Nākamā biotehnoloģiju raža

No pirmā acu uzmetiena Kembridžas (Masa) novecojoša industriālā daļa šķiet dīvaina vieta, kur meklēt lauksaimniecības nākotni. Vienīgie augi ir nezāles gar dzelzceļa sliedēm un labi kopti krūmi un koki, kas šķērso ieejas augsto tehnoloģiju uzņēmumos, kas atjauno apkārtni. Amerikas Savienoto Valstu lauksaimniecības centrs atrodas tūkstoš jūdžu attālumā.

Un Cereon Genomics neatradīsiet siltumnīcas vai eksperimentālo augu podus. Tas izskatās kā jebkura cita molekulārās ģenētikas laboratorija. Tehniķi sagatavo svītrkodu paraugus; tuvumā virknes sarežģītu instrumentu, kas sākotnēji tika izstrādāti cilvēka gēnu sekvencēšanai, veido ātrgaitas ražošanas līniju. Atšķirība ir tāda, ka šīs gēnu rūpnīcas izejmateriāli bieži ir augu fragmenti, un produkts ir informācija par auga DNS - to ģenētiskajiem zīmējumiem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 1998. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

No sava stūra biroja Rodžers Vīgands paceļ uzacis pret automatizēto aprīkojumu viņa aizmugurē. Vīgands ir Cereon genomikas tehnoloģiju direktors — zinātne par gēnu un to funkciju identificēšanu. Apkārt var nebūt nekādu zaļumu, taču Vīganda saka, ka ilggadējam molekulārbiologam Cereona laboratorijas vadīšana ir kā bērnam konfekšu fabrikā.

Aizraušanās pamatā ir pārliecība, ka gēnu informācija, kas tiek ievākta Cereonā un citās augu genomikas laboratorijās, kas dīgst visā pasaulē, palīdzēs uzsākt biotehnoloģiju transformāciju lauksaimniecībā. Monsanto, Sentluisā bāzētais lauksaimniecības un farmācijas gigants, pagājušā gada beigās apņēmās tērēt vairāk nekā 200 miljonus ASV dolāru, lai izveidotu Cereon, pilnībā piederošu meitasuzņēmumu, ko tas izveidoja aliansē ar gēnu mednieku Millennium Pharmaceuticals. Darījums ir viens no drosmīgākajiem soļiem Monsanto pārveidē par dzīvības zinātņu uzņēmumu. (Jūnijā Monsanto paziņoja par plāniem apvienoties ar American Home Products.) Un tas atspoguļo bijušā ķīmijas uzņēmuma dziļo pārliecību, ka tas var izmantot pieaugošās zināšanas par gēniem lielos uzņēmumos, tādējādi mainot lauksaimnieku un patērētāju domāšanu par augi.

Citi uzņēmumi piekrīt šim redzējumam. Vairāki citi ķīmisko vielu un narkotiku giganti, īpaši DuPont un Novartis (Šveices uzņēmums, kas radās pēc Ciba un Sandoz apvienošanās 1996. gadā), ir sapinuši miljardus. Ja šiem uzņēmumiem būs taisnība, piecu gadu laikā lauksaimnieki stādīs kokvilnu, kas ir dabiski krāsota, lai samazinātu vajadzību krāsot, kā arī kultūras, kurās ir plastmasa. Audzētāji tiks bruņoti ar augstākas ražības, pret kļūdām izturīgām kultūrām. Patērētāji no lielveikalu plauktiem paņems veselīgāku un barojošāku pārtiku, kas nāk no ģenētiski modificētiem augiem. Turpmāk bērni saņems vakcīnas, izmantojot banānus vai citus pārtikas produktus, izvairoties no adatu šausmas (skatiet Adatu padarīšana bez vajadzības ,).

Rūpnīcas laukos

pirmās transgēnās kultūras tika masveidā stādītas ASV pirms diviem gadiem un ātri iesakņojušās ekonomikā. Šogad ģenētiski pārveidotie augi veidos aptuveni 15 procentus no ASV kukurūzas ražas, aptuveni 30 procentus no sojas ražas un vairāk nekā pusi no kokvilnas produkcijas. Šī pirmā paaudze tika radīta, izmantojot salīdzinoši vienkāršu triku, ievietojot augā baktērijas gēnu, lai iegūtu vienu iezīmi; šāda darba rezultātos ir pret konkrētiem kaitēkļiem izturīga kukurūza un kokvilna, kā arī kultūras, kas pacieš vairāku veidu herbicīdus.

