Binární kód v DNA, tisíce nových virů a jídlem k bohaté kštici – zajímavé publikace z biologie a medicíny

Ukládání dat do DNA s využitím epigenetiky

Že máme v každé naší buňce molekulu DNA dlouhou dva metry obsahující tři miliardy písmenek, je poměrně známá věc. Tato nositelka dědičné informace má tak poměrně velkou paměťovou kapacitu – jeden gram DNA zvládne uchovat informace odpovídající 10 milionům hodin videa s velkým rozlišením. Není tak překvapení, že vědce napadlo využít DNA k ukládání dat. Vedle své obrovské kapacity má DNA totiž také další výhodu – pokud je správně uchovávaná, vydrží stovky tisíc let, což se s elektronickými zařízeními, která mají životnost v řádu let, nedá srovnat! 

Pokusy pro ukládání dat do DNA již byly v posledních několika letech podniknuty. Molekula deoxyribonukleové kyseliny obsahuje kombinaci čtyř bází (adenin, guanin, cytosin a thymin), první cesta tak vedla přes kombinaci těchto písmenek. DNA se potom syntetizovala de novo a následně četla pomocí sekvenačních přístrojů. Tento přístup je však poměrně nákladný a pomalý. Nyní vědci přišli s novým řešením, jak do DNA informaci uložit. 

V říjnu publikovali výzkumníci z Číny, Německa a Ameriky v časopise Nature rychlejší a uživatelsky přístupnější variantu zápisu informace do DNA podobnou klasickému binárnímu kódu. Využili pro to metylaci cytosinů – epigenetické značení, které se běžně v naší DNA vyskytuje. Epigenetika funguje na základě několika chemických modifikací, značek, které se „pověsí“ na molekulu DNA a jsou klíčové pro její následné čtení a překlad do podoby proteinů. Vědci vyrobili malé „DNA cihličky“, přičemž každá z nich metylovou skupinu buďto nese či nikoliv. Vzniká tak informace v podobě jedniček a nul. Tyto cihličky mají definovanou délku a sekvenci, aby mohly být přidávány na jednovláknovou DNA. Jestliže se přidá cihlička s fluorescenčně značenou metylovou skupinou, ta po nasednutí na vlákno DNA zasvítí a přístroj ji přečte jako 1, v opačném případě ke svícení nedojde a absence metylové skupiny bude přečtena jako 0. 

Autoři studie také vyzkoušeli přístupnost metody na 60 dobrovolnících, kteří byli schopni metodu bez problému použít pro uložení krátkého textu. Následně vědci uložili a přečetli větší objem dat v podobě černobílého obrázku tygra a barevného obrázku pandy. Obrázky byly kódovány více jak 270 000 jedničkami a nulami, či v našem klasickém slovníku bity. 

Nevýhodou je, že metoda je zatím poměrně drahá a otázkou také zůstává, jak si poradí s opravdu velkými objemy dat, která jako lidstvo generujeme každý den. V tomhle ohledu se nabízí řešení v podobě přidávání dalších epigenetických značek, které se na DNA běžně vyskytují. Přestože je tak ke komerčnímu využití DNA pro uchovávání informací ještě daleko, rozhodně se ukazuje, že jako již mnohokrát nejlepší řešení příroda již vymyslela a měli jsme jej přímo před očima.

AI odhalila desítky tisíc nových virů 

Viry se poměrně obtížně studují – bez hostitele většinou dlouho nepřežijí, jsou malé a mají obrovskou variabilitu, navíc rychle mutují a mění se. Situace je ještě složitější u tzv. RNA virů, tedy virů, jejichž genetická informace je zakódovaná ve velmi nestálé molekule RNA. Navíc, důvodem k objevování a popsání nových virů bývá často jejich patogenita – jestliže virus nezpůsobuje výrazné škody člověku, zvířatům či úrodě, chybí motivace pro obecné zkoumání takto experimentálně komplikovaného modelu. Čínští vědci proto využili AI nástroj, který umí na základě známých sekvencí a struktur již objevených virů předpovědět další, ty dosud skryté. Své poznatky publikovali v listopadu v prestižním časopisu Cell. 

