Ve svém výzkumu se vrací až ke vzniku života na Zemi. Spát jí nedá především 20 aminokyselin, které od samého počátku tvoří bílkoviny všech organismů od těch nejjednodušších až po člověka. Jak by vypadal život, kdyby se jejich počet změnil, a mohl by vůbec vzniknout? Těmito otázkami se zabývá Klára Hlouchová z Katedry buněčné biologie. Odpovědi na ně mohou hrát důležitou roli pro rozvoj syntetické biologie a konstruování syntetických organismů, jež by se mohly využívat například při vývoji léčiv. Výzkum svého týmu nyní může rozvíjet i díky tomu, že v prosinci získala ERC Consolidator grant, kterým Evropská výzkumná rada (ERC) podporuje projekty, jež mají potenciál zásadně posunout hranice lidského poznání.
Klára Hlouchová - foto Petr Jan Juračka.
Čemu se věnuje Laboratoř syntetické biologie, kterou vedete na PřF UK?
Náš výzkum stojí na pomezí chemie a biologie, laboratoř proto tvoří odborníci na různé disciplíny, ale to, co nás společně zajímá, jsou hlavní hráči života, zejména bílkoviny (proteiny) a také RNA a DNA.
Zajímáme se o základní principy života, o to, jak mohl život sám o sobě vůbec vzniknout a jak se na Zemi objevily první bílkoviny. Studujeme také mechanismy, jakými se život může vyvíjet. Klademe si otázku, zda by život mohl fungovat i s trochu jinými proteiny, tedy jestli by mohly být složeny z jiných součástek, to znamená z jiných aminokyselin.
Otázky, kterými se zabýváme, se týkají života na Zemi, zároveň ale mají přesah k životu jako fenoménu, který v budoucnu možná objevíme jinde ve vesmíru. Zajímá nás, jestli život na molekulární úrovni bude vypadat podobně jako na Zemi, nebo úplně jinak.
Říkala jste, že váš tým zajímá „jak“. Mě zajímá proč. Proč je důležité zabývat se tím, jak vznikl život před téměř čtyřmi miliardami let?
Chceme pochopit, proč život vypadá tak, jak vypadá, a zda by mohl vypadat i jinak. To je velká mise naší laboratoře, která má aplikační potenciál v oblasti artifical life, syntetického života. V dnešní době se pro přípravu různých léčiv a dalších látek začínají používat syntetické buňky jako takové malé továrny. Ty by mohly v některých případech nahradit chemickou syntézu, která je náročná, drahá a často je z ní spousta odpadních produktů. Ačkoliv naším hlavním cílem je pátrání po limitech života, tedy zejména základní výzkum, zde bychom mohli pomoci s receptem na syntetickou energeticky co nejméně náročnou buňku, která by byla ‚osekaná‘ o všechno, co je pro její úkoly nadbytečné. Je v tom tedy možná i aplikační potenciál.
Podstatou vašeho týmu je mezioborovost. Z jakých oborů se tedy členové a členky vaší laboratoře rekrutovali?
Majoritou jsou molekulární biologové a biochemici, ale máme tady taky biotechnologa, bioinformatika, fyziky a chemiky. Naše práce skutečně vyžaduje multidisciplinární přístup. Otázky, které si pokládáme, stojí na pomezí všech těchto oborů. Je to také to, co se nám na ní líbí a myslím si, že se to líbilo také hodnotícímu panelu Evropské výzkumné rady.
Projekty, které uspějí ve výzvě Evropské výzkumné rady, by měly posouvat hranice lidského poznání a jejich výsledky by měly mít celosvětový dopad. Jaká je ta vaše unikátní myšlenka, která získala tuto podporu?
Krátký název našeho projektu je LIFE-19 čili Život-19. Veškerý život, který známe na této planetě od těch úplně nejjednodušších bakterií až po člověka nebo rostliny, tvoří bílkoviny, což jsou základní stavební a funkční jednotky v buňkách. Bílkoviny jsou vždy tvořeny z 20 aminokyselin. Tyto aminokyseliny jsou velmi pevně usazeny v systému genetického kódování čili v centrálním dogmatu biologie. Je až zarážející, že přes veškerou diverzitu života máme toto všichni společné. My bychom se ale chtěli pokusit těchto 20 aminokyselin zredukovat na 19, vymazat jednu aminokyselinu napříč celým proteomem (souborem proteinů), tedy přepsat tuto aminokyselinu v kódu genomu na nějakou jinou. Nechceme přepisovat tu 20. na jednu jinou konkrétní, ale budeme hledat různé možnosti, které budou nejvíc životaschopné. Cílem je vytvořit jednoduchou bakterii, která bude mít k dispozici pro tvorbu proteinů pouze 19 aminokyselin. Chceme pozorovat, jaké to bude mít následky.