Lai gan šī pieticīgā ģenētiskā viltošana var šķist kaut kas mazāks par biotehnoloģiju revolūciju, bioinženierijas kultūras ir sagrābušas lauksaimniekus. Cilvēki ir pārsteigti par to, cik svarīgi ir bijuši pirmie pāris gēni, saka Entonijs Kavaljē, Demoinas Pioneer Hi-Bred International viceprezidents, vadošais sēklu pārdevējs un DuPont biznesa partneris. Un šī ir tikai priekšējā mala. Tas varētu būt būtisks tam, kā darbojas visa lauksaimniecības nozare.

Patiešām, sagaidāms, ka īstā atdeve nāks dažu nākamo gadu laikā, jo augu biologi sāks ne tikai ievietot augos vairāk gēnu, bet arī pārzīmēt daudzu parasto kultūru ģenētiskos projektus un novirzīt vielmaiņas ceļus. Vīzija ir pārveidot rūpnīcas par lētām ražošanas vienībām, kurās var audzēt visu, sākot no modificētas pārtikas līdz cilvēku vakcīnām un beidzot ar ķimikālijām. Atlīdzība par šo izejas īpašību izstrādi augos? Pēc Džona Pīrsa, DuPont atklājumu izpētes vadītāja lauksaimniecībā, teiktā, tas varētu nozīmēt rūpnieciskā un pārtikas tirgus daļas iegūšanu 500 miljardu USD vērtībā gadā.

Pat milzu korporācijām tie nav mazi kartupeļi. Monsanto, piemēram, strādā pie kartupeļiem ar augstu cietvielu saturu, kā arī rapšu un sojas pupiņām ar modificētu eļļas saturu. Piemēram, viens rapšu celms ir bagāts ar beta karotīnu, lai cīnītos pret A vitamīna deficītu, kas joprojām ir problēma daudzās jaunattīstības valstīs.

Dažu nākamo gadu laikā uzņēmums DuPont plāno sākt tirgot sēklas, kas paredzētas modificētās eļļas sojas pupiņām, kā arī sojas pupiņām ar augstu saharozes saturu. Sadarbojoties ar savu partneri Pioneer, DuPont ir pusducis biotehnoloģiju kultūru, kas tuvojas komercializācijai, un plāno ieviest augus ar vairākām pazīmēm, kas sakrautas kopā. Uzņēmums strādā arī pie augsta proteīna un eļļas kultūraugiem dzīvnieku barībai (apmēram 80 procenti ASV kukurūzas tiek izbaroti dzīvniekiem).

Pārtika cilvēkiem un lauksaimniecības dzīvniekiem ir liels bizness. Taču vēl ienesīgāku atlīdzību galu galā varētu iegūt, audzējot biotehnoloģiju kultūraugus, kas ražo augsti vērtīgus materiālus un rūpnieciskos produktus tieši rūpnīcā. Kāpēc ražot sintētiskas kokvilnas krāsvielas, izmantojot ļoti toksiskas ķimikālijas, domājot, ja pašus augus varētu ģenētiski modificēt, lai iegūtu krāsainu šķiedru? Kāpēc gan augus nepārvērst par ķīmiskajām rūpnīcām?

Augu biologi Monsanto un Kembridžā, Masačnijā, jaunizveidotā uzņēmumā Metabolix atsevišķi strādā pie plastmasas, kas audzēta augos, kas varētu būt gatavi lauksaimniekiem jau 2002. gadā. Prodigene, divus gadus veca koledžas stacija, Teksasa, Atdalīts no Pioneer, jau pārdod rūpnieciskos fermentus, kas audzēti transgēnajā kukurūzā, un izstrādā citus uz proteīnu balstītus rūpnieciskos produktus. Citas laboratorijas mēģina izveidot rūpnīcas, kas ražo īpašas eļļas, kas varētu kalpot kā jaunas rūpnieciskās sastāvdaļas pārklājumiem un smērvielām. Uz rasējamā dēļa ir arī augu izcelsmes ēdamās vakcīnas pret tādām slimībām kā hepatīts un caureja.