Výzkumníci použili nástroj umělé inteligence LucaProt, který vyvinuli, a do nějž nahráli dosud známé sekvence a struktury tzv. RNA-dependentních RNA polymeráz – proteinů, které jsou zodpovědné za množení virů a jsou součástí jejich genomů. Potenciální variabilita experimentálně nepotvrzených RNA virů se dosud odhadovala pouze na základě známých sekvencí RNA molekul. Dřívější odhady hovořily o necelých 90 000 virech, jež by mohly na Zemi existovat. Využití strukturních dat, která jsou klíčová pro předpovězení funkce těchto polymeráz, umožňuje systému LucaProt mnohem větší přesnost při modelování potenciálního bohatství virů na Zemi. 

Do modelu LucaProt bylo nahráno přes 5 000 dosud popsaných RNA-dependentních RNA polymeráz a jako kontrola bylo přidáno přes 200 000 genetických sekvencí, které nemají virový původ. Výsledkem bylo předpovězení existence celkem 161 979 druhů virů z různých částí ekosystému, některé s překvapivou délkou či komplexností RNA molekuly. Jedná se tak o 1,5násobné navýšení počtu virů, které jsme předpovídali doposud. Existenci několika desítek z nich poté výzkumníci potvrdili experimentálně. Průnik s již dříve předpovězenými viry činil přes 91 tisíc druhů virů. Přestože autoři studie zatím netuší, jaké organismy nově předpovězené viry hostí, spekulují, že většina z nich bude pravděpodobně napadat bakterie. Studie tak ukazuje, jakým způsobem nám mohou moderní nástroje umělé inteligence pomoci v poznávání biodiverzity, která nám byla dosud skrytá. 

Čeští vědci pomohli objasnit, co stojí za barevnou paletou peří papoušků

A biodiverzity se týká také další listopadový článek. Zbarvení těla je u zvířat důležitým komunikačním a adaptačním signálem a u ptáků to platí dvojnásob. Barva peří je tak cílem přírodního i pohlavního výběru. Přesto zůstávalo dlouho záhadou, jaký molekulární mechanismus stojí za často velmi dechberoucí barevnou paletou. 

Mezinárodní tým vědců, mezi nimiž byli také dva Češi – Jindřich Brejcha z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy a Petr Maršík z České zemědělské univerzity v Praze (a také jejich slovenský kolega Peter Mojzeš z Matematicko-fyzikální fakulty UK), publikoval v časopise Science studii, v níž právě tyto mechanismy objasňují. Na pomoc si vzali papoušky lory tmavé. Papouščí zbarvení je způsobeno skupinou pigmentů zvaných psittacofulviny a jsou zodpovědné za žluté, oranžové a červené zbarvení. Tento typ pigmentů je specifický pouze pro papoušky, u většiny zvířat a rostlin jsou totiž za tyto barevné kombinace zodpovědné poměrně dobře prozkoumané karotenoidy (známe je například z mrkve či papriky). Při kombinaci žlutého psittacofulvinu s modrou barvou, která je produkovaná peřím, se opeřenec zbarví do zelena. Studie objasňuje, co stojí za syntézou těchto barviv a co rozhodne, jakou barvou peří bude papoušek obdařen. 

Ukázalo se, že záleží, v jakém tzv. oxidačním stavu je dané barvivo. Oxidace je chemická reakce, která probíhá při kontaktu s kyslíkem (například hnědnutí rozkrojeného jablka či rezavění), pokud je molekula barviva oxidována, bude peří žluté (či zelené), pokud molekula na svém konci oxidovaná není, bude peří papouška červené. Výzkumníci identifikovali také enzym, který je právě za chemickou reakci zodpovědný. Je jím specifická aldehyddehydrogenáza (ALDH3A2). Pokud je daného enzymu hodně, peří bude žluté. Pokud ho je málo, bude červené. Záleží tedy na poměru jednotlivých variant barviva. 

