Den næste bioteknologiske høst

Ved første øjekast virker en aldrende industriel del af Cambridge, Mass., et mærkeligt sted at lede efter fremtidens landbrug. De eneste planter er ukrudt langs jernbaneskinnerne og velplejede buske og træer, der er spredt ud over indgangene til de højteknologiske virksomheder, der forynger området. Det landbrugsmæssige hjerteland i USA er tusind miles væk.

Og du finder ingen drivhuse eller potter med eksperimentelle planter inde i Cereon Genomics. Det ligner ethvert andet molekylærgenetisk laboratorium. Teknikere forbereder stregkodede prøver; i nærheden danner rækker af sofistikerede instrumenter, der oprindeligt blev udviklet til at sekventere menneskelige gener, en højhastighedsproduktionslinje. Forskellen er, at råvarerne til denne genfabrik ofte er udsnit af planter, og produktet er information om plantens DNA - deres genetiske tegninger.

Denne historie var en del af vores september-udgave fra 1998

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Fra sit hjørnekontor løfter Roger Wiegand øjenbrynene mod det automatiserede udstyr bagved ham. Wiegand er Cereons direktør for genomics-teknologi - videnskaben om at identificere gener og deres funktioner. Der er måske ikke noget grønt omkring, men for en mangeårig molekylærbiolog, siger Wiegand, er det at drive Cereons laboratorium som at være barn på en slikfabrik.

Begejstringen er baseret på overbevisningen om, at den geninformation, der høstes på Cereon - og på andre plantegenomiske laboratorier, der spirer op rundt om i verden - vil hjælpe med at udlede en bioteknologisk transformation af landbruget. Monsanto, den St. Louis-baserede landbrugs- og medicinalgigant, forpligtede sig i slutningen af ​​sidste år til at bruge over 200 millioner dollars på at skabe Cereon, et helejet datterselskab, det dannede i en alliance med genjægeren Millennium Pharmaceuticals. Aftalen er et af de dristigeste træk i Monsantos makeover til en life science-virksomhed. (I juni annoncerede Monsanto planer om at fusionere med American Home Products.) Og det afspejler det tidligere kemifirmas dybe tro på, at det kan udnytte den voksende viden om gener til big business - og dermed ændre, hvordan landmænd og forbrugere tænker om planter.

Andre virksomheder deler denne vision. Adskillige andre kemikalie- og lægemiddelgiganter, især DuPont og Novartis (det schweiziske selskab, der er et resultat af fusionen af ​​Ciba og Sandoz i 1996), har pløjet milliarder ind i drømmen. Hvis disse virksomheder har ret, vil landmænd inden for fem år plante bomuld, der er naturligt farvet for at reducere behovet for farvning, samt afgrøder, der indeholder plastik. Avlerne vil være bevæbnet med højere ydende, insekt-resistente afgrøder. Forbrugerne vil hente sundere og mere nærende fødevarer fra supermarkedernes hylder, der kommer fra genmodificerede planter. Længere i fremtiden vil børn få vacciner gennem bananer eller andre fødevarer, så de undgår nåleskræk (se Making Needles Needless ,).

Fabrikker på markerne

de første transgene afgrøder blev plantet i stor skala i USA for to år siden og har hurtigt slået rod i økonomien. I år vil genetisk ændrede planter udgøre omkring 15 procent af den amerikanske majshøst, omkring 30 procent af sojaafgrøden og mere end halvdelen af ​​produktionen af ​​bomuld. Denne første generation blev affødt gennem det relativt simple trick at indsætte et gen fra en bakterie i en plante for at producere en enkelt egenskab; resultaterne af et sådant arbejde omfatter majs og bomuld, der er resistente over for specifikke skadedyr, såvel som afgrøder, der tåler flere typer herbicider.

Selvom denne beskedne genetiske manipulation kan virke noget mindre end en bioteknologisk revolution, har biomanipulerede afgrøder taget landmændene med storm. Folk er overrasket over, hvor vigtige de første par gener har været, siger Anthony Cavalieri, vicepræsident hos Des Moines-baserede Pioneer Hi-Bred International, en førende sælger af frø og en forretningspartner med DuPont. Og dette er kun forkanten. Det kunne være grundlæggende for, hvordan hele landbrugssektoren fungerer.