Rūpējoties ar gēnu kontroli un aktivitāti, jūs varat izveidot gandrīz visu, kas atrodas augos, saka Deivids Kvīts, ilggadējs augu biotehnoloģiju konsultants un Bostonā bāzētās Bowditch Group prezidents. Izprotot, kā organisms darbojas molekulārā līmenī, jūs varat izstrādāt jauna veida produktus, iespējams, pat izgatavot produktus, ko jūs nekad iepriekš neesat redzējis.

Vienkāršā aritmētika

Lauksaimniecības biotehnoloģiju izredzes ir pietiekami vilinošas, lai tās palīdzētu virzīt masveida lauksaimniecības un ķīmiskās rūpniecības pārstrukturēšanu, kas dažos gadījumos izjauc līnijas starp abām nozarēm (skatiet Jaunas nozares iesēšana, sānjosla). Jo īpaši Monsanto un DuPont ir dziļi iedziļinājušies jaunajās iespējās, apēstot sēklu piegādātājus un augu biotehnoloģiju jaunuzņēmumus. Lielā mērā biotehnoloģiju potenciāla vadīts, Monsanto pagājušajā gadā bez ceremonijām pārtrauca savu ķīmisko vielu biznesu, iekļaujot bioloģiju kā nākotnes vilni. Savukārt šopavasar DuPont veica reorganizāciju, izveidojot dzīvības zinātņu grupu (kas ietver tās lauksaimniecības, zāļu un biotehnoloģiju darbības) un paziņojot, ka tās turpmākā izaugsme slēpjas ķīmijas un biotehnoloģijas integrācijā.

Pat stabilais Dow Chemical, milzīgais ķīmisko vielu ražotājs, ir apliecinājis savu vēlmi kļūt par vadošo biotehnoloģiju dalībnieku, kura mērķis ir plastmasas un rūpniecisko ķīmisko vielu izstrāde. Tā ir tehnoloģija, kurai ir pienācis laiks, saka Fernands Kaufmans, Dow jauno uzņēmumu un stratēģiskās attīstības viceprezidents. Kaufmans gan brīdina, ka paies laiks, līdz augos audzētās ķimikālijas iedragās milzīgajos preču tirgos, kuros dominē no naftas ražoti produkti.

DNS datu bāzes

tuvākos gadus plastmasas lielapjoma ražošana paliks rūpnīcā, nevis laukā. Pat DuPont visprogresīvākajos augu izcelsmes materiālu pētniecības projektos, Īrija atzīst, zinātnieki joprojām atklāj fermentatīvos ceļus, vienlaikus attīstot visu polimēru ķīmiju. Neviens īsti nesaprot, kā kontrolēt un regulēt augu gēnu ekspresiju.

Bet, ja augu genomika turpina paātrināties pašreizējā ātrumā, var kļūt daudz vieglāk sasniegt šo mērķi. Lielākajai daļai parasto kultūru ir liels DNS daudzums un aptuveni 50 000 gēnu, kas ir aptuveni puse no cilvēku skaita. Taču, izmantojot ātras, automatizētas mašīnas, kas izstrādātas cilvēka genoma atšķetināšanai, augu ģenētiķi gēnus identificē ātrāk, nekā botāniķi prot tos kultivēt.

Skots Tingijs, DuPont genomikas programmas direktors, saka, ka tehnoloģijai ir bijusi liela ietekme uz šo jomu. Pirms dažiem gadiem augu gēna klonēšanai bija nepieciešami divi cilvēkgadi, saka Tingijs. Apmēram pusi no laika, kad jums veicās, otrā pusē jūs nokritāt uz sejas. Mūsdienās dzīve ir ļoti atšķirīga. Pēdējo divu gadu laikā DuPont ir izveidojis kukurūzas, sojas pupiņu, kviešu un rīsu DNS sekvenču datubāzi. Tas novērš nogurdinošo gēnu atklāšanas procesu. Tas vairs nav likmi ierobežojošais solis projektā, skaidro Tingijs.

Biologi paredz, ka 1989. gadā aizsāktās starptautiskās sadarbības rezultātā Arabidopsis (nezāle, kas ir primārais augu ģenētikas ģenētiskais modelis) sekvencēšana tiks pabeigta līdz 2000. gadam. Tas varētu būt ļoti svarīgi, jo visiem ziedošajiem augiem būtībā ir vienāds gēnu kopums. . Nākamo piecu gadu laikā mēs zināmā mērā uzzināsim visu augu gēnu funkcijas, prognozē Stenforda Somervila. Tās ir būtiskas izmaiņas. Mēs būsim daudz labākā situācijā, lai veiktu racionālus uzlabojumus augos.

