Następne żniwa biotechnologiczne

Na pierwszy rzut oka starzejąca się część przemysłowa Cambridge w stanie Massachusetts wydaje się dziwnym miejscem do szukania przyszłości rolnictwa. Jedynymi roślinami są chwasty wzdłuż torów kolejowych oraz zadbane krzewy i drzewa, które rozsiane są przy wejściach do przedsiębiorstw zajmujących się zaawansowanymi technologiami, które odmładzają okolicę. Rolnicze serce Stanów Zjednoczonych jest oddalone o tysiąc mil.

A w Cereon Genomics nie znajdziesz szklarni ani doniczek z roślinami eksperymentalnymi. Wygląda jak każde inne laboratorium genetyki molekularnej. Technicy przygotowują próbki z kodami kreskowymi; w pobliżu rzędy wyrafinowanych instrumentów, które zostały pierwotnie opracowane do sekwencjonowania ludzkich genów, tworzą szybką linię produkcyjną. Różnica polega na tym, że surowce dla tej fabryki genów są często skrawkami roślin, a produktem są informacje o DNA rośliny – ich plany genetyczne.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 1998 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

W swoim narożnym gabinecie Roger Wiegand unosi brwi w kierunku zautomatyzowanego sprzętu za nim. Wiegand jest dyrektorem ds. technologii genomicznej w Cereon – nauki identyfikowania genów i ich funkcji. Wokół może nie ma żadnej zieleni, ale dla wieloletniego biologa molekularnego, mówi Wiegand, prowadzenie laboratorium Cereona jest jak bycie dzieckiem w fabryce cukierków.

Ekscytacja opiera się na przekonaniu, że informacje o genach zbierane w Cereonie – oraz w innych laboratoriach genomiki roślin powstających na całym świecie – pomogą zaszczepić biotechnologiczną transformację rolnictwa. Monsanto, rolniczy i farmaceutyczny gigant z St. Louis, pod koniec zeszłego roku zobowiązał się wydać ponad 200 milionów dolarów na stworzenie Cereon, spółki zależnej w całości należącej do niej, utworzonej w sojuszu z łowcą genów Millennium Pharmaceuticals. Transakcja jest jednym z najśmielszych kroków w przekształceniu Monsanto w firmę zajmującą się naukami przyrodniczymi. (W czerwcu Monsanto ogłosiło plany fuzji z American Home Products). Odzwierciedla to głębokie przekonanie byłej firmy chemicznej, że może wykorzystać rosnącą wiedzę na temat genów w wielkim biznesie, a tym samym zmienić sposób myślenia rolników i konsumentów. rośliny.

Inne firmy podzielają tę wizję. Kilku innych gigantów chemicznych i farmaceutycznych, w szczególności DuPont i Novartis (szwajcarska firma powstała w wyniku fuzji Ciba i Sandoz w 1996 r.), wpędziło miliardy w sen. Jeśli te firmy mają rację, w ciągu pięciu lat rolnicy będą uprawiać bawełnę, która jest naturalnie barwiona, aby ograniczyć potrzebę barwienia, a także rośliny zawierające plastik. Hodowcy będą uzbrojeni w bardziej wydajne, odporne na insekty rośliny. Konsumenci będą kupować z półek supermarketów zdrowszą i bardziej pożywną żywność pochodzącą z genetycznie modyfikowanych roślin. W przyszłości dzieci będą otrzymywać szczepionki poprzez banany lub inne pokarmy, unikając strachu przed igłami (patrz Robienie igieł bez igieł ,).

Fabryki na polach

pierwsze rośliny transgeniczne zostały zasadzone na dużą skalę w Stanach Zjednoczonych dwa lata temu i szybko zakorzeniły się w gospodarce. W tym roku genetycznie zmienione rośliny będą stanowić około 15 procent zbiorów kukurydzy w USA, około 30 procent zbiorów soi i ponad połowę produkcji bawełny. To pierwsze pokolenie zostało spłodzone przez stosunkowo prostą sztuczkę polegającą na wstawieniu genu z bakterii do rośliny w celu wytworzenia pojedynczej cechy; Wynikiem takich prac jest kukurydza i bawełna odporne na określone szkodniki, a także uprawy tolerujące kilka rodzajów herbicydów.

