Soha nem látott baktériumok jönnek

A genetika Darth Vaderének is nevezett Craig Venter egy olyan nagyszabású kísérletsorozat végén jár, amely a saját bevallása szerint is "már-már fekete mágia": a cél egy sohasem létezett sejt, egy mesterséges baktérium tervszerű létrehozása.

Craig Venter, a molekuláris biológia korosodó, ám lendületéből mit sem vesztett fenegyereke újra és újra mer nagyot álmodni. "Így visszatekintve, a humán genom csak kitérő volt" - vallotta egy interjúban a pályafutását újságíróként bő évtizede közelről követő Wil S. Hiltonnak.

Illusztris kollégáival, a pályáját a kétszeres Nobel-díjas Frederick Sanger mellett kezdő, most 80 éves Clyde A. Hutchisonnal és az 1978-ban megosztott Nobel-díjjal kitüntetett Hamilton O. Smithszel az 1990-es évek eleje óta kutatják, vajon meddig egyszerűsíthető egy baktérium génállománya úgy, hogy a sejt még életképes maradjon. Céljuk egy olyan genomiális "létminimum" megállapítása, amely kiindulópontként szolgálhat a testreszabott mikrobák mérnöki tervezéséhez. A nélkülözhetetlen DNS-elemekből álló minimális készlet mellé ugyanis tetszés és kívánság szerint illeszthetők a legkülönbözőbb funkciójú egyéb gének - olyanok, amelyek képessé teszik a sejtet egy mérgező ipari melléktermék ártalmatlanítására, az üvegházhatást okozó gázok elnyelésére, vagy éppen egy kémiai úton csak méregdrágán szintetizálható gyógyszervegyület tömeges előállítására. Az elképzelés elvi kivitelezhetőségét már bizonyították, amikor 2010-ben bejelentették, hogy megalkották az első, teljesen szintetikus úton létrehozott DNS-t hordozó baktériumot - most már csak az következik, hogy az új technológiát az emberiség szolgálatába állítsák.

Craig Venter

Az ötlet a Venterék által felvetett formában ambiciózus ugyan, de részeiben nem új keletű, sőt: az engedelmes egysejtűek hadra fogása szinte egyidős a civilizációval. Amióta csak az ember sajtot készít, kovászolt kenyeret süt, sört főz vagy bort érlel, a mikroorganizmusok vegyi apparátusát fordítja a saját javára. Újabb keletű, mégis lassan évszázados praktika az antibiotikumot gyártó penészgombák és társaik gyógyszeripari alkalmazása; végül az utóbbi évtizedekben, a molekuláris biológia előretörésével rutinná vált a genetikailag módosított mikrobák hasznosítása is. A DuPont vegyi óriáscég például a fonalszövés alapanyagául szolgáló poliészter előállítására alkalmaz génmódosított kólibaktériumokat, a gyógyszeripari mamut Sanofi pedig rekombináns DNS-t hordozó élesztővel gyártatja hatóanyagai egy részét.

Olajfolt egy kínai kikötő vizének felszínén

Az ember mikrobák iránti vonzódása nagyon is érthető és indokolt. A baktériumok és a sejtmagvas egysejtűek történetük hosszú évmilliárdjai alatt jószerivel minden kémiai fortélyt kikísérleteztek, amely a természet vegykonyhájában egyáltalán kivitelezhető (lásd keretes írásunkat). Ráadásul ezek az élő üzemek nemcsak hogy elvégzik a rájuk rótt feladatot, de eközben vígan szaporodnak is, a magukhoz hasonló üzemek sokaságát létrehozva - és ez szintén olyasvalami, amit egy csövekből és tartályokból álló vegyi reaktortól aligha várhatnánk el. Mindeddig azonban az ember vagy az egysejtűek természet adta képességeit kamatoztatta, vagy legalábbis már létező mikroorganizmusokat "turbózott fel" a saját céljainak megfelelően. Venter víziójában az a forradalmi, hogy a célszerszámnak szánt baktériumok genetikai állományát újonnan, apró darabokból kívánja összerakni, minden sallang, evolúciótörténeti reliktumnak bizonyuló részlet kihagyásával.

Tér- és időléptékeink korlátozottsága folytán mi, emberek hajlamosak vagyunk megfeledkezni néhány szerénységre intő tényről. Az egyik, hogy a földi lét története javarészt az egysejtűek története: David Attenborough híres év-hasonlatát idézve javában az augusztust taposta már a Föld, amikor a többsejtűek megjelentek az élet porondján. A másik, talán még ennél is fontosabb az, hogy a bioszférát - számunkra szinte észrevétlenül - ma is a mikrobák uralják. Nemcsak azért, mert a biomassza mintegy felét ők teszik ki, és nem is csak azért, mert parányi méretüknél és szaporaságuknál fogva egyedszámban nagyságrendekkel túltesznek az összes többi élőlényen; hanem leginkább azért, mert olyan alapvető biokémiai fogásokat ismernek, amelyek nélkül a bioszféra anyagkörforgása - és ennélfogva a teljes soksejtű lét - azonnal leállna.

Egyedül a mikrobák képesek a légköri nitrogént a növények és állatok számára felvehető formába hozni, és a szerves nitrogént is csak ők tudják visszaalakítani nitrogéngázzá. Egyedül a mikrobák képesek a bioszféra legnagyobb tömegben felhalmozott szerves anyagát, a cellulózt lebontani - a növényevők, a tehenektől a termeszekig, mind az ő segítségükre szorulnak. S e vegyi mesterfogások csak parányi szeletét mutatják annak a döbbenetes biokémiai változatosságnak, amely a mikrobiális életet jellemzi.

