Bez úprav genomů se aplikovaný výzkum neobejde

V dětství chtěl být myslivec, ale nakonec to u něj vyhrály rostliny. Rostlinný genetik Aleš Pečinka z Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum se z klasického „kytičkáře“ posunul přes cytologii až k molekulární biologii a epigenetice. Dnes patří k předním odborníkům na výzkum buněčného jádra rostlin. A, jak sám říká, k ambasadorům geneticky upravených plodin. Pokud chceme jako lidstvo přežít a méně zatěžovat životní prostředí, bez genového inženýrství se podle něj zkrátka neobejdeme.

Hned po vysoké škole odešel do zahraničí a zůstal tam šestnáct let. Doktorát si dělal v Německu v Leibnitzově ústavu pro rostlinnou genetiku a výzkum kulturních rostlin, pak šel do Vídně na postdoktorský projekt do tehdy nově založeného Ústavu Gregora Mendela pro rostlinnou molekulární biologii. „A poté jsem měl velké štěstí a získal místo vedoucího skupiny v Max Planckově ústavu pro výzkum šlechtění rostlin v Kolíně nad Rýnem. Tyto pozice se vypisují na určitou dobu, většinou na pět let, po nichž může následovat jedno či více dvouletých období prodloužení,“ popisuje Pečinka svou raketovou kariéru. Už během prodloužení se začal poohlížet kolem, kam by se mohl posunout. V té době se spojil s vedoucím olomouckého pracoviště Ústavu experimentální botaniky AV ČR a vědeckým ředitelem CRH Jaroslavem Doleželem. „Přeskočila mezi námi jiskra, já jsem navíc věděl, že olomoucké pracoviště je velmi dobře vybavené a zdejší výzkum se doplňuje s tím, co jsem dělal v zahraničí. Když se k tomu přidaly rodinné vazby, bylo rozhodnuto,“ vysvětluje Pečinka důvody pro návrat do vlasti.

V červenci uplynul rok od rozhodnutí Evropského soudního dvora, který označil rostliny upravené metodami cíleného editování genomu za GMO. Vědci ze 121 evropských institucí volají po změně předpisů. Jak moc považujete změnu za potřebnou vy sám?
Považuji se za jednoho z ambasadorů, který se genetické modifikace a jejich smysluplné využití snaží obhajovat. V našem výzkumu používáme tyto metody rutinně, v podstatě denně. A to jak u modelového huseníčku, tak u obilovin. Pracujeme s celou řadou těchto metod, připravujeme si například fúzní proteiny, vytvořené obvykle umělým spojením dvou či více původních proteinů, provádíme mutagenezi genomu pomocí molekulárních nůžek CRISPR.

Věnuji se těmto metodám i z hlediska potenciálu pro šlechtění nových odrůd či popularizace. Z mého pohledu budou tyto postupy pro šlechtění nových odrůd nezbytné, pokud chceme zajistit dostatek potravy pro světovou populaci a současně nezatěžovat ještě více než dosud životní prostředí. Metody vzešlé z takzvané zelené revoluce z minulého století, tedy kombinace šlechtění, používání minerálních hnojiv a velkého množství herbicidů a pesticidů, již totiž k tak razantnímu zvýšení výnosů nepřispějí. Současně vidíme, že mají velký negativní dopad na kvalitu půdy i biodiverzitu krajiny.

Pro část veřejnosti je to ale kontroverzní a možná i složité téma, o GMO vznikají různé mýty a s tím související obavy. Strach z geneticky modifikovaných organismů tedy podle vás není na místě?
Tyto metody mohou mít nejen pozitivní dopad na výnos, ale i mnohé další výhody. S jejich pomocí lze vyvinout rostliny, které budou moci růst v polních kulturách bez velkého množství pesticidů, jež momentálně aplikujeme. Výhodou je možnost tvorby rostlin využívajících nová účinnější hnojiva, která nebudou podporovat nadměrný růst plevelů, čímž se sníží potřeba použití herbicidů, a také se omezí růst sinic ve vodních tocích. Tím ochráníme krajinu.