Chociaż to skromne genetyczne majsterkowanie może wydawać się czymś w rodzaju biotechnologicznej rewolucji, bioinżynieryjne uprawy podbiły rolników. Ludzie są zaskoczeni, jak ważna była pierwsza para genów, mówi Anthony Cavalieri, wiceprezes Pioneer Hi-Bred International z siedzibą w Des Moines, wiodącego sprzedawcy nasion i partnera biznesowego w firmie DuPont. A to tylko przednia krawędź. Może mieć fundamentalne znaczenie dla funkcjonowania całego sektora rolnego.

Rzeczywiście, oczekuje się, że prawdziwy zysk nastąpi w ciągu najbliższych kilku lat, ponieważ biolodzy roślin zaczną nie tylko wprowadzać do roślin więcej genów, ale także przerysowywać plany genetyczne – i przekierowywać szlaki metaboliczne – wielu popularnych upraw. Wizja polega na przekształceniu fabryk w tanie jednostki produkcyjne, które mogą uprawiać wszystko, od modyfikowanej żywności, przez szczepionki dla ludzi, po chemikalia. Nagroda za zaprojektowanie tych cech wyjściowych w roślinach? Według Johna Pierce'a, szefa działu badań nad odkryciami w rolnictwie DuPont, może to oznaczać zdobycie części rynków przemysłowych i spożywczych o wartości 500 miliardów dolarów rocznie.

Nawet dla wielkich korporacji to nie są małe ziemniaki. Monsanto, na przykład, pracuje nad ziemniakami o wysokiej zawartości suchej masy, a także rzepakiem i soją ze zmodyfikowaną zawartością oleju. Na przykład jeden szczep rzepaku jest bogaty w beta-karoten, który zwalcza niedobór witaminy A, który nadal stanowi problem w wielu krajach rozwijających się.

W ciągu najbliższych kilku lat firma DuPont planuje rozpocząć sprzedaż nasion soi modyfikowanej olejem oraz soi o wysokiej zawartości sacharozy. Współpracując ze swoim partnerem Pioneer, DuPont ma pół tuzina upraw biotechnologicznych zbliżających się do komercjalizacji i spodziewa się wprowadzenia roślin o kilku połączonych ze sobą cechach. Firma pracuje również nad roślinami wysokobiałkowymi i oleistymi na pasze dla zwierząt (około 80 procent amerykańskiej kukurydzy jest karmione zwierzętami).

Żywność dla ludzi i zwierząt gospodarskich to wielki biznes. Ale jeszcze bardziej lukratywna nagroda może w końcu pochodzić z uprawy roślin biotechnologicznych, które wytwarzają wysoko cenione materiały i produkty przemysłowe bezpośrednio w roślinie. Po co wytwarzać syntetyczne barwniki do bawełny przy użyciu wysoce toksycznych chemikaliów, myśli się, kiedy same rośliny mogą być genetycznie modyfikowane, aby wytwarzały kolorowe włókna? Dlaczego nie zamienić roślin w fabryki chemiczne?

Biolodzy roślinni z Monsanto i start-upu Metabolix z Cambridge w stanie Massachusetts osobno pracują nad tworzywem sztucznym wyhodowanym w roślinach, które może być gotowe dla rolników już w 2002 roku. Prodigene, dwuletnia stacja College Station w Teksasie, spin-off z Pioneer, już sprzedaje enzymy przemysłowe hodowane w transgenicznej kukurydzy i opracowuje inne produkty przemysłowe oparte na białkach. Inne laboratoria próbują stworzyć rośliny produkujące specjalistyczne oleje, które mogłyby służyć jako nowe składniki przemysłowe do powłok i smarów. Na desce kreślarskiej znajdują się również jadalne szczepionki roślinne na takie choroby, jak zapalenie wątroby i biegunka.