Mi, soksejtűek a biokémia terén hallatlanul egysíkúak vagyunk: kizárólag a szerves anyagok egy szűk köréből tudunk energiát nyerni, és az egyetlen valamire való mutatványunkat, az oxigénnel való légzést is egy olyan sejtszervecske végzi bennünk, amely valaha baktériumként kezdte evolúciós karrierjét. (Nota bene, a növények nagy kunsztját, a fotoszintézist is a baktériumok fejlesztették ki, s a növényi sejtekben ma is az ő leszármazottaik gyakorolják.)

A különböző mikrobák ezzel szemben a szerves és szervetlen vegyületek szinte végtelen sokaságából képesek energiadús elektronokat kinyerni, és elhasznált, "fáradt" elektronjaikat is a legváltozatosabb molekulákon tudják végső nyugalomba helyezni. E biokémiai diverzitásnak köszönhetőek a nitrogénnel űzött trükkök, a vegyértékek szempontjából igen sokarcú kén oxidációs állapotaival való zsonglőrködés, de a vas és más nehézfémek feldolgozásának-átalakításának képessége is. Végül is nem meglepő ez egy olyan élőlénycsoporttól, amely évmilliárdokig egyeduralkodóként lakta a Földet, s közben meghódította annak legextrémebb zugait a hőforrásoktól a vulkáni kürtőkig és az óceáni árkoktól az Antarktisz jegéig. E nem triviális lakhelyeken a fennmaradáshoz szükséges anyag- és energiaforrások előteremtésének kényszere nem triviális eszközöket hívott életre.

Mi mindenre lehetnek alkalmasak a biológusok tervezőasztalán - pontosabban persze a számítógépükön - dizájnolt baktériumok? Elsősorban is minden olyasmire, amire elődjeiket már eddig is használták. A természetvédelemmel, környezeti helyreállítással foglalkozó szakemberek számára jól ismert a bioremediáció fogalma, vagyis a környezeti szennyezésnek mikroorganizmusok vagy más élőlények bevonásával történő eltávolítása.

A Morning Glory tavacska a Yellowstone Nemzeti Parkban, melynek színét algaszerű baktériumok adják.

A bioremediáció lényege, hogy a szennyező anyagot az adott élőlény táplálkozása, anyagcseréje során a környezetre ártalmatlan vegyületekké alakítja, vagy legalábbis felhalmozza, és ezzel könnyen összegyűjthetővé teszi. Az elhalt fák lebontására specializálódott gombák, így a fogyaszthatósága okán is népszerű laskagomba enzimrendszere például a dízelolajjal éppen olyan jól elbánik, mint a korhadó faanyaggal. Egy kísérletben a laskagomba fonalas szövedéke az olajjal szennyezett talajban négy hét leforgása alatt lebontotta a rákkeltő policiklusos aromás szénhidrogének 95 százalékát. Ha pedig egy szennyezésbe minden élőlény kémiai fogazata belevásik - akár a lebontás nehézségei, akár a hely hozzáférhetetlensége miatt -, akkor jöhetnek a genetikai mérnökök, akik egy kiszemelt, ígéretes faj módosításával új "szuperporszívót" hoznak létre. Így alkották meg a tudósok a Deinococcus radiodurans nevű, a radioaktivitást döbbenetesen jól toleráló baktériumnak azt a változatát, amely az erősen sugárzó nukleáris hulladékban éldegélve békésen elmajszolja a veszélyes toluolt és higanyionokat.

Várható, hogy a természet diktálta kötöttségek egy részétől megszabadulva, a kívánt tulajdonságokat jószerivel szabadon elegyítve Venter és csapata hasonlóan bizarr képességekkel rendelkező mikrobákat hoz majd létre.

Amíg folyik az első szintetikus haszonbaktérium tervezése, Venterék addig sem tétlenkednek: most éppen egy olyan genetikailag manipulált zöldalgát tesztelnek, amely sárgára változtatott színanyaga révén kevésbé árnyékolja el fajtársai elől az éltető napfényt, ezért jóval hatékonyabban tudja a szén-dioxidot megkötni. A cég nagyléptékű kísérletéhez egy csaknem 33 hektáros földterületet vásárolt, ahol az algák telepítése céljából komplett tavakat fognak létesíteni. A tervek szerint a moszatok a közelben működő erőmű által kibocsátott szén-dioxidot fogják táplálékká és üzemanyaggá alakítani, kettős hasznot hajtva ezzel az emberiségnek.

A feltáruló lehetőségek azonban messze túlmutatnak a környezeti kárelhárításnak, illetve a növekvő népesség tápanyagellátásának - kétségkívül kulcsfontosságú és sürgető - feladatain. Ma, ha egy parfümcég kifejleszt egy új illatanyagot, a saját fermentoraiban, a maga által tenyésztett baktériumokkal gyártatja le a vegyületet, és a készterméket hozza forgalomba. A jövőben azonban elég lehet az illatmolekulát szintetizáló baktérium DNS-szekvenciáját feltöltenie egy szerverre, ahonnan a felhasználók fizetség ellenében letölthetnék az adathalmazt, és annak segítségével akár az otthonukban létrehozhatnák a speciális mikrobát. A baktérium aztán a vásárló bőrén tenyészve tetszés szerinti ideig árasztaná a bódító aromát. Kérdés persze, hogyan akadályozhatná meg a cég, hogy az értékes sejtkultúrát egy érintéssel átadja hordozója bárkinek, akit rabul ejt az illat.

Tátrai Péter