Všechno nejlepší, dvoušroubovice DNA!

Odhalili jsme tajemství života, říkal vzrušeně šesta­tři­cetiletý biolog Francis Crick svým spolustolovníkům v hospodě The Eagle v anglickém Cambridge. To bylo 28. února 1953. A zbývaly už jen dva měsíce do chvíle, kdy se

přírodní vědy otřásly ve svých zákla­dech…

To se stalo 25. dubna téhož roku, kdy v časopise Nature – na pouhých dvou stranách 737 a 738 – vyšel odborný článek s názvem Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Tajemná skládačka byla odhalena! „Rádi bychom popsali možnou strukturu soli kyseliny deoxyribonukleové (D.N.A.). Tato struktura má nové vlastnosti, které jsou pro biologii nesmírně zajímavé. Zaznamenali jsme, že ze specifického systému párování, který ve své hypotéze uvádíme, přímo vyplývá možný mechanismus replikace genetického materiálu,“ napsali Crick s Jamesem Watsonem, prvním autorem, jenž měl krátce po svých pětadvacetinách (na Chicagskou univerzitu nastoupil již v patnácti). A tento den, 25. duben, bývá genetiky označován za Den DNA – slaví se od padesátého výročí v roce 2003.

Jeden z největších objevů

Má to své opodstatnění? Jak ovlivnila Watson-Crickova studie obory biologie, biochemie, genetiky a spřízněných oborů? „Objev dvoušroubovice před sedmdesáti lety bývá označován za největší objev v biologii 20. století; já bych jej raději formuloval jako objev s největším dosahem pro biologii samotnou,“ řekl týdeníku Euro Libor Grubhoffer, předseda Učené společnosti ČR.

Posuzování „velikosti objevu“ je podle něj složitější, neboť některé další mohou mít zase mnohem bezprostřednější vliv pro člověka: tak tomu je kupříkladu s objevy inzulinu anebo penicilinu, které mají obrovský dopad do praktické medicíny.

„Objev struktury DNA je z jiné kategorie; je mnohem významnější pro teoretickou biologii a genetiku a teprve následně pro nekonečnou řadu odvozených aplikací. Dnes, v éře strukturní biologie, bychom Watsonův a Crickův objev mohli redukovat ,jen‘ na vyřešenou strukturu. Ale to bychom byli velmi nespravedliví, tito dva geniální badatelé totiž mysleli mnohem dále za hranice struktury magické molekuly DNA,“ dodává Grubhoffer, profesor molekulární biologie a genetiky, jenž na jihu Čech vede Biologické centrum Akademie věd ČR.

Každopádně vklad Cricka s Watsonem z Cambridgeské univerzity a biofyzika Maurice Wilkinse z londýnské King’s College, jenž pořizoval snímky drobných struktur, byl doceněn velmi záhy: již v roce 1962, kdy všichni tři dostali Nobelovu cenu. Mimochodem, prostořeký Watson patří k jejím nejmladším příjemcům, bylo mu tehdy 34 let, ovšem fyzik sir Lawrence Bragg (s nímž se oba mladíci v Cambridge vídali a napsal i předmluvu k Watsonově knižním memoárům) ji získal ve věku 25 let (!) za analýzu krystalových struktur. Dosud je nejmladším nobelistou ve vědě; jedinou mladší v sedmnácti byla pakistánská Malála Júsufzajová (za mír).

Na stopě skládačky životů

Oba autoři průkopnické studie věděli, že DNA je genetickým materiálem par excellence a že poznání její struktury by pomohlo vysvětlit pravidla dědičnosti, jak je začal zkoumat geniální brněnský augustinián Gregor Johann Mendel v polovině 19. století, o jehož „ztraceném“ a pak do Česka navráceném rukopisu Pokusy s hybridy rostlin (1866) před čtrnácti lety jako první informoval právě týdeník Euro. DNA obsahuje čtyři chemické „stavební“ látky, jimž se říká báze: jde o adenin, thymin, guanin a cytosin, které se zkracují jako A, T, G, C – tedy písmena, jež jsou třeba vepsána do filmového sci-fi thrilleru Gattaca o geneticky perfektních lidech.