Vědci tak za použití obrovského množství metod umožnili nejen lépe identifikovat daná barviva, ale také nalézt v genomu geny zodpovědné za toto zbarvení a popsat daný enzym. Otevřeli tak dveře pro přesnější pochopení molekulárních mechanismů, jež stojí za (nejen) barevnou rozmanitostí přírody.

Staré neurony nepoznají, že jim chybí energie

A k pochopení dosud neodhaleného mechanismu přispěla také další studie z časopisu Science. Neurony v mozku postupem času stárnou a nezvládají plnit všechny své úlohy, výsledkem je pokles kognitivních funkcí u lidí vyššího věku. Dosud se však přesně nevědělo, co za stárnutím neuronů stojí. 

Skupina vědců z Číny, Izraele a Ameriky ukazuje v práci na spojitost mezi stárnutím mitochondrií a neuronů. Mitochondrie jsou často označovány jako buněčné elektrárny a dodávají neuronům (ale i všem ostatním buňkám v těle) energii. Publikace z prosince minulého roku ukazuje, že jakmile se poškodí mitochondriální DNA (tyto organely nesou malé úseky své vlastní DNA, která je důležitá pro výrobu proteinů nezbytných v energetickém metabolismu buňky), přestanou neurony fungovat tak, jak by měly. Za poškozením mitochondrií a jejich funkce stojí taktéž věk. S věkem také klesá množství mitochondriální DNA v neuronech. A právě pozorovanou disfunkci neuronů i mitochondrií během stárnutí dávají vědci do přímé souvislosti.

Hlavní funkce neuronů, tedy přenos signálu z jednoho na druhý prostřednictvím synapsí, je totiž energeticky náročná, a tudíž vyčerpává mitochondrie uvnitř těchto buněk. U nich potom dochází k mutacím v DNA a ztrátě funkce. Důležitým zjištěním vědců je, že věkem opotřebované neurony nepoznají, že mají málo energie a neumí s ní ekonomicky nakládat. Studie ukázala, že ve zdravých buňkách funguje něco jako regulace poptávky a nabídky mezi neurony a jejich mitochondriemi. Jakmile neurony pracují, a tedy si mezi sebou předávají informace prostřednictvím synapsí, je to signál pro mitochondrie, aby přepisovaly více své DNA do tvorby proteinů a následně vyráběly více energie. Tato zpětnovazebná smyčka ve zdravém mozku funguje tak dobře, že mitochondrie umí škálovat tvorbu energie, vědí, kdy se v průběhu dne připravit na velkou energetickou zátěž a kdy si naopak budou moci „odpočinout“. Autoři komentáře k tomuto vědeckému článku připodobňují situaci ke kavárně v ranních hodinách, kdy je potřeba pro obsloužení zákazníků otevřít další přepážku či nastartovat další kávovar. Pokud ale tato schopnost škálovat rychlost odbavení poptávky selže, všechno se hrozně vleče, zákazníci stojí v řadě, namísto aby byli včas odbaveni či odejdou bez své ranní kávy. 

Nejvíce energeticky náročná je tzv. synaptická plasticita a homeostáze, dvě klíčové vlastnosti neuronů pro tvorbu paměti. Pokud selže správné kalibrování nakládání s energií, selhává také paměť a další kognitivní funkce. Výzkumníci zároveň ukázali, že pokud pomocí genetických modifikací zvýšili schopnost mitochondrií dodávat neuronům dostatek energie ve správný čas, došlo ke zlepšení paměti u starých laboratorních myší, na nichž byl výzkum prováděn. Pokud naopak tuto komunikaci narušili u zdravých myší, objevovaly se problémy s kognicí. 

Tato cesta, jak zvrátit stárnutí neuronů, je tak velkým příslibem pro budoucí studium i pro potenciální směr výzkumu například v léčbě Alzheimerovy či Parkinsonovy choroby. 

