Je libo robotizovat vaše buňky?
DNA obvody jako molekulární roboti nové generace

Věda opět posouvá hranice toho, co považujeme za možné. Vědci z Kalifornského technologického institutu (Caltech) oznámili, že se jim podařilo vytvořit plně funkční DNA obvody, které dokážou operovat uvnitř živých buněk. A to není jen kuriozita – je to zásadní krok k vytvoření molekulárních robotů, kteří jednoho dne mohou diagnostikovat nemoci, opravovat buňky nebo cíleně likvidovat rakovinu, a to vše přímo zevnitř našeho těla.

Když slyšíme "obvod", obvykle si představíme drátky, tranzistory a čipy. V biologii ale může podobnou funkci plnit molekula DNA. DNA obvody (anglicky DNA circuits) jsou syntetické struktury sestavené z krátkých úseků DNA, které spolu reagují podle přesně daných pravidel. Využívají principu strand displacement – řízeného přesouvání vláken – k tomu, aby mezi sebou přenášely informace a aktivovaly další reakce.

V praxi to znamená, že můžeme naprogramovat molekuly DNA, aby se chovaly jako logické brány typu "AND" nebo "IF...THEN". Tedy: pokud detekuješ určité RNA v buňce a zároveň je tam nějaký protein, pak uvolni léčivo. Je to jako biologický programovací jazyk.

DNA obvody nejsou úplná novinka – fungovaly už ve zkumavkách. Ale přenést je do živé buňky, kde je prostředí výrazně složitější a proměnlivější, to byl obrovský technický oříšek. Buňka je totiž plná enzymů, které mohou DNA rozložit, plná iontů, které ovlivňují stabilitu molekul, a hlavně – má vlastní "provoz" a metabolismus, do kterého syntetické obvody zasahují.

Tým z Caltechu pod vedením profesora Erika Winfreeka, průkopníka v oblasti molekulárních výpočtů, vyvinul nový typ DNA obvodů, které jsou stabilní, odolné a přitom funkční uvnitř lidských buněk. Použili modifikované úseky DNA, které odolávají enzymům, a zároveň optimalizovali jejich strukturu tak, aby pracovaly rychle a efektivně i v prostředí plném rušivých vlivů.

Potenciální využití DNA obvodů je obrovské:

1. Chytrá léčba rakoviny

Představ si DNA obvod, který je navržen tak, aby detekoval několik znaků typických pro nádorové buňky – například přítomnost určitých RNA a nedostatek jiných proteinů. Pokud buňka splňuje tento "profil", obvod spustí syntézu toxické látky, která buňku zničí. Okolní zdravé buňky přitom zůstanou nedotčeny.

2. Biosenzory uvnitř těla

DNA obvody mohou působit jako senzory, které detekují známky infekce, zánětu nebo mutací. Místo toho, aby se nemoc diagnostikovala krevním testem, by tělo samo zaznamenalo změny a předalo informaci dál – například světelným signálem nebo změnou aktivity konkrétních buněk.

3. Řízení genové exprese

Pomocí DNA obvodů lze jemně regulovat, kdy se v buňce aktivuje nebo utlumí určitý gen. To je důležité nejen pro léčbu genetických chorob, ale třeba i pro regeneraci tkání nebo vývoj nových druhů vakcín.

4. Samoopravné systémy

V budoucnu by DNA roboti mohli fungovat jako mikroskopičtí údržbáři: opravovat poškozené buněčné komponenty, odstraňovat chybné molekuly a bránit šíření mutací.

Samozřejmě, není to hotové řešení. Vědci stále čelí mnoha výzvám:

• Stabilita: obvody musí dlouhodobě fungovat, aniž by je buňka rozložila.
• Přesnost: nesmí se aktivovat omylem – špatně spuštěný obvod může napáchat škody.
• Imunitní reakce: tělo nesmí začít syntetické obvody odmítat nebo likvidovat.
• Etické otázky: jaký má člověk vliv na vnitřní programování vlastního těla?

Výzkum DNA obvodů je součástí širšího oboru zvaného syntetická biologie – vědy, která kombinuje biologii, chemii, informatiku a inženýrství. Cílem je přetvářet živé systémy tak, aby pracovaly podle našich potřeb, a ne jen podle evoluce.

Zatím jsme na začátku. Ale podobně jako kdysi počítače začínaly jako místnost plná drátů a diod, a dnes je nosíme v kapse – i molekulární výpočty čeká rychlý vývoj. Až příště půjdeš k lékaři, možná tě místo tablety bude léčit mikrorobot programovaný na míru tvé DNA.

- mai