Hospodin Bůh postavil člověka do zahrady v Edenu, aby ji obdělával a střežil“ (Gn 2,15). Tato krátká věta vystihuje úkol, který je dnes aktuálnější než kdy dříve. Člověk nemá být bezohledným vládcem přírody, ale jejím správcem. Má využívat dary stvoření k zajištění obživy a současně pečovat o krajinu a přírodní zdroje, aby zůstaly zachovány pro další generace.

Jedním z nejvýraznějších projevů této odpovědnosti je zemědělství. Od jeho počátků v mladší době kamenné se člověk učil přírodě lépe porozumět, vybírat vhodné rostliny a zvířata a později je šlechtil, aby lépe vyhovovaly jeho potřebám. Tak vznikly zemědělské plodiny a hospodářská zvířata, bez nichž si dnešní civilizaci jen stěží dokážeme představit. Tento úspěch vychází z jedinečné schopnosti člověka poznávat zákonitosti živého i neživého světa a využívat získané poznání k vlastnímu prospěchu.

Významným mezníkem na této cestě bylo objevení zákonů dědičnosti Gregorem Johannem Mendelem, opatem augustiniánského kláštera na Starém Brně. Jeho pokusy s hrachem v polovině 19. století ukázaly, že vlastnosti organismů jsou určeny faktory – později nazvanými geny –, které se na potomstvo nepřenášejí náhodně, ale řídí se určitými pravidly. Gregor Mendel tak položil základy genetiky – vědy, která dnes zasahuje do mnoha oblastí našeho života, od lékařství až po zemědělství.

V současnosti vědci studují dědičnou informaci rostlin na molekulární úrovni a spolu se šlechtiteli hledají způsoby, jak získat plodiny lépe přizpůsobené novým podmínkám. Tato potřeba je stále naléhavější v souvislosti s klimatickou změnou. Rostliny jsou závislé na podmínkách prostředí – na dostupnosti vody, teplotě, délce vegetační doby i výskytu chorob a škůdců. Častější období sucha, extrémní teploty a proměnlivost počasí ohrožují stabilitu i kvalitu zemědělské produkce.

Klimatická změna není první velkou výzvou, jíž zemědělství čelí. V průběhu historie muselo lidstvo opakovaně hledat způsoby, jak zajistit dostatek potravy pro rostoucí populaci. Průkopníky v tom byly po staletí kláštery, které od přelomu 1. a 2. tisíciletí fungovaly jako centra inovací. Jedním z klíčových opatření byly změny ve způsobu hospodaření – od jednoduchých systémů střídání plodin přes trojpolní hospodaření až po moderní zemědělské postupy, které umožnily lépe využívat půdu a zachovat její úrodnost.

Další zásadní změnu přinesl rozvoj chemie a průmyslová výroba minerálních hnojiv, zejména dusíkatých, fosforečných a draselných. Ta umožnila výrazně zvýšit výnosy plodin a spolu s mechanizací zemědělství vytvořila předpoklady pro moderní produkci potravin. Ve 20. století se k těmto nástrojům přidalo vědecké šlechtění založené na poznatcích genetiky, jehož základy položil právě Gregor Mendel.

Obavy z hladomorů

Obavy, že růst lidské populace překročí schopnost Země produkovat dostatek potravin, provázely lidstvo po staletí. Anglický ekonom Thomas Robert Malthus ve své práci z roku 1798 upozorňoval na možnost, že počet obyvatel poroste rychleji než produkce potravin. Podobné obavy zazněly znovu ve druhé polovině 20. století, například v knize Paula Ehrlicha the Population Bomb z roku 1968. Tyto katastrofické scénáře se však nenaplnily mimo jiné díky vědeckému pokroku a inovacím v zemědělství.

