Luxusná večera v roku 1919, ktorá pripravila o život päť ľudí. Zaujímavý experiment na záchranu konzervárenského priemyslu v 20. rokoch minulého storočia. Program vývoja biologických zbraní počas druhej svetovej vojny a operácia CIA namierená proti Fidelovi Castrovi. Kozmetický prípravok, ktorý vyhladzuje vrásky a stal sa základom mnohomiliardového biznisu. Nová analýza viac než 1.000 bakteriálnych genómov pozoruhodným spôsobom spája tieto zdanlivo nesúvisiace udalosti. Nové výsledky uverejnené v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ukazujú, ako vedci neúmyselne zmenili evolúciu nebezpečnej baktérie, ktorá tak získala značný potenciál na medicínske a komerčné využitie.
Tragédia, ktorá podnietila výskum
Ide o baktériu Clostridium botulinum, ktorej neurotoxín prerušuje komunikáciu medzi nervami, čím ochromuje svaly a spôsobuje udusenie obetí. V prepočte na gram patrí tento toxín, známy pod skratkou BoNT, medzi najsmrteľnejšie známe prírodné látky. Nebezpečenstvo navyše zvyšuje skutočnosť, že spóry C. botulinum sa dokážu „prebudiť“ aj v prostredí bez kyslíka, napríklad v konzervovaných potravinách, a vyvinúť sa na baktérie produkujúce toxín.
Presne to sa stalo so spórami v kalifornských olivových konzervách pri rozsiahlej otrave v roku 1919. Po večeri vtedy zomrel detroitský priemyselník Murray Sales s manželkou, ich dve deti, jeden hosť a dve slúžky. V ďalších dvoch štátoch si konzervy vyžiadali ešte deväť životov. Tragédie vážne ohrozili prosperujúci konzervárenský priemysel a spustili novú vlnu mikrobiologického výskumu. Viedli aj k prijatiu kalifornského zákona, ktorý výrobcom nariadil spracúvať výrobky pri vyšších teplotách. Medzi vedcami, ktorí sa do tohto úsilia zapojili, bol aj Ivan Clifford Hall, bakteriológ z Kalifornskej univerzity. Zostavil zbierku izolátov C. botulinum.
Jeden z kmeňov, pomenovaný Hall A, sa stal dôležitým laboratórnym nástrojom, ktorý vedci opakovane kultivovali. Postupne ho tak domestikovali: evolúcia usmerňovaná ľudskými zásahmi ho pretvorila rovnako ako nespočetné množstvo iných rastlín, zvierat a mikróbov. Kmeň Hall A stratil schopnosť vytvárať spóry, čo vedcom uľahčilo čistenie BoNT, a navyše produkoval mimoriadne veľké množstvo toxínu. Vďaka týmto vlastnostiam si Hallov známy bakteriálny kmeň obľúbili americkí vojenskí výskumníci. V roku 1942 ho začali využívať pri vývoji biologických zbraní a vakcíny proti botulizmu.
Armáda poskytla kmeň Hall A aj ďalším. Začiatkom 60. rokov CIA spustila operáciu, ktorej cieľom bolo zavraždiť kubánskeho vodcu Fidela Castra pomocou škatule cigár kontaminovaných toxínom BoNT. Operácia napokon zlyhala. (Spojené štáty ukončili svoj program biologických zbraní v roku 1969 a o tri roky neskôr podpísali dohovor o obmedzení biologických zbraní.) Približne v rovnakom čase si jeden vojenský výskumník pri prechode na Wisconsinskú univerzitu vzal so sebou kultúru Hall A. O svoje zásoby sa podelil aj s kalifornským očným lekárom. Ten na opiciach skúmal, či BoNT dokáže uvoľniť očné svaly, a dúfal, že nájde spôsob liečby strabizmu, teda škúlenia.
„Je to naozaj príbeh o tom, ako sa z meča stal pluh,“
hovorí mikrobiológ Paul Keim zo Sever arizonskej univerzity (NAU), prvý autor novej štúdie.
Nečakané prínosy a súdne spory
V 80. rokoch britský mikrobiológ Andy Pickett s kolegami v spolupráci s farmaceutickými spoločnosťami úspešne preukázal, že nepatrnými dávkami BoNT produkovaného kmeňom Hall A, rádovo miliardtinami gramu, možno liečiť škúlenie u ľudí. V roku 1989 americký Úrad pre kontrolu potravín a liečiv (FDA) schválil čistený toxín na liečbu škúlenia aj kŕčov očných viečok.
