Fabryka genów

W dzień pełen żywych barw zeszłej jesieni, niespokojna grupa architektów, wykonawców, inżynierów i naukowców zebrała się w piwnicy budynku w Rockville w stanie Maryland. Obiekt miał zostać do końca roku przekształcony w największą fabrykę sekwencjonowania DNA w całym kraju. świecie, ale spotkanie planistyczne potwierdziło, że problemy narastają. Dostawa kluczowego generatora pary opóźniła się. I nie było nawet jasne, czy w ścianach biurowca o powierzchni 113 000 stóp kwadratowych, który był zajmowany przez wykonawcę robót obronnych, ale teraz stał wypatroszony, zmieszczą się wszystkie rury i przewody potrzebne do uruchomienia nowych laboratoriów.

Wykonawcy byli niespokojni, ale jeśli naukowcy obecni na sali nie byli przepełnieni współczuciem, to dlatego, że postawili sobie jeszcze większe zadanie z jeszcze bardziej dramatycznym harmonogramem. Naukowcy pracują dla Celera Genomics Corp., firmy utworzonej w maju zeszłego roku, która planuje zdekodować do 2001 roku wszystkie 3,5 miliarda chemicznych liter DNA, które składają się na ludzką dziedziczność. Celera zamierza nie tylko przekroczyć o cztery lata docelową datę pierwotnie wyznaczoną przez finansowany ze środków publicznych Human Genome Project (rozpoczęty w 1990 roku), ale także zakończyć pracę za jedną dziesiątą z 3 miliardów dolarów kosztu tego rządowego projektu.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 1999 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Gdyby te twierdzenia pochodziły od innej firmy, mogłyby zostać odrzucone jako oburzające. Ale Celera jest dzieckiem Perkin-Elmer, firmy produkującej instrumenty, która monopolizuje rynek automatycznych maszyn do sekwencjonowania DNA, oraz J. Craiga Ventera, najbardziej kontrowersyjnego i produktywnego badacza genomu na świecie. Partnerzy zgodzili się dać TR podgląd istoty ich ambitnego planu i pozwolili reporterowi śledzić proces powstawania obiektu Celery.

Duża część wiedzy naukowej, na której opiera się Celera, pochodzi z The Institute for Genomic Research (TIGR), niezależnego laboratorium Venter założonego w 1992 roku. W TIGR, również w Rockville, personel Ventera zastosował metodę szybkiego ostrzału znaną jako losowe podejście do rozszyfrować genomy prawie tuzina bakterii. Żadne inne laboratorium nie dostarczyło więcej odczytów sekwencji DNA długich ciągów liter chemicznych oznaczonych A, C, G i T, które składają się na cząsteczkę DNA. Z drugiej strony, podejście Ventera nigdy nie zostało wypróbowane na niczym tak dużym jak ludzki genom, który zawiera około 1000 razy więcej DNA niż przeciętny drobnoustrój. Trudno… ogarnąć całą skalę tego, mówi Venter, obecnie prezes Celery. Poradzę sobie przynajmniej z milionami, bo teraz spędzam je cały czas.

Pieniądze stojące za Celera pochodzą od Perkin-Elmer, giganta instrumentów, dla którego projekt jest dramatyczną zmianą w kierunku kontrolowania danych, a nie tylko wytwarzania i sprzedaży sprzętu. Decyzja urzędników z siedziby głównej firmy Perkin-Elmer w Norwalk w stanie Connecticut, aby wprowadzić nowy, potężny sekwencer DNA do pracy dla siebie, oszołomiła branżę biotechnologiczną i dała porównania z przejściem Microsoftu na publikacje online. Partnerzy uprzedzili obawy, że mogą przejąć kontrolę nad genomem, obiecując przekazanie danych za darmo (ale z kilkoma zastrzeżeniami) sektorowi publicznemu. Celera wygląda tak, że między metodą strzelbową Ventera a głębokimi kieszeniami Perkin-Elmera i nowymi maszynami, Celera mogłaby zasłużyć na swoją nazwę: gra ze słowem „celerity” dla szybkości działania.