Dalším benefitem je zlepšování vlastností rostlin s ohledem na lidské zdraví. Již existují plodiny s látkami důležitými pro výživu lidí. Jedná se například o takzvanou zlatou rýži, která by zabránila nedostatku vitamínu A u obyvatel chudých oblastí v jihovýchodní Asii, nebo bezlepkovou pšenici, jež by usnadnila život celiakům. Panují vůči tomu ale i averze, které mají pravděpodobně základ v nedostatečné komunikaci odborníků a firem ohledně přínosů a možných rizik těchto technologií. Svůj díl viny na tom mají bohužel i ekologické organizace, které v této věci nedělají společnosti dobrou službu. Odmítají přijmout výsledky nezávislého odborného výzkumu a jsou v zajetí neznalosti a iracionálních představ. Souhlasím s tím, že GMO plodiny musejí před uvedením na trh projít kontrolami. Na druhou stranu neexistují žádné hodnověrné studie, které by prokazovaly nepříznivé důsledky geneticky modifikovaných plodin na kvalitu výsledných produktů.

Pokud by se zastaralá legislativa ohledně GMO nezměnila, mohlo by to mít dopad i na vědu?
Společnost na jedné straně chce od vědců aplikovaný výzkum, ale bez metod editování genomu toho nebudeme smysluplně schopni. Nebo to budou aplikace „do šuplíku“, ale pak je otázka, zda je to efektivní postup. Musíme si také uvědomit, že existují země, které jsou v této věci mnohem progresivnější, například USA, Kanada, Čína a patrně velmi brzy přehodnotí svůj postoj i Japonsko. To znamená, že Evropa bude ztrácet jedno rozsáhlé pole ekonomiky s velkou přidanou hodnotou. Evropské inovace nebudou konkurenceschopné.

U vašeho jména bývá uváděno – expert na výzkum jádra rostlinných buněk. Co si pod tím lze představit?
Rostliny nemají nervovou soustavu, spousta procesů v nich se řídí hormonálně a centrálním řídicím systémem je do určité míry rostlinné jádro, kde je uložena dědičná informace. Do buněčného jádra přichází spousta vjemů rostliny a na jejich základě se spouští kaskáda molekulárních reakcí, jejichž úkolem je reagovat na vnější podněty či vývojové etapy rostliny. Tím pádem začne v buněčném jádře docházet k vypínání a zapínání genů. Právě to nás zajímá.

Buněčné jádro je tedy stěžejní součást rostliny, jakýsi její „centrální mozek“?
Ano, je to její řídicí orgán. Je velmi málo rostlinných buněk, které mohou fungovat po omezenou dobu bez něj. DNA, v níž je dědičná informace uložena, si navíc nemůžeme představit jako nějakou špagetu na talíři, ale je namotaná na malinkatá klubíčka osmi histonových proteinů, nukleozomy. Například u člověka jsou v každém buněčném jádře zhruba dva metry DNA smotané v prostoru, který má v průměru pouhých 20 mikrometrů. Buněčné jádro tedy řídí buňku, potažmo celou rostlinu, ale souběžně s tím prochází velmi dynamickým procesem, kdy se DNA různě přeskupuje, smršťuje, rozvolňuje. A nás velmi zajímá, jak se to celé děje a jaký vliv to má na rostlinu.

Pokud se tedy vašim kolegům povedlo přispět k rozluštění genomů pšenice, ječmene či banánovníku, jednalo se o izolovanou DNA a nyní je potřeba jít dále a vámi zmiňovaná klubíčka rozmotat?
Pro čtení genomu je DNA očištěna od proteinů. My se v současné době snažíme využít metody, díky nimž budeme schopni u rostlin analyzovat i organizaci uvnitř buněčného jádra. Přečtením genomu zjistíme posloupnost čtyř písmenek genetické abecedy – A, C, G, T ­– a jsme schopni s určitou pravděpodobností říct, kde se určitý gen v genomu nachází. Následným úkolem ale je zjistit, co tento „text“ znamená pro fungování rostliny. Právě k tomu slouží studium buněčného jádra. Čtení genomu můžeme chápat jako nezbytnou základní platformu a nyní se snažíme tento text rozklíčovat, dát jednotlivým slovům určitý význam.