Výrazným úspěchem byla tzv. zelená revoluce v 50. a 60. letech, která díky kombinaci nových odrůd, intenzivnějšího hospodaření, zavlažování a lepšího využití hnojiv umožnila výrazně zvýšit produkci obilnin a zabránit rozsáhlým hladomorům, které mnozí předpovídali. Zkušenost zelené revoluce potvrdila, že znalosti a inovace mohou zásadně ovlivnit schopnost lidstva reagovat na globální výzvy a umožnit uživit světovou populaci, která dnes přesahuje osm miliard lidí.

Dnes je třeba další inovace

Klimatická změna však vyžaduje další zásadní inovaci. Přestože moderní agrotechnika, efektivnější využívání hnojiv a způsoby hospodaření stále nabízejí možnosti zlepšení, pozornost se stále více upírá ke změně vlastností současných plodin, aby byly lépe přizpůsobeny novým podmínkám prostředí. Plodiny nové generace budou lépe snášet extrémy počasí, efektivněji získávat a využívat vodu i živiny z půdy a budou odolnější vůči novým chorobám a škůdcům, kteří se vlivem změny klimatu šíří do nových oblastí.

Díky pokroku v metodách čtení dědičné informace, která je zapsána v molekule DNA, postupně odhalujeme oblasti genomu odpovědné za konkrétní vlastnosti rostlin. A i když nás čeká ještě dlouhá cesta – některé vlastnosti jsou totiž řízeny mnoha oblastmi DNA – ocitáme se v situaci, kdy umíme tento „text“ přečíst a často víme, jak bychom jej chtěli změnit, ale donedávna jsme k tomu neměli vhodný nástroj. Jedno „písmeno“ genetického kódu, kterých například pšenice obsahuje kolem 15 miliard, totiž měří pouhých 0,34 nanometru.

Učíme se od bakterií

Málokdo očekával, že nástroj pro „nanochirurgii“ genomu bude nalezen u bakterií. V 80. letech si japonští vědci všimli zvláštních opakujících se úseků v DNA bakterií, jejichž význam tehdy nikdo neznal. Později se ukázalo, že mezi nimi jsou uloženy krátké úseky DNA virů, které bakterie v minulosti napadly. Bakterie si tak vytvářejí genetickou „paměť“ na své nepřátele. Když je stejný virus napadne znovu, dokážou jeho DNA rozpoznat a pomocí speciálních bílkovin označovaných Cas ji přestřihnout a virus zneškodnit.

V roce 2012 vědci ukázali, že tento přirozený obranný mechanismus lze upravit, aby umožnil cílené změny DNA prakticky jakéhokoli organismu. Krátká naváděcí molekula přivede bílkovinu Cas na přesně určené místo v genomu, kde Cas DNA přestřihne. Tento objev otevřel novou kapitolu molekulární biologie i šlechtění rostlin. Člověk nevytvořil zcela nový nástroj, ale naučil se využívat pozoruhodný mechanismus, který příroda používá již miliardy let. Za tento objev získaly Jennifer Doudna a Emmanuelle Charpentier v roce 2020 Nobelovu cenu za chemii.

Úprava kódu namísto vkládání cizích genů

Jak může pouhé přestřižení DNA vést k žádoucí změně dědičné informace? Ono totiž není cílem, ale začátkem procesu, kterým buňka poškozené místo opravuje. Vědci tohoto mechanismu využívají několika způsoby. Pokud se oba konce DNA při opravě spojí nepřesně, vzniknou drobné změny, které příslušný gen vyřadí z činnosti. Není-li cílem gen vypnout, ale změnit jeho funkci, lze při opravě cíleně pozměnit pořadí „písmen“ genetického kódu, případně doplnit nový úsek DNA. Genové editace tak umožňují měnit dědičnou informaci s přesností, která byla ještě před několika lety pro biology i šlechtitele nepředstavitelná.

DNA lze přirovnat k textu dědičné informace zapsanému pomocí čtyř „písmen“ genetického kódu. Pro cílené změny tohoto „textu“ proto používáme termín genová editace – podobně jako při editování textu v počítači, kde můžeme písmena nebo slova vymazat, opravit či doplnit. Genová editace již dnes umožňuje připravovat nové šlechtitelské materiály a v některých případech odrůdy s vlastnostmi důležitými pro udržitelné zemědělství.