Velmi sebevědomý a výřečný Crick s kolegou Watsonem přemýšleli, jak se tyto báze skládají v celek. A na pomoc jim přišly rentgenové snímky atomů čisté DNA, které v Anglii pořizovali jednak již jmenovaný nobelista Wilkins z King’s College, ale i jeho bystrá kolegyně Rosalind Franklinová. Právě na obrázcích se v náznacích objevila dvoušroubovice, žebříčková spirála, takže vědci sestavili elegantní model dvou vláken nesoucích genetické informace.

A od té doby se vedou debaty, odborné i emotivní, jaký byl reálný podíl Franklinové na epochálním objevu a zda ji „kluci“ tak trochu nevytěžili a neobešli… Vztahy neměli zrovna idylické. Watson ve své až bolestně otevřené a upřímné knize Tajemství DNA (1968, česky 1995) píše: „Téměř od okamžiku, kdy překročila práh Mauricovy laboratoře, se vzájemně popuzovali. Maurice, jenž byl v rentgenové difrakci začátečník, potřeboval pomoc a doufal, že Rosie jako zkušená krystalografka by mohla jeho výzkum urychlit. Ale Rosie to viděla jinak. Pojala DNA jako problém, jehož řešení jí bylo svěřeno, a vůbec se nepovažovala za Mauricovu asistentku.“

Je pravda, že Crick s Watsonem jim oběma dávají kredit v záběru přelomového článku („byli jsme též podníceni znalostí obecných jevů z nepublikovatelných experimentů a myšlenek Dr. M. H. F. Wilkinse a Dr. R. E. Franklinové“) a Watson se ve své biografii přiznává k prvotním mylným dojmům, neboť „tehdy již byly všechny stopy našeho dřívějšího hašteření zapomenuty a oba jsme oceňovali její osobní čestnost a velkodušnost, protože jsme příliš pozdě rozpoznali bitvu, již musí inteligentní žena svést, aby byla kladně přijata vědeckým světem, který často považuje ženy za neschopné seriózního myšlení“.

V letošním jubilejním vydání Nature vyšel článek, který Rosalindě Franklinové přiznává na základě nově objevených archivních dokumentů – draftu článku pro magazín Time a dopisů Crickovi – srovnatelný podíl na objevu DNA. K vykradení nápadů či uzmutí slavné „fotky 51“ ale nedošlo (vznikla ovšem i divadelní hra Photograph 51 s Nicole Kidmanovou). Oba autoři se logicky po iteracích a debatách dostali ke šroubovici, což jim následně potvrdily i dané snímky variant A i B, které sama Rosalind problematizovala, pracovala s nimi dál a domýšlela, zda nejde o zkreslení. Její přínos je zásadní. Na Nobelovu cenu nedosáhla kvůli „závisti“ či „zlobě“ – bohužel zemřela již v roce 1958 na rakovinu vaječníků v 37 letech.

Objev s nebývalými dopady

DNA byla potvrzena. Změnilo takové zjištění svět, obor? „Často slýcháme, že objev DNA změnil paradigma biologie. S tím nelze souhlasit. Ne, nezměnil základní paradigma biologie a genetiky; ono již počítalo s DNA jako rozměrnou makromolekulou plnící genetickou funkci, ostatně to potvrdila trojice Avery, MacLoad a Griffith ve čtyřicátých letech minulého století. Ale objev dvouvláknové šroubovice DNA významně posunul dosah o mechanistickou představu dělení genetické informace obsažené v řetězcích DNA. V každém případě se jedná o největší objev 20. století (pro biologii) se zcela nebývalým dopadem pro teo­retické poznání života včetně vývoje nástrojů pro takové pokročilé poznávání,“ vysvětluje Grubhoffer.