Pracujete na několika projektech, můžete je přiblížit?
Klíčovým tématem naší skupiny jsou takzvané SMC (Structural maintenance of chromosomes) proteiny, což jsou proteinové komplexy vyskytující se u všech eukaryotických organismů, tedy u rostlin, hub, živočichů i člověka. Jsou konkrétně tři – kohesin, kondensin a takzvaný SMC5/6 komplex. Tyto komplexy jsou nezbytné pro organizaci a udržování struktury chromozomů. Nejvíce se soustředíme na SMC5/6 komplex, který řídí nám dosud neznámým způsobem opravy DNA. Tento výzkum je zasazen do určitého rámce, kdy se snažíme charakterizovat funkce jaderných genů, které se podílejí na organizaci a řízení buněčného jádra. Aby to nebylo suše akademické, díváme se, jak vlastnosti buněčného jádra ovlivňují vlastnosti rostlin. V tomto ohledu je naším stěžejním tématem vývoj semínek, konkrétně jejich součásti – živného pletiva endospermu. Do jisté míry připomíná placentu savců. Obaluje embryo, vyživuje ho a reguluje jeho vývoj. Nás zajímá, jak se endosperm vyvíjí jak u modelové rostliny huseníčku, kdy nakonec embryo nakonec endosperm spotřebuje ještě před vyklíčením, tak u ječmene setého, kde je semínko z větší části tvořeno endospermem a embryo ho začne spotřebovávat až po vyklíčení. Endosperm obilovin je hlavní složka naší potravy. Z endospermu pšenice se vyrábí mouka, endosperm ječmene je důležitý pro výrobu sladu nebo jako krmivo. V tomto případě tedy kombinujeme kontrolu buněčného jádra s určitým znakem, který má významný šlechtitelský potenciál.

Jeden z vašich výzkumných směrů má i možný přesah do humánní medicíny…
U modelové rostliny huseníčku objevujeme geny, které se podílejí na opravách určitého málo známého typu poškození DNA. Zatím jsme jich našli pět. Všechny tyto geny mají své homology (geny stejného typu a podobných vlastností zděděné od společného předka) i u živočichů. Tím pádem předpokládáme, že se účastní podobných biologických pochodů. Protože k tomuto poškození DNA dochází i v lidských buňkách a opravy DNA jsou evolučně konzervovaný proces, předpokládáme, že se námi identifikované geny účastní tohoto procesu i u člověka. Je to ale běh na dlouhou trať, přenos informací z rostlin na člověka není jednoduchý a stále hledáme partnera, který by otestoval naše zjištění u lidských buněk.

Jak moc těžké je odhadnout, že jdete ve výzkumu správným směrem?
Do jisté míry to lze díky zkušenosti, která pramení právě z přešlapů z minulosti. Myslím, že dřívější neúspěchy mě naučily navrhnout projekt tak, abychom se nedostali snadno do slepé uličky. Ale zcela se riziku neúspěchu vyhnout nelze, je to nutná součást vědecké práce. Ve chvíli, kdy nám něco nefunguje, se často nejvíc naučíme. Mnohdy je to trochu detektivka, vědecká práce rozhodně není nudná. Člověk musí být i do velké míry otevřený k tomu, kam ho cesta dovede.

Nedávno jste s kolegy zaujali článkem v The Plant Cell, kdy jste jako první popsali funkci dvou genů SMC5/6 komplexu u rostlin, konkrétně huseníčku. Nečekaným zjištěním bylo, že tento komplex má vliv i na vývoj semínek. Vy jste v souvislosti s tím hovořil o významu základního výzkumu. Jak důležitý je v době, kdy se tolik volá po aplikovaném výzkumu a inovacích?
Bez základního výzkumu není možný aplikovaný výzkum, a to platí v několika rovinách. Například vývoj nových metod se děje na modelových organismech v laboratorních podmínkách v rámci základního výzkumu, protože tyto modely jsou jednoduché, levné a snadno kontrolovatelné. Až následně je možné metodu aplikovat na jiné plodiny či organismy. U modelových rostlin jsme schopni i snáze pochopit mnohé procesy a mechanismy, které v rostlinách probíhají. To je důležité například pro šlechtění nových odrůd.

