Při křížení získá kříženec kromě žádaného genu od dárce mnohé další, které mohou být naopak nežádoucí. To, které geny se přenesou na křížence, nejsme doposud schopni dostatečně ovlivnit. Metoda genové modifikace takový problém spolehlivě řeší.
Genová terapie Některé z metod klonování či genetických modifikací lze využít při tzv. genové terapii. Právě takto funguje jedna z metod genové terapie, která by mohla poskytovat odolnost proti viru HIV. Modifikovaný neškodný virus, resp. některé jeho geny, použijete při této metodě jako vakcínu, očkování, které připraví lidský imunitní systém na vlastní HIV. Takto vakcinovaný organismus by se měl proti infekci HIV, v případě, že by byl opravdu infikován, umět rychle a účinně bránit. Dnes se také pilně bádá nad genovou terapií, která využívá především tzv. adenoviry a retroviry jako přenašeče léčebných genů do lidských buněk. Je-li v organizmu například porušena syntéza nějaké důležité látky, lze ji “uměle” dodat právě prostřednictvím takovéto genové terapie. Tyto metody by se daly využít také při léčbě nádorových onemocnění. Obecně lze říci, že za předpokladu zajištění bezpečnosti takovéhoto léčebného přístupu představuje využití virů v genové terapii obrovskou pomoc při léčbě celé řady onemocnění. To je také důvod, proč je velmi důležité a prospěšné znát mechanismy “fungování” virů v buňkách – na základě těchto poznatků bude možné využít virů v náš prospěch.
Závěr Mohli bychom se bavit o mnoha dalších novinkách ve světě biologie – o prionech a prionových chorobách, problematice globálního oteplování a moderní ekologie vůbec (ve smyslu tzv. „enviromentální výchovy“), novinkách v biologii člověka (byl např. zjištěn pátý typ receptorů chuti, takže kromě slané, sladké, hořké a kyselé vnímáme také základní chuť glutamátovou), čichu rostlin a fotosyntéze živočichů zmíněných v úvodu. Na mnoho novinek jsem také zajisté zapomněl. Avšak z článku by se stala kniha. Ani sebetlustější kniha však není schopna obsáhnout všechno to, co v biologii den ode dne vzniká nového a objevného. Také tím bude biologie po mnohá další léta atraktivní pro další zástupy mladých, kteří se budou chtít na tomto poznávání podílet.