Atgriežoties jaunizveidotajā Cereon, viens no mērķiem ir pārvērst interesanta ģenētiskā materiāla sekvencēšanu par parastu augstas caurlaidības ražošanas līniju. Jo īpaši uzņēmums vēlas paātrināt DNS sekvences atrašanas procesu, kas ir atbildīgs par konkrētu fenotipu vai fizisko iezīmi. Mēs izveidojam sistēmas, kas ļaus molekulārajiem ģenētiķiem ļoti īsā laikā pāriet no interesējošā fenotipa uz klonētu gēnu un zinot šīs pazīmes secību, saka Cereon prezidents Viljams Timberleiks. Tagad ir vajadzīgi gadi, lai iegūtu dažus no šiem gēniem, skaidro Timberleiks. Mēs vēlētos to samazināt līdz nedēļām vai mēnešiem.

Bet visas šīs gēnu informācijas apkopošana ir tikai pirmais solis. Olivers Peoples, Metabolix līdzdibinātājs, skaidro: ko jūs darāt ar visu genomikas gēnu informāciju? Jūs sākat izstrādāt ceļus, lai optimizētu oglekļa plūsmu. Tas ir genomikas gala pielietojums — tā ir labākā mozaīka. Citiem vārdiem sakot, sapnis ir kontrolēt visu auga metabolismu.

Uzņēmumi, kas vēlas pārvērst kultūraugus par rūpnīcām, strādā pie dažiem provizoriskajiem soļiem. DuPont plāno uzlabot savas bioloģijas prasmes, no cukura izgatavojot plastmasas starpproduktu, izmantojot ģenētiski modificētus mikrobus fermentācijas procesā. Starpprodukts ir galvenā sastāvdaļa jaunā polimērā, kas varētu konkurēt ar neilonu, un uzņēmums plāno līdz 2000. gada beigām izveidot maza mēroga ražošanas iekārtu. Tas būs pirmais uzņēmuma DuPont mēģinājums izveidot bioloģiski pamatotu ražošanas procesu. saka Doršs, tas vadīs uzņēmuma plānus izmantot bioloģiju materiālu ražošanā.

Pie vienas Dorša biroja sienas ir diagramma, kurā attēloti vielmaiņas ceļi baktērijās. Tā atgādina ķīmiskās inženierijas plūsmas diagrammu — tādu, kādu jūs redzat visur DuPont — tikai tā ir daudz sarežģītāka. Doršs saka, ka ideja ir izmantot dabiskās oglekļa plūsmas organismā un izstrādāt smalkas izmaiņas, kas ļauj izsūknēt vēlamo produktu. Organismi jau ir noregulēti darbam ļoti labi. Ja jūs mēģināt pārvietot ievērojamu daļu oglekļa pa citu ceļu, jums nāksies pilnībā pārveidot zvēru. Es nedomāju, ka mēs esam tik pārdroši, lai noticētu, ka tas drīzumā notiks. Viņš ātri piebilst, bet mēs varētu tur nokļūt.

DuPont pētniecības laboratorijas Vilmingtonas nomalē, Del., ir svēta vieta polimēru zinātniekiem un ķīmiķiem. Tie ir nulles pamats mūsdienu amerikāņu rūpnieciskajai ķīmijai, vietai, kur tika izgudrots neilons. Un uz naftu balstīta ķīmija šeit ir valdījusi jau sen. Tagad, saka Īrija, bioloģija atdzīvina pētījumus. Polimēru ķīmiķi par to ir sajūsmā, jo viņi redz zinātnei raksturīgās iespējas. Biologi ir sajūsmā, jo redz iespēju likt lietā savus talantus, lai uzņēmumam nopelnītu daudz naudas.

Augstas destilācijas kolonnas joprojām ir izplatītākas nekā kukurūzas lauki Vilmingtonā. Taču, ja DuPont un tā konkurenti gūs panākumus, plaisa starp lauksaimniecības tirgiem un ķīmisko rūpniecību drīzumā varētu tikt samazināta. Patiešām, plaisa starp rūpniecisko ķīmiju un bioloģiju jau pastāv.

paslēpties