Wycieczka po fabryce

Dzisiaj, cztery miesiące i wiele późnych nocy po spotkaniu planistycznym z powodu niepokoju, fabryka genów jest ukończona. Jedynym znakiem, że szklany budynek zawiera prawdopodobnie najbardziej płodne laboratorium biologii molekularnej na świecie, to dwa masywne klimatyzatory przycupnięte w trawie. Agregaty chłodnicze, zbyt ciężkie, by postawić na szczycie budynku, schładzają 1600 metrów sześciennych powietrza na minutę i doprowadzają je do serca obiektu, gdzie w uporządkowanych rzędach szumi 257 nowych maszyn sekwencjonujących.

Szare, sięgające do pasa maszyny model 3700 zostały opracowane przez dwa lata niemal w tajemnicy przez spółkę zależną Perkin-Elmer West Coast, Applied Biosystems. Tylko jedna z tych maszyn, mówi Venter, ma większe możliwości sekwencjonowania niż wiele dużych laboratoriów akademickich, z których większość opiera się na wcześniejszym modelu o nazwie 377. W sumie, jak wylicza Venter, Celera może zdekodować prawie tyle samo DNA w ciągu jednego dnia, co wszystkie główne laboratoria finansowane przez Human Genome Project wyprodukowane w zeszłym roku.

To, co jest w tych nowych maszynach, sprawia, że ​​są tak szybkie. Każda zawiera 104 szklane kapilary: puste, cienkie jak włos rurki, które maszyna może automatycznie wypełnić syropowym polimerem, a następnie oczyścić rozcieńczonym roztworem kwasu azotowego. Zadaniem sekwencera jest sortowanie fragmentów DNA według rozmiaru. Ciągnięte przez pole elektryczne małe fragmenty poruszają się w rurkach szybciej niż duże. Kapilary zastępują nieporęczne płytki toksycznego żelu wielkości tac stołowych używane w poprzednich modelach, które co kilka godzin musiał być wymieniany przez wykwalifikowanego technika. Zaopatrzony w chemikalia i ponad 1000 próbek DNA, zautomatyzowany 3700 może działać przez prawie dwa dni bez interwencji człowieka, mówi Mark Adams, młody naukowiec nadzorujący operację sekwencjonowania Celery. Przy pełnej wydajności Celera oczekuje, że każdego dnia odczyta 100 milionów liter sekwencji DNA.

Ponad połowa personelu Celery, wspieranego przez osiem 6-metrowych, 64-bitowych serwerów komputerowych znajdujących się w sąsiednim budynku, będzie poświęcona rozszyfrowaniu lawiny danych przesyłanych strumieniowo z obiektów sekwencjonowania. Analizie kieruje Gene Myers, ekspert w dziedzinie analizy wzorców na wydziale informatyki Uniwersytetu Arizony.

Wyzwanie, przed którym stanie personel Myersa, to coś w rodzaju ponownego złożenia kompletnej Biblii z 10 egzemplarzy, które zostały podarte na małe kawałki. Ponieważ maszyny sekwencjonujące mogą odczytywać tylko krótkie odcinki DNA, genom należy najpierw podzielić na mniejsze kawałki. Naukowcy Celera zaczęli od pobrania DNA z wielu ludzkich komórek i chemicznego rozdrobnienia go na miliony losowych, zachodzących na siebie fragmentów o długości kilku tysięcy liter. Aby zachować bibliotekę tych fragmentów, naukowcy przeszczepili je do kolonii bakterii E. coli. Zgodnie ze strategią shotguna, Celera następnie zsekwencjonuje 500 liter z każdego końca fragmentu, powtarzając proces w całej bibliotece, dając 70 milionów oddzielnych sekwencji.

Zadaniem Myersa jest opracowanie algorytmów, które potrafią złożyć te elementy po przeczytaniu ich kodu. Chociaż brzmi to jak prosta praca — po prostu ułóż nakładające się litery i zacznij wklejać — to wszystko inne. Weź podartą Biblię. Popularne wyrażenia, takie jak Nie będziesz… lub Błogosławieni są… znacznie utrudniłyby ponowne złożenie dobrej księgi, ponieważ niektóre fragmenty zdają się nakładać, podczas gdy w rzeczywistości tak się nie dzieje. Genom jest podobnie wypełniony powtarzającymi się sekwencjami, niektóre krótkie, niektóre długie, niektóre obecne w milionach kopii, inne powtórzone tylko dwukrotnie.