Majstrując przy kontroli i aktywności genów, można zrobić z roślin prawie wszystko, mówi David Wheat, wieloletni konsultant biotechnologii roślin i prezes Bowditch Group z Bostonu. Rozumiejąc, jak organizm działa na poziomie molekularnym, możesz projektować nowe rodzaje produktów – może nawet wytwarzać produkty, których nigdy wcześniej nie widziałeś.

Prosta arytmetyka

Perspektywy biotechnologii rolniczej są na tyle kuszące, że pomagają prowadzić masową restrukturyzację przemysłu rolniczego i chemicznego, która w niektórych przypadkach zaciera granice między nimi (patrz Zasiewanie nowego przemysłu, ramka boczna). W szczególności Monsanto i DuPont zagłębiły się w nowe możliwości, pożerając dostawców nasion i start-upy zajmujące się biotechnologią roślin. Kierując się w dużej mierze potencjałem biotechnologii, Monsanto w zeszłym roku bezceremonialnie porzuciło swój biznes chemiczny, przyjmując biologię jako falę przyszłości. Z kolei wiosną tego roku DuPont zreorganizował się, tworząc grupę zajmującą się naukami przyrodniczymi (obejmującą działalność rolniczą, farmaceutyczną i biotechnologiczną) i deklarując, że jej przyszły rozwój leży w integracji chemii i biotechnologii.

Nawet stały Dow Chemical, wielki producent chemikaliów, wyraził chęć bycia wiodącym graczem biotechnologicznym, ukierunkowanym na rozwój tworzyw sztucznych i chemikaliów przemysłowych. To technologia, której czas nadszedł – mówi Fernand Kaufmann, wiceprezes Dow ds. nowych biznesów i rozwoju strategicznego. Kaufmann ostrzega jednak, że potrzeba czasu, aby chemikalia uprawiane przez rośliny wpłynęły na ogromne rynki towarowe, które są zdominowane przez produkty wytworzone z ropy naftowej.

Bazy danych DNA

przez kilka następnych lat produkcja plastiku na dużą skalę pozostanie w fabryce, a nie w terenie. Irlandia przyznaje, że nawet w najbardziej zaawansowanych projektach badawczych DuPont dotyczących materiałów roślinnych naukowcy wciąż odkrywają szlaki enzymatyczne, jednocześnie opracowując całą chemię polimerów. Nikt tak naprawdę nie rozumie, jak kontrolować i regulować ekspresję genów roślin.

Ale jeśli genomika roślin będzie nadal przyspieszać w obecnym tempie, osiągnięcie tego celu może być znacznie łatwiejsze. Większość popularnych roślin uprawnych ma dużą ilość DNA i około 50 000 genów – mniej więcej o połowę mniej niż u ludzi. Jednak za pomocą szybkich, zautomatyzowanych maszyn udoskonalonych do odkrywania ludzkiego genomu genetycy roślin identyfikują geny szybciej niż botanicy wiedzą, jak je hodować.

Scott Tingey, dyrektor programu genomiki DuPont, mówi, że technologia wywarła ogromny wpływ na tę dziedzinę. Kilka lat temu sklonowanie genu rośliny zajęło dwa osobolaty, mówi Tingey. Mniej więcej w połowie przypadków odnosiłeś sukcesy, w drugiej połowie upadałeś na twarz. Dziś życie jest zupełnie inne. W ciągu ostatnich dwóch lat firma DuPont stworzyła bazę danych sekwencji DNA kukurydzy, soi, pszenicy i ryżu. Eliminuje żmudny proces odkrywania genów. To już nie jest krok ograniczający szybkość w projekcie, wyjaśnia Tingey.

Biolodzy przewidują zakończenie sekwencjonowania Arabidopsis (chwastu, który jest podstawowym genetycznym modelem genetyki roślin) do 2000 r., w wyniku międzynarodowej współpracy, która rozpoczęła się w 1989 r. Może to być kluczowe, ponieważ wszystkie rośliny kwitnące mają zasadniczo ten sam zestaw genów . W ciągu najbliższych pięciu lat poznamy funkcję wszystkich genów roślinnych na pewnym poziomie, przewiduje Somerville Stanforda. To poważna zmiana. Będziemy w dużo lepszej sytuacji, aby dokonać racjonalnych ulepszeń w roślinach.