Možná se to nepodaří, a to je také v pořádku, protože naše otázka je, jestli takový život může fungovat. Tímto způsobem se snažíme vrátit zpět v čase. V evoluci to sice jde dělat, ale jenom do určitého bodu. Nevíme, jestli se z toho současného života budeme schopni dostat až takto daleko do minulosti. Z námi dostupných informací to nikdo před námi ještě nikdy nezkoušel na šíři celé buňky. Kdybychom ale buněčný aparát takto dokázali zjednodušit, je to úspěšný krok směrem k syntetické buňce, která bude vyžadovat míň energie na tvorbu bílkovin, a to je podstatný posun pro syntetickou biologii.
Výzkumná skupina Kláry Hlouchové na Katedře buněčné biologie - foto Petr Jan Juračka.
Vzpomenete si na ten aha moment, který vás k tomuto nápadu přivedl? Nebo jste k němu spolu se svou skupinou postupně dospěla během vašeho výzkumu?
Vyplývá to přímo z toho, co jsme dělali v minulých letech. Věnovali jsme mnoho úsilí tomu, že jsme zkoušeli vyrábět proteiny se zredukovaným množstvím aminokyselin. Zjistili jsme, že některé proteiny mohou fungovat jen s polovičním množstvím aminokyselinového repertoáru, a přitom jsou stále schopné plnit svou funkci. Dělali jsme to ale na vybraných bílkovinách, u kterých jsme z různých důvodů předpokládali, že by toho měly být schopné. Byly to často malé bílkoviny s jasně definovanou funkcí. Když jsme viděli, že to funguje ve zkumavce, začali jsme přirozeně přemýšlet i o tom, jestli by to mohlo fungovat v buňce.
Co vám umožní získání grantu? Rozšíříte tým nebo dovybavíte laboratoř?
Budeme potřebovat asi jeden nebo dva nové přístroje, trošku si dovybavíme laboratoř. Taky se nám trošičku zvětší tým, a to především o dalšího bioinformatika. Většina peněz půjde ale na inženýring genomu organismu, se kterým budeme pracovat. U nás tedy peníze půjdou zejména na experimenty, které jsou extrémně drahé.
Co vám nejvíce pomohlo v přípravě žádosti o grant? Máte nějaký tip pro kolegy a kolegyně, kteří by také rádi usilovali o získání této prestižní vědecké podpory?
Myslím, že to, co mi paradoxně nejvíc pomohlo a co zároveň trošku komplikovalo celý proces, bylo to, že jsem byla na takové improvizované mateřské s dcerou, které jsou teď už tři roky. Díky tomu jsem vystoupila z denního stereotypu v laboratoři, kde vás pořád ženou projekty, zprávy a různé jiné povinnosti. Je to takový koloběh. Mě ale narození dcery hodilo do jiného rytmu, pomohlo mi to přemýšlet například při procházkách a pracovat jiným způsobem. Našla jsem si konečně čas na to sednout si a začít pomalu po kousíčkách něco sepisovat.
Taky mi hodně pomohla část už stávajícího týmu. Jedna věc je mít nápad, druhá ale, jak to technicky provedete. Pro nás je řada metod nových, část týmu začala dělat předběžné pokusy, rozvíjela a testovala metodiku. Společně jsme vymýšleli, jak na to.
Pomohlo mi taky vždycky si ukrojit nějaký kus času a říct si, že teď nebudu dělat týden nebo dva nic jiného a budu se věnovat jenom tomuto problému a sepisovat grant. Ve vědě se na člověka pořád něco valí, „to do list“ nikdy není prázdný. Vždycky jsem udělala tlustou čáru a řekla si, že teď musí všechno ostatní chvíli počkat, abych se mohla plně věnovat psaní a promýšlení žádosti.
Zajímalo by mě, kteří rodiče na mateřské by s vámi souhlasili, že až v té době měli čas o věcech trochu víc přemýšlet… Vy navíc máte tři děti, dva sny (15 a 10 let) a dceru (3 roky). Úplně tím vyvracíte tu možná trochu stereotypní představu, že žena si musí vybrat, jestli chce dělat špičkovou vědu, nebo mít velkou rodinu. Jak se vám daří hledat rovnováhu mezi rodinným a pracovním životem?
