S pomocí bioinženýrství umíme zpracovat odpad a udělat z něj látky s vyšší hodnotou, jako třeba bioplasty, říká Pavel Dvořák

Cílem syntetických biologů je upravovat metabolismus mikroorganismů tak, aby byly schopné produkovat atraktivní látky, jakými jsou bioplasty, biopaliva či biofarmaka. Jak to vypadá v praxi, se dočtete v tomto rozhovoru. 

O jakém povolání jste snil jako dítě?

Věda to nebyla😊 Ale jako malý kluk jsem prý rodičům říkal, že chci být detektiv. Což vlastně nemá k vědě tak daleko. Také se pídíte po důkazech, kterými chcete potvrdit nějakou hypotézu, a věřím, že dobrý vědec, především pokud vede nějaký tým, musí mít i silný smysl pro spravedlnost.

Jak vedla Vaše cesta k přírodním vědám?

Moje záliba v přírodních vědách, především biologii a chemii, se rozvíjela od základní školy přes gymnázium v mé rodné Kroměříži, kde jsem v obou případech měl štěstí na velmi dobré učitelky biologie, které mě podporovaly v různých mimoškolních aktivitách, biologických a ekologických olympiádách, SOČ atd. Také mě to odmala táhlo do přírody. Když se potřebuju uklidnit, relaxovat, utíkám do lesa. Ať už s rodinou, přáteli nebo velmi rád i úplně sám. A to „utíkám“ myslím doslova, protože běh je můj další koníček vedle přírody. Dnes už ale pouze rekreační.

Zaměřujete se na oblast syntetické biologie a metody genetického inženýrství. Přibližte prosím čtenářům, co je cílem tohoto oboru?

Naším cílem obecně je vnést inženýrské postupy do biologie a upravovat regulační a metabolické dráhy živých mikroorganismů. Změny v bakteriálních producentech provádíme technikami genetického inženýrství na úrovni DNA. Není to žádná magie, tyto techniky využívá lidstvo již padesát let, jen se stále zdokonalují. Techniky prováděné v naší laboratoři, jsou obdobou evolučních procesů, které probíhají v přírodě miliardy let. Stejně jako člověk šlechtil tisíce let odolnější a výnosnější druhy pšenice nebo plemena skotu, dnes v laboratoři „domestikujeme“ a „šlechtíme“ bakterie a kvasinky pro efektivnější produkci léčiv, biopaliv nebo nových materiálů.

Učebnicovým příkladem je biotechnologická produkce inzulinu, který je od 80. let 20. století vyráběn geneticky modifikovanými bakteriemi a kvasinkami. Můžete čtenářům techniky syntetické biologie přiblížit třeba na něm?

Vědci v laboratoři z lidské DNA izolovali gen kódující bílkovinu inzulin a tento gen vnesli ve zkumavce za využití molekulárních „nůžek“ a „lepidel“ – molekul katalytických bílkovin enzymů, které umí „stříhat“ a „lepit“ DNA (ty se mimochodem také izolují z bakterií) – do molekuly bakteriální DNA. Bakterie tento gen přijala a naučila se ho „číst“ a přepisovat do struktury bílkoviny inzulinu. To je možné díky tomu, že písmenka abecedy DNA, abecedy života, jsou univerzální, stejná ve všech organismech, a proto jeden organismus dokáže přečíst gen z jiného organismu. V přírodě je zcela běžné, že si mezi sebou mikroorganismy „vyměňují“ různé geny a využívají je při své adaptaci na nové podmínky.

V roce 2019 jste po svém návratu z několikaleté postdoktorské stáže v zahraničí založil Laboratoř bioinženýrství mikroorganismů, kterou vedete. Ta funguje v rámci Oddělení mikrobiologie Ústavu experimentální biologie Přírodovědecké fakulty MU. Na jaké organismy se konkrétně zaměřujete?

V naší laboratoři se věnujeme studiu mikroorganismů – konkrétně bakterií – a jejich bohatého metabolismu i možnostem, jak bakterie využít v moderních biotechnologiích. Snažíme se zdůraznit, že mikroorganismy nejsou jen původci infekčních onemocnění, ale že člověku již po tisíce let i vydatně pomáhají. A díky moderním technologiím mohou pomáhat ještě mnohem více. Snažíme se upravovat jejich metabolismus. Naším cílem je, aby byly schopné produkovat atraktivní biomateriály, biopaliva nebo biofarmaka. To je ideální koncovka, po cestě k ní mikroorganismy studujeme v základním výzkumu.