Z tego powodu naukowcy pracujący nad finansowanym ze środków publicznych Human Genome Project pracowicie zmapowali genom przed rozpoczęciem sekwencjonowania. Mniej więcej tak, jak zastanawianie się, gdzie są rozdziały Biblii przed rozdarciem stron, oznacza to, że będą musieli ponownie złożyć wiele małych stosów zamiast jednego dużego. Elbert Branscomb, dyrektor Departamentu Energii Joint Genome Institute, uważa, że ​​70-milionowa łamigłówka Celery może być nie do rozwiązania. Jak wielkim problemem będzie to, nikt nie ma nawet umiarkowanie dobrego przypuszczenia, mówi Branscomb.

Myers twierdzi, że kluczem do rozwiązania jest to, że elementy układanki Celery są podnoszone parami z końców jednego fragmentu, którego całkowitą długość znają. Uważa, że ​​pary te ograniczą problem na tyle, aby znaleźć unikalne rozwiązanie. Zewnętrzni naukowcy twierdzą, że strategia Celery byłaby niemożliwa bez sekwencji opracowanych już w laboratoriach finansowanych ze środków publicznych, ale Myers utrzymuje, że zagadkę i tak można rozwiązać. Informacje zewnętrzne to tylko wybieg, mówi. Gdybyśmy mieli zrobić genom, na temat którego nie mamy danych, powiedzmy trawa bermudzka, moglibyśmy przeprowadzić operację samowystarczalną.

To, czy operacja Celery reprezentuje najwyższej klasy naukę, jest nadal przedmiotem debaty w społeczności genomowej. Bez wątpienia wersja genomu Celery będzie miała wiele, wiele małych luk. Fotokopia, jeśli wolisz, która daje pełny obraz i większość szczegółów, ale może nie odpowiadać standardom wysokiej wierności, jakie przewidziano w Human Genome Project.

Po genomie

Dane będą jednak na tyle dobre, że można je wprowadzić na rynek. Venter powiedział, że rozda surową sekwencję za darmo, pobierając ją do publicznego repozytorium online znanego jako GenBank. Więc co pozostało do sprzedania? Sporo. Zyski Celery mogą w dużej mierze pochodzić z licencjonowania firmom farmaceutycznym bazy danych, która pakuje sekwencję w bardziej dostępną formę. Firmy farmaceutyczne będą przeszukiwać dane w poszukiwaniu genów do zastosowań medycznych, chociaż Venter twierdzi, że Celera najpierw znajdzie i opatentuje dla siebie kilkaset genów. Celera będzie również przechowywać informacje o pojedynczych literach DNA, które różnią się między ludźmi, zwanych polimorfizmami pojedynczego nukleotydu. Różnice te mogą przewidywać podatność danej osoby na choroby lub toksyczne reakcje na leki. A poza ludzkim genomem leżą inni. Monsanto, duży koncern rolniczy, już zasugerował, aby Celera przejęła genom ryżu.

Jak lubi podkreślać Venter, zakończenie sekwencji ludzkiej to po prostu początek nowej ery, w której dane mogą zostać wykorzystane do poprawy zdrowia ludzkiego. Jeśli plany Celery się sprawdzą, ta postgenomiczna epoka nadejdzie wcześniej niż przewidywano. W rzeczywistości Celera przesunęła harmonogram odczytu genomu, zanim zburzono pojedynczą ścianę w celu renowacji fabryki. Reagując na nieoczekiwaną konkurencję, dyrektorzy finansowanego ze środków publicznych Human Genome Project ogłosili, że planują teraz zakończyć cały projekt do 2003 roku, dwa lata wcześniej niż przewidywał pierwotny harmonogram. A do 2001 roku, kiedy Celera obiecała ujawnić swoje dane, naukowcy z sektora publicznego zobowiązali się opracować roboczy projekt, który do nich pasuje. Genom publiczny lub prywatny, celeler jest zdecydowanie na porządku dziennym.

ukryć