Baktérie - oprava DNA

Ľudia sa pri náprave odchýlok v našom tele (DNA) inšpirovali baktériami.

Pokiaľ to veľmi zjednodušíme, tak môžeme naše telo prirovnať k extrémne zložitej stavebnici, zloženej z množstva "kociek". Telo jedného človeka by potom malo toľko kociek (buniek), že keby ste ich chceli spočítať, trvalo by to minimálne niekoľko miliónov rokov. Tieto kocky majú navyše najrôznejšiu podobu a dokážu plniť najrôznejšie funkcie. Keď sa nejaká „kocka“ opotrebuje, vyrobí sa podľa podrobného návodu „kocka“ nová. (Rovnako ako sa vyrábajú nové „kocky“, keď rastieme.) Tento návod je napísaný na dlhom reťazci zvanom DNA, ktorý je zbalený vo vnútri skoro každej bunky (kocky) nášho tela.

Predstavte si teraz, že niekde v tomto návode je chyba, ktorá môže u človeka viesť k rôznym zdravotným problémom – napríklad k tomu, že človek oslepne alebo dostane rakovinu.

Nájsť a odstrániť túto chybu, môže byť veľmi ťažké, pretože „návod“ (reťazec DNA) je strašne dlhý a bežným zrakom neviditeľný. Navyše musí byť tá chyba odstránená úplne presne, inak to nemusí pomôcť, ale naopak ešte viac uškodiť.

Ukážeme žiakom veľmi dlhý povrázok, ktorý je všemožne zložený do neprehľadného klbka. Niekde uprostred je na ňom inou farbou vyznačený veľmi malý úsek. Požiadame žiakov, aby sa pokúsili nájsť toto označené miesto. Poznajú na tom, že len nájsť chybový úsek je veľmi ťažké.

Nedávno ľudia objavili, že niektoré baktérie majú nástroj, ktorým dokážu zvolené miesta na DNA meniť s veľkou presnosťou. Skúsme to teraz napodobniť – samozrejme na oveľa jednoduchšom príklade.

1. Dáme každému žiakovi kus papiera s vytlačeným pomyselným návodom s chybami (viď pracovný list). Vysvetlíme, že drobné červené písmo znázorňuje text návodu (DNA) a čierne bodky znázorňujú pomyselné "chyby v návode" vedúce k veľkým zdravotným ťažkostiam.
2. Dajte žiakom rôzne nástroje, aby čo najpresnejšie vystrihli čierne bodky (nepotrebnú DNA). Je dôležité, aby nepoškodili červený text okolo. Nástroje by mali byť rôzne vhodné na danú úlohu, napr. nožničky na nechty, lyžička, ceruzka, vidlička, stolový nôž, kružidlo, veľké a menšie nožnice. Niektorým žiakom ponúknite dierkovač, ktorý presne zodpovedá veľkosti čiernych bodiek, a môžete im ukázať, ako s ním pracovať.
3. Nech sa žiaci pokúsia vystrihnúť jednu čiernu bodku (chybu vedúcu k zdravotným problémom). Potom ich vyzvite, aby si navzájom požičali rôzne nástroje a zistili, ako sa líši výsledok pri použití jednotlivých nástrojov.
4. Diskutujte o tom, čo bolo najdôležitejšie pre čo najlepšie splnenie úlohy. Odpoveďou je správny nástroj. Práve v tom sú baktérie vynikajúce, a preto ukázali ľuďom, ako čo najpresnejšie upravovať DNA.
5. Ľudia sa pokúšali meniť DNA ešte predtým, ako od baktérií skopírovali tento vynikajúci nástroj, ale presnosť predchádzajúcich metód bola približne podobná výsledkom s ostatnými nástrojmi (okrem dierkovača), ktoré sme použili v našej úlohe.

Vedci sa štúdiom a učením od baktérií naučili, ako meniť našu DNA, návod na používanie nášho tela. Baktérie majú nástroj, ktorý im umožňuje veľmi presne meniť DNA. Baktérie tento nástroj používajú na vírusy, kedykoľvek ich vírusy ohrozujú. Baktériám sa nepáči, že na ne útočia vírusy, rovnako ako sa to nepáči nám (niektoré vírusy nám napríklad spôsobujú prechladnutie a spôsobujú, že sa cítime zle). Aby baktérie zabránili vírusom útočiť na ne, môžu použiť niečo ako veľmi malé nožnice a odstrihnúť DNA vírusu, ktorý im škodí. Tým zabránia vírusu, aby im spôsoboval problémy.

Vedci sa teraz naučili používať tento nástroj, tieto veľmi malé nožnice, na presné strihanie a úpravu našej vlastnej DNA, nášho vlastného návodu na použitie. Pomocou tohto nástroja môžeme zmeniť "návod na použitie človeka" a zlepšiť jeho šance na zdravý život. Tento nástroj môžeme použiť aj na úpravu "návodu na použitie" iných organizmov, nielen ľudí.

Pomocou vyššie popísaného mechanizmu je možné z DNA odstrániť nielen niektoré potenciálne škodlivé časti, ale taktiež pridať rôzne prospešné vlastnosti. Navyše ho môžeme využiť nielen u človeka, ale aj u iných živých organizmov – zvierat, rastlín, húb. Dokážeme vytvoriť napr. rastliny odolnejšie voči vysokým teplotám či suchu (kvôli klimatickej kríze). Možnosti sú nekonečné.

Požiadame žiakov, aby skúsili vymyslieť príklady vecí, pri ktorých by tento vynález mohol pomôcť ľuďom alebo iným organizmom. Podľa potreby žiakov podporujeme pri ich práci, napr. spoločným rozprávaním o prehľade najaktuálnejších problémov ľudstva a životného prostredia. Nakoniec vytvoríme spoločný zoznam nápadov z celej triedy - sú nejaké, ktoré by chceli žiaci ďalej preskúmať, čo sa už deje?

Pozn.: Keďže je téma cielených genetických úprav stále rozporuplná problematika, odporúčame so žiakmi diskutovať o možných rizikách genetických manipulácií.

Možné prepojenia na vzdelávaciu metodiku STE(A)M:

• BIO-Inžinierstvo, BIO-technológia: navrhovanie materiálov, štruktúr a systémov, napodobňujúcich napr. anatómiu živých organizmov. Vývoj technológií, inšpirovaných fungovaním živých systémov.
• Vytváranie hypotéz a ich overovanie jednoduchými pokusmi a pozorovaniami.
• Vyhľadávanie, interpretácia a použitie vedeckých dôkazov na zodpovedanie otázok.
• Aplikácia učením objavených skutočností na problémy reálneho sveta.
• Rozšírenie vedeckého pohľadu na okolitý svet.

• Je úprava ľudského genómu otáka, ktorú by mali riešiť len vedci, alebo by do diskusie mala byť zapojená aj široká verejnosť?
• Aké riziká môže spôsobiť uprava a „vylepšenie“ genetického kódu v embryách? (viď článok O geneticky upravených deťoch)

Oprava genetickej informácie v DNA

Metóda CRISPR

Editácia ľudského genómu a hodnotový systém spoločnosti

Vedci zdokonalili nožnice na úpravu ľudského genómu

O geneticky upravených deťoch a nečakaných nežiaducich dôsledkoch