Jak vlastně metabolismus v jednobuněčném organismu funguje? Jak si jej můžeme představit?

Když si představíte, že biochemické dráhy v buňce jsou potrubím, které směřuje ze vstupní látky – jíž říkáme substrát a je to například cukr z rostlinné biomasy – potrubí metabolismu tyto vstupní látky rozloží na základní stavební kameny. Z těch buňka staví své tělo a je schopna produkovat zajímavé chemikálie. Nedělá to ale ve velkém množství. A my se to „potrubí“ snažíme upravit tak, aby buňka zajímavé chemikálie produkovala v množství, které bude zajímavé i z ekonomického pohledu. Zaměřujeme se zejména na metabolismus cukrů, tedy tu část „potrubí“, které rozkládá substrát cukr (např. glukózu, xylózu) na další stavební kameny.

Odkud se potrava buněk, tedy substrát, ve Vašem případě cukr, pro syntetickou biologii získává?

Dosud se cukr získával hlavně ze škrobů, materiálu, který získáte po rozemletí zrna kukuřice, pšenice či z brambor. To je ale problematické a lze to vidět jako plýtvání. Proto je dnes snaha jako vstupní substráty v biotechnologických provozech zužitkovat odpadní látky. My se zaměřujeme na odpadní rostlinnou biomasu a její nestravitelnou složku, lignocelulózu. Z kukuřice průmysl zpracovával pouze klas, a nás zajímá vše ostatní, co zbyde – stonky, listy. Využívají se částečně jako hnojivo či krmivo, ale stále zhruba třetina může být využita jako levný vstup v biotechnologiích. Snahou našeho oboru je zpracovat odpad a udělat z něj poklad – anglicky se tomu říká „trash to treasure“.

S jakými geneticky upravenými bakteriemi pracujete právě Vy?

Můj tým pracuje s bakterií Pseudomanas putida. Už od 70. let 20. století byla studována v kontextu biodegradace a bioremediace toxických odpadů. Zajímavé je, že šlo o první patentovaný, geneticky modifikovaný organismus na světě. Cesta k získání patentu nebyla vůbec snadná, šlo v této oblasti o něco zcela nového. Na její úpravě pracoval v USA Dr. Ananda Mohan 'Al' Chakrabarty. Byl schopen do pseudomonády vložit geny jiných bakterií a vylepšit její vlastnosti při degradaci ropných látek. Od té doby se využívá v biotechnologiích.

Čím je pseudomonáda pro Vás, syntetického biologa, tak zajímavá?

Je hodně odolná vůči různým stresům, s nimiž se v přírodě setkává, často se izoluje z míst ropné nebo toxické kontaminace prostředí. Je taková díky specifikům metabolismu, který jí pomáhá přeměňovat tyto chemikálie na látky méně toxické nebo takové, jež využije pro svůj růst. To „potrubí“ metabolismu má velmi bohaté a různorodé a snadno se přizpůsobuje náročným podmínkám. Dnes se ukazuje, že ji lze využít nejen při odstraňování toxických látek z prostředí, ale také v bioprodukci, kdy ve velkých fermentorech jsou podmínky pro organismy také velmi stresující. Když to přeženu: Tyto organismy se nevinuly tak, aby plavaly v ethanolu. Ale my je k tomu při modifikacích vedeme. Jejich robustnost a odolnost je pro syntetickou biologii velmi atraktivní.

Letos v létě jste za výzkum pseudomonády a další výzkumy, o kterých se ještě zmíníme, Vy a Váš tým obdržel prestižní ocenění “The Jay Bailey Young Investigator Award” pro mladé nadějné výzkumníky od Mezinárodní společnosti pro metabolické inženýrství (IMES). Gratuluji😊. Čím Váš výzkum tolik zaujal?