Po powrocie do nowo utworzonego Cereonu jednym z celów jest przekształcenie sekwencjonowania interesującego materiału genetycznego w rutynową, wysokowydajną linię produkcyjną. W szczególności firma chce przyspieszyć proces wyszukiwania sekwencji DNA odpowiedzialnej za określony fenotyp, czyli cechę fizyczną. Tworzymy systemy, które pozwolą genetykom molekularnym przejść od interesującego fenotypu do posiadania sklonowanego genu i poznania sekwencji tej cechy w bardzo krótkim czasie, mówi prezydent Cereon William Timberlake. Dotarcie do niektórych z tych genów zajmuje teraz lata, wyjaśnia Timberlake. Chcielibyśmy to skrócić do tygodni lub miesięcy.

Ale zebranie wszystkich tych informacji o genach to dopiero pierwszy krok. Oliver Peoples, współzałożyciel Metabolix, wyjaśnia: Co robisz ze wszystkimi informacjami o genach z genomiki? Zaczynasz opracowywać ścieżki, aby zoptymalizować przepływ węgla. To ostateczne zastosowanie genomiki — to najlepsza układanka. Innymi słowy, marzeniem jest kontrolowanie całego metabolizmu rośliny.

Firmy, które zamierzają przekształcić rośliny uprawne w fabryki, pracują nad pewnymi wstępnymi krokami. DuPont zamierza udoskonalić swoje umiejętności biologiczne, wytwarzając plastikowy półprodukt z cukru przy użyciu genetycznie zmodyfikowanych drobnoustrojów w procesie fermentacji. Półprodukt jest kluczowym składnikiem nowego polimeru, który mógłby konkurować z nylonem, a firma planuje uruchomić i uruchomić zakład produkcyjny na małą skalę do końca 2000 roku. Będzie to pierwsza próba firmy DuPont w zakresie biologicznego procesu produkcyjnego, mówi Dorsch, pokieruje ona planami firmy dotyczącymi wykorzystania biologii do wytwarzania materiałów.

Na jednej ze ścian biura Dorscha znajduje się diagram mapujący szlaki metaboliczne bakterii. Przypomina to schemat technologiczny inżynierii chemicznej — taki, jaki można zobaczyć wszędzie w DuPont — tylko że jest znacznie bardziej złożony. Ideą, jak mówi Dorsch, jest wykorzystanie naturalnych przepływów węgla w organizmie i zaprojektowanie subtelnych zmian, które pozwolą na odprowadzenie pożądanego produktu. Organizmy są już dostrojone do bardzo dobrego działania. Jeśli spróbujesz przenieść znaczną część węgla inną ścieżką, będziesz musiał całkowicie przeprojektować bestię. Nie sądzę, abyśmy byli na tyle zuchwali, by wierzyć, że to coś, co wydarzy się w najbliższym czasie. Dodaje szybko: Ale możemy tam dotrzeć.

Laboratoria badawcze DuPont na obrzeżach Wilmington w stanie Del. są świętą ziemią dla naukowców i chemików zajmujących się polimerami. Stanowią punkt zerowy dla nowoczesnej amerykańskiej chemii przemysłowej, miejsca, w którym wynaleziono nylon. Od dawna panuje tu chemia oparta na ropie naftowej. Teraz, mówi Irlandia, biologia ożywia badania. Chemicy polimerów są tym podekscytowani, ponieważ widzą możliwości tkwiące w nauce. Biolodzy są podekscytowani, ponieważ widzą możliwość wykorzystania swoich talentów do zarobienia dużych pieniędzy dla firmy.

Wysokie kolumny destylacyjne są nadal bardziej powszechne niż pola kukurydzy w Wilmington. Ale jeśli DuPont i jego rywale odniosą sukces, przepaść między rynkami rolnymi a przemysłem chemicznym może wkrótce się zamknąć. Rzeczywiście, przepaść między chemią przemysłową a biologią już się pojawiła.

ukryć