Za sedm dekád pokročila biologie daleko dál. Francis Crick, po němž se jmenuje obrovský a silný výzkumný ústav v Londýně s hi-tech budovou (a šroubovicovými schody), pokračoval ve čtení DNA. V roce 1961, opět v prestižním britském magazínu Nature, publikoval se svým spolupracovníkem Sydneym Brennerem práci s odmazáváním bází, která odhalila, že smysl mívají shluky po třech bázích – tři „písmena“ tvoří „slova“, kódy. „Sekvence bází se čte od pevného počátečního bodu. Ten určuje, jak dlouhé sekvence bází správně rozdělit na trojice. Neexistuje však žádná zvláštní inter­punkce, která by ukazovala, jak správné trojice vybírat. Pokud počáteční bod o jednu bázi posuneme, je i čtení po trojicích posunuto, a je tedy špatně,“ uvedli ve studii. Ve světě následovaly stovky a tisíce výzkumů DNA, přišlo její sekvenování (dvojnásobný nobelista Frederick Sanger), PCR testy, analýzy lidského genomu (projekt Human Genome v letech 2000 až 2003), klony a konečně pak i editace genů.

Moderní biologie a medicína nyní jede až frčí na vlně technologie CRISPR-Cas9 a dalších následovnic, jež umějí chytře chemicky vystřihnout to, co u dědiců nechceme: objevují se rostlinky odolnější suchu, průhledné rybky a žabky na pokusy, ale i nápady, jak šikovně zbavit lidi fatálních nemocí. Možná, že je vize filmu Gattaca hodně blízko; do vesmíru budou třeba létat jen dokonalí chlapíci, kteří nebudou mít slabé srdce jako herec Ethan Hawke.

Četné aplikace poznané DNA

A jak se na CRISPR dívá expert? „Objev molekulárních nůžek je dosud nejúčinnější nástroj editace genetické informace, je ,okoukaný‘ od bakterií a jejich přirozené obrany proti bakteriálním virům, bakteriofágům. V současné době se laboratoře studující systém CRISPR soustřeďují na jeho zdokonalení, zejména na snížení jeho chybovosti v navigační složce i enzymové složce štěpící cílovou DNA a následně zcelující nastřiženou DNA po vyjmutí polynukleotidového fragmentu a jeho případně substituce. Řeší se tedy funkční zpřesnění CRISPR, aby jeho praktické použití bylo zatíženo minimální chybovostí,“ líčí Grubhoffer.

Podle něj právě tato metoda, za niž obdržely Jennifer Doudnaová a Emmanuelle Charpentierová v roce 2020 Nobelovu cenu, poprvé přinesla díky svým možnostem univerzálního použití (pro úpravy genetické informace buňky) nejen úžasné možnosti pro praktické aplikace, ale také zásadní „obavy z etického zneužití této mimořádné vymoženosti lidského ducha“. Co tím někdejší rektor Jihočeské univerzity míní? „Takovým zneužitím by byla úprava genetické informace v zárodečných či kmenových buňkách člověka nebo primátů s cílem vylepšit genetickou informaci jednotlivce. Takové nežádoucí modifikace jsou již za hranicemi pro člověka povoleného; jsou již za hranicemi možného vměšování člověka do samotné genetické podstaty života,“ míní profesor předsedající nyní ctnostné Učené společnosti ČR.

Genetika – či už celá genomika – se nezastavuje. Letí dál. Zkoumá tajemství života, ale již daleko hlouběji, cíleněji. Podle Grubhoffera je velkou výzvou přírodních věd odhalování tajů tkáňové diferenciace, jak je zařízeno, aby z kmenových buněk vznikly specializované buňky jednotlivých tkání v orgánech. S tím souvisí i záhady nádorové transformace, jak, kdy a proč vznikají rakovinné buňky. A samotná genetika bude mít ještě dost práce s poznáváním genů a jejich kombinací pro různé vlastnosti organismů, jejich poruchy, potažmo též nemoci samé.

Toho by nebylo bez Cricka, Watsona, Wilkinse a Franklinové, samozřejmě. Když byl filozof vědy Karl Popper před asi třiceti na návštěvě Karolina, v němž mimochodem James Watson obdržel roku 1998 čestný doktorát Univerzity Karlovy, dostal otázku, co považuje za největší objev 20. století. Tehdy již dvaadevadesátiletý sir Popper odvětil bez zaváhání, že je to právě „Watsonův a Crickův objev se všemi dalekosáhlými důsledky pro poznání života“.

Autor je vědecký novinář, působí na Univerzitě Karlově