Já jsem s pseudomonádou začal pracovat během postdoktorského pobytu. Používal jsem ji pro účely zpracování různých cukrů v odpadní rostlinné biomase − lignocelulóze. Jako prvnímu se mi podařilo prokázat a publikovat, že dokáže zpracovat paralelně, naráz, více cukrů, které se v biomase nacházejí. Výjimečná je mezi podobnými organismy i tím, že dokáže zpracovávat lignin, složku lignocelulózy, tvořenou aromatickými a často toxickými látkami, jež této bakterii „chutnají“. Kolegové z USA, kteří na naši studii navázali, ukázali, že cukry i tyto toxické látky umí také zpracovávat zaráz. To většina organismů neumí, ovšem po naší úpravě to tato pseudomonáda dokázala. Takže taková bakterie teoreticky zkracuje délku procesu zpracování cukrů v odpadní biomase − lignocelulóze, a tím i zmenšuje finanční náročnost tohoto procesu. Naši kolegové v zahraničí, např. v National Renewable Energy Laboratory v Coloradu navázali na naši práci a posunuli ji dál. Vznikla tak varianta pseudomonády, která je schopná cukry a aromáty z odpadní lignocelulózy přeměňovat na atraktivní molekuly, jako je mukonová kyselina, chemický prekurzor nylonu. Kolegové jsou už tak daleko, že by v horizontu několika let mohli přejít do komerční fáze. Jsem rád, že jsme do této mozaiky přispěli. A právě to byl jeden z důvodů ocenění, na které mne nominoval mimo dalších kolegů i Gregg Beckham z National Renewable Energy Laboratory v Coloradu.

Pokračujete stále ve výzkumu této pseudomonády?

Ano, na jejím metabolismu stále pracujeme, zkoumáme ho více do hloubky a máme v publikačním procesu studii, kde se omics technologiemi díváme na evoluci mutantních bakterií, jež jsme připravili pro lepší růst na xylose, důležitém cukru z odpadní rostlinné biomasy. Sledujeme, jak se díky našim cíleným zásahům do metabolismu, ale i díky přirozené evoluci, kterou do úprav zapojujeme, tato bakterie může vyvíjet k lepšímu růstu, A také k lepšímu zpracování tohoto pro ni nepůvodního substrátu, který normálně nekonzumuje, ale my ji to „naučili“. Na biotechnologiích, aby se dostaly do komerční fáze, ale vždy pracují velké multioborové týmy, někdy celé instituty, my samostatně takové ambice ani prostředky v tuto chvíli nemáme. Ale přispíváme do tohoto procesu detailním poznáním fungování bakteriálního metabolismu a vyvíjením metod, jak ho vylepšit cílenými zásahy.

Vy ale v současnosti zkoumáte i tzv. termofilní bakterie. V čem je jejich potenciál v oblasti biotechnologií?

Extremofilní nebo konkrétně termofilní bakterie zvládají vysoké teploty. Pseudomonáda roste při nižších teplotách, kolem 30 °C. Ale v dnešních moderních biotechnologiích by řada chemických procesů mohla fungovat efektivněji při vyšších teplotách. My pracujeme s těmi bakteriemi, které zvládají optimální teplotu 50 až 60 °C. Mají velký potenciál i proto, že při vyšších teplotách procesu je nižší riziko kontaminace výroby mezofilními druhy.

Zmínil jste, že Váš výzkum je vždy mezioborový. S kým v tomto novém výzkumu spolupracujete? Jaké odborníky potřebujete?

Spolupracujeme s prof. Stanislavem Obručou z Fakulty chemické VUT, dále s dr. Karlem Sedlářem z Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT (FEKT VUT) a doc. Davidem Šafránkem z Fakulty informatiky MU (FI MU). Vytvořili jsme unikátní konsorcium laboratoří vzájemně se doplňuje jak znalostmi, tak metodami i vybavením. My zajišťujeme syntetickou biologii a molekulární biologii. Obrovskou roli hrají v našem výzkumu matematické modely, které zajišťují kolegové z FI MU a FEKT VUT. Chemici z VUT mají fermentory a zkušenosti se zpracováním buněk, vstupních substrátů i výsledných produktů. Snažíme se připravit geneticky upravené bakterie, jež by dokázaly produkovat biopolymery polyhydroxyalkanoáty (PHA) rychleji a ve větším množství, navíc z levných odpadních substrátů. Takže genetickou informaci bakterie upravujeme tak, aby dokázala konzumovat různé cukry z levné odpadní rostlinné biomasy, lignocelulózy, a aby uhlík z těchto levných cukrů svým potrubím metabolických drah co nejefektivněji nasměrovala do tvorby PHA. V naší poslední studii jsme ukázali, že k tomu efektivnějšímu proudění uhlíku z cukru první částí metabolického potrubí stačí jediné, otevřít novou výkonnou cestu pro vstup cukru do buňky.

Tato nová strategie metabolického inženýrství, využitelná i v produkci bioplastů, je velkým úspěchem Vaší laboratoře. Řekněte nám nejdříve, jak a proč vlastně bakterie, ať už ty přírodní nebo upravené, bioplast produkují?