Je to náročné. V České republice strašně chybí možnost hlídání dětí mladších dvou let. Naše fakultní školka bere až od dvou a půl let. Zařízení, kde se postarají o mladší děti, jsou buď strašně drahá nebo špatně dostupná. My navíc bydlíme za Prahou a tam je dostupnost těchto služeb ještě nižší. Bylo by skvělé, kdyby univerzita byla v tomto pro ostatní vzorem a nějaké takové služby zavedla, aby člověk úplně nemusel přerušovat svou práci. Když jsme se zrovna nemohli u dcery vystřídat s manželem, měla jsem dceru často tady s sebou v laboratoři, což bylo na jednu stranu skvělé, že jsme mohly být tolik spolu, zároveň ale některé momenty byly opravdu těžké.
Podle výsledků z poslední doby se zdá, že Katedra buněčné biologie PřF UK, na které působíte, zažívá „zlaté období“. Její týmy dosahují velkých úspěchů ve vědě a výzkumu. Čím si to vysvětlujete? Jaké je prostředí na katedře?
Je to tady super, já jsem tady velmi spokojená. Kdybych měla jmenovat jeden faktor, proč se to stalo, tak je to zásluhou snažení profesora Jana Černého, který v období, kdy katedru vedl, umožnil fungování čtyřem novým výzkumným skupinám, a to je unikát nejen v rámci naší fakulty. Všichni z těchto čtyř skupin jsme přišli z postdoktorandských pozic ze zahraničí, každý z nás se věnuje trochu jinému oboru, sdílíme ale právě tu zahraniční zkušenost a rozjezd nové výzkumné skupiny. Pro nás pro všechny je opravdu příjemné, že na to nejsme sami, vzájemně si pomáháme, sdílíme frustrace, je to taková skupinová terapie (smích).
Sdílíte ale i radost, viděla jsem tu podporu, kterou jste vyjadřovala Janu Dobešovi, vedoucímu Laboratoře mikrobiální imunologie, když získal v listopadu cenu Invence, která se uděluje v rámci cen Česká hlava.
Sdílíme spolu radosti i těžkosti, když se něco nedaří, strašně to pomáhá celkové atmosféře. I současné vedení katedry, profesor Jan Brábek a doktor Marian Novotný, tento styl podporuje a teď otevřelo dveře dalším dvěma novým výzkumným skupinám. Myslím, že tento přístup se opravdu osvědčil.
ptala se: Helena Zdráhalová, redakce Forum UK
ERC GRANT LIFE-19: Testování původu života
Již více než 3,5 miliardy let sdílí všechen život na Zemi univerzální chemickou podstatu, koncept známý jako centrální dogma molekulární biologie. Všechny živé buňky, které člověk zná, produkují bílkoviny ze stejných 20 kódovaných aminokyselin, přičemž každá z nich plní odlišnou a životně důležitou úlohu. Studie zabývající se vznikem života však poukazují na to, že dřívější buňky mohly fungovat s menší aminokyselinovou „abecedou“. Nový výzkumný projekt financovaný Evropskou výzkumnou radou (ERC) si klade za cíl zkonstruovat bakteriální kmen „LIFE-19“, který by se při tvorbě všech svých bílkovin spoléhal pouze na 19 aminokyselin.
Aminokyselina tryptofan (Trp) je z evolučního hlediska jedním z nejvzácnějších a zároveň nejmladších členů bílkovinné abecedy. Cílem projektu je empiricky ověřit, zda by buňky mohly fungovat i v případě, že jim tato aminokyselina chybí. To pomůže objasnit, zda by omezená verze genetického kódu mohla být dostatečná pro fungování alespoň některých pozemských druhů organismů.
Pomocí poloautomatizované editace genů výzkumný tým odstraní Trp z genomu bakterie minální mykoplazmy. To jim umožní porovnat, které Trp jsou nejvíce postradatelné, a poté vybrat nejživotaschopnější varianty proteinů se substitucí Trp. Následně budou vybrané mutace kombinovány, aby „napsaly“ nový genom LIFE-19, a to pomocí de novo syntézy .
LIFE-19 bude dalším odrazovým můstkem pro naše chápání hranic života. Budeme moci nahlédnout do toho, čím pravděpodobně procházely buňky před miliardami let, kdy balancovaly na hranici mezi životem a neživotem. Celkově si tento projekt klade za cíl ověřit učebnicový předpoklad, že život závisí na 20 kanonických aminokyselinách, tím, že fakticky změní centrální dogma molekulární biologie.