Vtedy však nastal veľmi zaujímavý obrat:
„Niektorí pacienti uvádzali, že im po liečbe ustúpila migréna a zmizli aj vrásky na tvári,“
spomína Pickett. Ukázalo sa, že botox, ako sa dnes prípravok nazýva, v nepatrných množstvách dočasne ochromuje aj tvárové svaly, ktoré spôsobujú vrásky okolo očí, na čele a okolo nosa.
Botox je dnes len jedným z desiatok prípravkov s účinnou látkou BoNT, v súvislosti s ktorými medzi výrobcami vypuklo viacero súdnych sporov o vlastnícke práva a výrobné tajomstvá. Picketta aj Keima vo viacerých takýchto prípadoch prizvali ako súdnych znalcov. Keim už predtým spolupracoval s FBI pri vyšetrovaní pôvodu antraxu použitého pri sérii útokov v roku 2001.
Aby pomohol objasniť rozdiely medzi spornými kmeňmi, Keim právnikom navrhol, nech do práce zapoja aj Richarda Lenského, evolučného biológa z Michiganskej štátnej univerzity. Lenski v roku 1988 spustil dnes už slávny experiment, v ktorom sledoval 12 rovnakých populácií Escherichia coli a dokumentoval, ako sa v priebehu desaťročí vyvíjajú. (Experiment pokračuje dodnes, aj po takmer 85-tisíc generáciách.)
Evolúcia v Petriho miske
V rámci práce na tomto prípade vedci zostavili rodokmeň C. botulinum. Vychádzali pritom z verejne dostupných genómových sekvencií aj z genómov, ktoré sami sekvenovali.
Zistili, že kmeň Hall A a jeho komerčne využívaní potomkovia sa nachádzajú na prekvapivo rozsiahlej vetve rodokmeňa. To naznačuje, že kmene patriace do tejto línie mutovali oveľa rýchlejšie než ich príbuzní.
„Pripomenulo mi to, čo sme pozorovali pri našich experimentoch s E. coli,“ vysvetľuje Lenski. V týchto experimentoch mali niektoré laboratórne kultivované kmene, ktoré začali mutovať rýchlejšie než zvyčajne, chybu v géne podieľajúcom sa na oprave DNA. Na Lenského návrh Keim a Jason Sahl, výskumník mikrobiálnych genómov z NAU, preskúmali tento gén v kmeni Hall A a jeho blízkych príbuzných, aby v ňom našli podobné chyby. A jednu skutočne objavili: mutáciu v géne nazvanom mutS.
Podľa Keima mutácia pravdepodobne vznikla v čase, keď s kmeňom pracoval Hall. V prírode by zrejme rýchlo zanikla, no v laboratóriu sa jej darilo. Čiastočne aj preto, že vedci uprednostňovali kultúry C. botulinum, v ktorých sa účinok mutácie prejavil. Mutácia v géne mutS totiž zabraňuje tomu, aby C. botulinum míňala energiu na tvorbu spór. Baktérie sa tak dobre množia a produkujú nezvyčajne veľké množstvo toxínu. Ich metabolické dráhy sú už vyladené na život v laboratóriu namiesto života v prírode, hovorí Keim.
„Táto práca skutočne vypĺňa zásadnú medzeru v našich poznatkoch,“ hovorí Pickett, ktorý je už na dôchodku a na štúdii sa priamo nepodieľal. Výskum prináša oveľa viac než len pohľad do histórie Hallovho kmeňa a na selekciu riadenú človekom, tvrdí Hong Lei, očný lekár a neurológ špecializujúci sa na poruchy pohybu, ktorý toxín BoNT využíva pri rôznych medicínskych postupoch.
„Výsledky zdôrazňujú, že biologické liečivá pochádzajú zo živých organizmov, ktorých neustála evolúcia môže ovplyvňovať výrobu, stálosť vlastností prípravku aj budúci vývoj liekov,“
hovorí Lei.
Picketta osobitne teší, že výskum upriamuje pozornosť na Halla, podľa neho neprávom zabudnutého hrdinu príbehu botoxu a príbuzných prípravkov. Hoci sa časť Hallovej „neuveriteľnej“ zbierky anaeróbnych organizmov dostala aj do iných laboratórií, väčšina z nej už neexistuje. Objasnenie genetiky kmeňa Hall A je podľa Picketta peknou poctou výskumníkovi, o ktorom toho veľa nevieme.