Řada přírodních bakterií má ráda cukry, bakterie pak ukládají nadbytek uhlíku z cukru do nitrobuněčných granulí polyesteru, který se nazývá polyhydroxyalkanoát. Molekuly PHA jsou velmi různorodé, v závislosti na tom, jaké cukry nebo i další látky bakterie konzumují. Důležité je, že mají vlastnosti podobné syntetickým polymerům, syntetickým plastům vyráběným z ropy. Na rozdíl od syntetických plastů jsou ale PHA v přírodě zcela rozložitelné, jsou netoxické, pocházejí z obnovitelných zdrojů a jsou biokompatibilní. To znamená, že z nich lze vyrábět třeba umělé implantáty používané v medicíně, nebo nitě na šití ran apod. Mohou sloužit i jako obalové materiály či fólie používané v zemědělství. Možných aplikací je opravdu řada. Bohužel cena PHA je stále příliš vysoká ve srovnání s cenou syntetických plastů, a proto jejich produkce tvoří jenom zlomek procenta ze všech plastů, které se globálně vyprodukují.

Jak taková úprava metodou metabolického inženýrství probíhá?

Do vybrané bakterie jsme vložili gen kódující bílkovinu transportéru cukru, jenž přenáší molekulu cukru z vnějšího prostředí dovnitř buňky. Ten transportér má velmi vysokou kapacitu přenosu cukru a ten cukr, když to řeknu trochu nadneseně, natlačí do buňky bakterie, která na to pak reaguje nadprodukcí molekul, z nichž se následně po dalších úpravách mohou efektivněji tvořit i bioplasty. Výzkum jsme publikovali v prestižním mezinárodním časopise Metabolic Engineering.

Vaše studentka, Barbora Hrnčířová, má velké úspěchy. Se svým výzkumem rozkladu odpadní rostlinné biomasy zaujala i odborníky z NATO, jak jsme psali zde… Vaše laboratoř tedy do výzkumu zapojuje i studující?

Ano, různým částem tohoto velkého projektu se věnují i naši studující. Barbora Hrnčířová se snaží upravit vybrané bakterie tak, aby kromě jednoduchých cukrů mohly konzumovat i cukry složitější. Cukry v lignocelulóze jsou uloženy jako polymery – můžete si je představit jako korálky na niti. Jednoduché cukry jsou jednotlivé korálky. Většina bakterií umí konzumovat jen ty jednotlivé malé korálky, jednoduché cukry. Abyste je získali, musíte řetízek korálků nejprve roztrhat. Pro ten účel se v biotechnologiích používají buď chemikálie jako kyseliny a zásady, vysoké teploty nebo katalytické bílkoviny enzymy. Ten proces je velmi drahý a energeticky náročný. Prodražuje tak výrobu PHA. Bára a někteří další členové našeho týmu se snaží docílit toho, aby naši malí bakteriální producenti PHA dokázali konzumovat i delší řetízky cukrů, nebo si ty řetízky štípali sami pomocí vlastních katalytických bílkovin, které do nich vnášíme technikami bioinženýrství. To by mělo vést k efektivnějšímu a levnějšímu procesu přeměny odpadní rostlinné biomasy na žádoucí chemikálie jako jsou PHA a mnohé další. Nedávno tento koncept prezentovala na NATO STO mítinku v Helsinkách a získala ocenění za nejlepší prezentaci. Přitom přišla jako jediná z prezentujících s biologickým tématem.

Řekněte nám na závěr, v čem je pro Vás výzvou Vaše pedagogická činnost?

Výzvou je pro mě především možnost zaujmout širší spektrum posluchačů pro to, co zrovna přednáším. Ne všichni studující přicházejí na přednášku s tím, že je daný předmět nebo téma konkrétní přednášky zajímá (to platí hlavně u povinných předmětů, které studující musí absolvovat). Snažím se látku podávat tak, aby jí porozuměli všichni v posluchárně. Tím se také stává atraktivnější. Není pro mě důležitá kvantita, počet slidů nebo metod, které se studenti musí naučit. Chci, aby si zapamatovali princip, centrální myšlenku. Proto jsou také důležité praktické ukázky a osobní zkušenost z laboratoře. To žádná teorie nenahradí. Věřím, že bychom celkově měli klást větší důraz na praktickou výuku, semináře a řešení praktických problémů. Za velmi důležitý považuji i osobní přístup ke studentkám a studentům. Ten je ale možný opět jen v omezeném počtu posluchačů ve třídě nebo studentů ve výzkumné skupině. Takže jsme zpět u toho, že kvalita by měla vítězit nad kvantitou.

Děkuji vám za rozhovor.
Zuzana Jayasundera