Odolnost vůči suchu nebo zasolení

Pomocí této technologie byly například získány pšenice se zvýšenou odolností vůči předčasnému klíčení zrn v klasech, kukuřice lépe snášející nedostatek vody nebo rýže s vyšší tolerancí k zasolení půdy. Další příklady ukazují možnosti využití při ochraně rostlin – například pšenici odolnější vůči padlí travnímu, rýži odolnější vůči bakteriální skvrnitosti listů nebo rajče s vyšší odolností vůči virovým infekcím.

Genová editace nenahrazuje tradiční šlechtění, ale představuje nový nástroj v rukou šlechtitelů. Každá dnešní plodina je výsledkem dlouhé evoluce a tisícileté práce člověka, při níž vznikla rozsáhlá genetická rozmanitost. Moderní metody umožňují tuto rozmanitost lépe poznat a efektivně využít. Zatímco dříve šlechtitelé hledali užitečné vlastnosti především mezi náhodně vzniklými změnami v dědičné informaci, dnes můžeme – pokud známe funkci určitého genu – cíleně upravit konkrétní místo v genomu, a urychlit tak získávání nových vlastností.

Současné poznatky ukazují, že samotný princip cílené změny DNA nepředstavuje riziko jen proto, že byl využit moderní nástroj. Genová editace často vytváří změny, které se svým charakterem neliší od těch, jež mohou vzniknout přirozeně v průběhu evoluce nebo při tradičním šlechtění. Bezpečnost každé nové odrůdy proto závisí především na výsledné vlastnosti rostliny, nikoli na metodě, kterou byla získána. Stejně jako u všech nových technologií je však nezbytné jejich odpovědné využívání a transparentní přístup k veřejnosti.

Rozvoj genových editací nejen přináší nové možnosti pro zemědělství, ale otevírá také vážné otázky společenské a eticko-právní. Evropská unie proto letos 17. června přijala nařízení o takzvaných nových genomických technikách (NGT). Jeho klíčovým principem je, že při posuzování nových odrůd plodin se nehodnotí samotný laboratorní postup, jakým bylo změny genomu dosaženo, ale především charakter změny dědičné informace a její bezpečnost.

Navázat na Mendela

Nová pravidla rozlišují dvě kategorie rostlin vzniklých genovou editací. Rostliny zařazené do skupiny NGT-1 obsahují pouze takové změny, které by mohly vzniknout přirozeně nebo tradičním šlechtěním. Tyto plodiny nebudou podléhat přísnému režimu geneticky modifikovaných organismů (GMO) a bude se na ně pohlížet jako na klasické odrůdy. Do druhé skupiny NGT-2 pak patří rostliny se změnou dědičné informace, která se v přírodě nevyskytuje a klasickými postupy šlechtění jí nelze dosáhnout. Tyto plodiny budou nadále podléhat přísným pravidlům regulace GMO. Nová legislativa se tak snaží najít rovnováhu mezi podporou inovací, zajištěním bezpečnosti a odpovědným využíváním možností moderní biologie.

Genová editace nepředstavuje zlom v tisícileté tradici šlechtění, ale její nejnovější kapitolu. Stejně jako Mendel ve svém klášteře na Starém Brně před více než 150 lety odhaloval zákonitosti dědičnosti, dnešní vědci pokračují v poznávání tajemství života a hledají způsoby, jak toto poznání využít pro dobro člověka i celé planety. Budou-li nové technologie používány odpovědně, mohou se stát jedním z prostředků, jak naplnit biblickou výzvu „obdělávat a střežit“ – tedy pečovat o dar stvoření a zachovat jej pro budoucí generace.

Článek vznikl podle přednášky z letošních 35. Akademických týdnů v Novém Městě nad Metují. Autor je profesorem molekulární biologie a genetiky v Ústavu experimentální botaniky Akademie věd, působí také na Univerzitě Palackého v Olomouci.