Přerušovaný půst zpomaluje růst vlasů

Metoda tzv. přerušovaných půstů si v posledních letech získala velkou oblibu jako cesta ke štíhlejšímu a zdravějšímu tělu. Přestože je této metodě připisováno mnoho zdravotních benefitů, není jasné, zda s sebou nenese také nějaká zdravotní rizika. 

Čínští vědci publikovali v časopisu Cell v prosinci studii, v níž se zaměřili na vliv přerušovaných půstů na somatické kmenové buňky pokožky a vlasových folikulů. Somatické kmenové buňky tvoří pro každou specifickou tkáň v těle „zásobárnu“ pro nové buňky dané tkáně a umožňují tak její regeneraci. Tyto buňky přijímají signály z okolí, aby mohly v pravý čas proliferovat do finální podoby buněk „své“ tkáně. Přestože se již sledoval vliv přerušovaných půstů na funkci kmenových buněk u svalů či tkání v zažívacím traktu (půsty zpomalují regeneraci svalů, a naopak zlepšují obnovující procesy v epitelu střeva), dopad tohoto stravovacího režimu na buňky pokožky ještě nebyl zkoumán.

Vědci nejprve provedli poměrně jednoduchý experiment, kdy oholili myším srst a poté v průběhu tří měsíců sledovali, jak rychle jim doroste při neomezeném přísunu stravy v porovnání se dvěma nejčastěji aplikovanými režimy přerušovaných půstů (16h půst/8h jídlo a 24h půst a 24h neomezené jídlo). Ukázalo se, že myším, které měly režimy přerušovaných půstů, srst dorůstala dramaticky pomaleji, zatímco bez půstu byla myší srst na konci experimentu plně obnovená. Myši vystavené půstům měly na konci sledování jen částečně obnovenou srst, odpovídající situaci v polovině experimentu u kontrolních myší (mezi jednotlivými režimy půstu nebyl rozdíl). Experimenty tedy ukázaly, že dlouhodobé praktikování půstu vede ke snížení zásoby kmenových buněk a spouští degeneraci vlasových folikulů. 

Vědci dále detailně zkoumali mechanismus, který za tímto pozorováním stojí. Ukázali, že často používané schéma půstu ovlivňuje regeneraci vlasových folikulů tím, že aktivuje apoptózu (tzv. řízenou buněčnou smrt) v kmenových buňkách vlasových folikulů. Hladovění je stav, na který je náš organismus dobře evolučně vybaven a jakmile nastane, aktivuje předem nachystané mechanismy. Z kůry nadledvin se začnou uvolňovat hormony kortizol a adrenalin. To vede k uvolnění mastných kyselin z adipocytů (tukových buněk) v zásobárně kmenových buněk vlasových folikulů, což naruší jejich metabolismus a následně způsobí apoptózu. Autoři studie také provedli randomizovanou klinickou studii, kde ukázali, že přerušovaný půst vede ke zpomalení růstu vlasů též u lidí, a to o 18 %. Je nutné dodat, že kmenové buňky pokožky nebyly půsty nijak ovlivněny. Hlavní funkce kůže, jakožto bariéry před nepříznivými vlivy okolí, by tak neměla být narušená. 

Jelikož jsou adipocyty běžně součástí zásobáren kmenových buněk i v jiných tkáních, autoři studie spekulují, že podobné zastavení či zpomalení regenerace se tímto mechanismem nemusí objevovat jen u vlasů. Jelikož se občasné hladovění během evoluce běžně objevovalo, tělo je na ně vybaveno a pravděpodobně spouští předem nastavené mechanismy – soustředí se na orgány důležité k přežití a regeneraci méně důležitých tkání nechává na období hojnosti. Pro ucelený obrázek o vlivu přerušovaných půstů na náš organismus je proto důležité všechny tyto reakce detailně prozkoumat. 

Jestliže jste tedy smutní, že jste přes svátky nedodrželi metodu přerušovaných půstů, nezoufejte, alespoň vám povyrostly vlasy…

 

Chtěli byste psát podobné přehledy zajímavostí ze svého oboru? Napište nám email na adresu redakce@vedavyzkum.cz.