Na druhé straně je i v CRH velký důraz kladen na přenos poznatků do praxe. Leitmotivem celého působení je pomoci vědeckými výsledky k vyšlechtění hospodářsky významných plodin s požadovanými vlastnostmi, díky nimž bude možné nakrmit stále rostoucí populaci nebo produkovat plodiny, které budou mít příznivé dopady na naše zdraví. Jak moc na to při své práci myslíte?
Při každodenní práci, klasickém výzkumu, se nemůžeme upínat k tomu, že budeme mít aplikovatelné výsledky. I když i to se může lišit projekt od projektu. Naše skupina se snaží posouvat hranice lidského poznání s tím, že někde v dáli máme metu, že naše výsledky budou možná využitelné v praxi. Ale není to pro nás primární cíl. Mise našeho ústavu je provádět excelentní základní výzkum a vyvíjet nové metody, které budou využitelné pro šlechtitelský výzkum.

Ústavy Maxe Plancka, odkud jste do Olomouce před dvěma roky přišel, bývají dávány za vzor – vzhledem k výsledkům tamních vědců, ale i v souvislosti se systémem fungování. Působení v Německu označujete za milník ve své vědecké kariéře. Může odtud vědec ještě odcházet za lepším?
Určitě může a i mně se to v určitém smyslu podařilo. Ústavů Maxe Plancka je osmdesát a každý funguje trochu jinak. Pokud mám srovnávat tamní prostředí s mým nynějším působištěm, co do materiálního vybavení je situace srovnatelná, v některých ohledech dokonce lepší. A to nejen pokud jde o samotné přístroje, ale i stabilitu a erudici lidí, kteří je obsluhují. Zatímco v Německu jsme všichni pracovali povrchně na mnoha přístrojích, v Olomouci je jiný přístup a kolegové jsou zde více specializovaní. Když za nimi člověk přijde, ví, že mluví se skutečným odborníkem, který má metodu nebo přístroj „osahané“, a že společně dokážeme udělat velké věci. Co v našich podmínkách chybí, je zhruba padesát let, kdy síť ústavů Maxe Plancka procházela různými obdobími vývoje a postupně se formovala pravidla. Centrum regionu Haná naopak vzniklo před pár lety de facto na zelené louce a pravidla se teprve utvářejí.

Po svém návratu z Německa jste označil Česko jako zemi, která má ve vědě velký potenciál. Nezměnil jste od té doby názor?
V pohledu na českou vědu jsem velmi pozitivní, protože vidím snahy ji posouvat dopředu a udělat ji konkurenceschopnou ve světě. Vadí mi samozřejmě nadměrná byrokracie. Během uplynulých dvou let se nám ale podařilo vytvořit stabilní a fungující tým, za což patří velký dík mému přímému nadřízenému profesoru Doleželovi. Vidím sílu Centra regionu Haná, kde rozvíjíme spolupráci v rámci různých oddělení, mezi Univerzitou Palackého, ÚEB AV ČR i Výzkumným ústavem rostlinné výroby. Je zde velká synergie, díky čemuž patříme k hlavním centrům výzkumu rostlin v ČR. Pokud se podaří propojit i s dalšími vědeckými centry Univerzity Palackého, Ústavem organické chemie a biochemie AV ČR a Fakultní nemocnicí v Olomouci v rámci plánovaného vysokoškolského ústavu, synergie bude ještě větší.

Stále tedy platí, že zde chcete zůstat natrvalo?
Udělali jsme tu za dva roky kus práce, spousta projektů je v běhu a hodně práce nás čeká. Není důvod přemýšlet o přesunu někam jinam.