Faktisk forventes det virkelige udbytte at komme i løbet af de næste år, da plantebiologer begynder ikke kun at indsætte flere gener i planter, men også at tegne de genetiske tegninger - og omdirigere de metaboliske veje - for mange almindelige afgrøder. Visionen er at omdanne planter til billige produktionsenheder, der kan dyrke alt fra modificerede fødevarer til humane vacciner til råvarekemikalier. Belønningen for at udvikle disse outputegenskaber i planter? Ifølge John Pierce, DuPonts leder af opdagelsesforskning inden for landbrug, kan det betyde, at man får et stykke industri- og fødevaremarkeder til en værdi af 500 milliarder dollars om året.

Selv for gigantiske virksomheder er det ikke små kartofler. Monsanto arbejder for det første på en kartoffel med højt tørstofindhold samt raps og sojabønner med modificeret olieindhold. En rapsstamme er for eksempel rig på betacaroten for at bekæmpe A-vitaminmangel, som stadig er et problem i mange udviklingslande.

I løbet af de næste mange år forventer DuPont at begynde at markedsføre frø til sojabønner med modificeret olie samt sojabønner med højt saccharoseindhold. I samarbejde med sin partner Pioneer har DuPont et halvt dusin bioteknologiske afgrøder, der nærmer sig kommercialisering og forventer at introducere planter med flere egenskaber stablet sammen. Virksomheden arbejder også på afgrøder med højt proteinindhold og højt olieindhold til dyrefoder (omkring 80 procent af amerikansk majs fodres til dyr).

Mad til mennesker og husdyr er big business. Men en endnu mere lukrativ dusør kunne i sidste ende komme fra dyrkning af bioteknologiske afgrøder, der fremstiller højt værdsatte materialer og industriprodukter lige i anlægget. Hvorfor lave syntetiske farvestoffer til bomuld ved hjælp af meget giftige kemikalier, lyder tanken, når planterne selv kunne gensplejses til at producere farvede fibre? Hvorfor ikke forvandle planter til kemiske fabrikker?

Plantebiologer i Monsanto og en nystartet virksomhed i Cambridge, Massachusetts, ved navn Metabolix arbejder hver for sig på en plastik, der er dyrket i planter, og som kunne være klar til landmænd allerede i 2002. Prodigene, en to år gammel College Station, Tex., spin-off fra Pioneer, sælger allerede industrielle enzymer dyrket i transgene majs og udvikler andre proteinbaserede industriprodukter. Andre laboratorier forsøger at skabe planter, der producerer specialolier, der kan tjene som nye industrielle ingredienser til belægninger og smøremidler. På tegnebrættet er også plantebaserede spiselige vacciner mod sygdomme som hepatitis og diarré.

Ved at pille ved genernes kontrol og aktivitet kan du lave næsten alt i planter, siger David Wheat, en mangeårig plantebiotekkonsulent og præsident for den Boston-baserede Bowditch Group. Ved at forstå, hvordan en organisme fungerer på et molekylært niveau, kan du designe nye slags produkter - måske endda lave produkter, du aldrig har set før.

Simpel aritmetik

Udsigterne inden for landbrugsbioteknologi er fristende nok til, at de er med til at drive en massiv omstrukturering af landbrugs- og kemiske industrier, der i nogle tilfælde udvisker grænserne mellem de to (se Seeding a New Industry, sidebar). Især Monsanto og DuPont har gravet dybt ned i de nye muligheder, idet de har sludret frøleverandører og plantebiotekstart-ups. I høj grad drevet af bioteknologiens potentiale dumpede Monsanto sidste år uden ceremoniel sin kemikalieforretning og omfavnede biologi som fremtidens bølge. Til gengæld reorganiserede DuPont sig i foråret og dannede en life science-gruppe (som omfatter dets landbrugs-, medicin- og bioteknologiske aktiviteter) og erklærede, at dets fremtidige vækst ligger i integrationen af ​​kemi og bioteknologi.

Selv faste Dow Chemical, den enorme kemikalieproducent, har erklæret sit ønske om at være en førende biotekaktør, målrettet udviklingen af ​​plastik og industrielle kemikalier. Det er en teknologi, hvis tid er inde, siger Fernand Kaufmann, Dows vicepræsident for nye virksomheder og strategisk udvikling. Kaufmann advarer dog om, at det vil tage tid for plantedyrkede kemikalier at gøre indhug på de enorme råvaremarkeder, som er domineret af produkter fremstillet af olie.

DNA databaser

i de næste par år vil storstilet produktion af plast forblive på fabrikken, ikke i marken. Selv i DuPonts mest avancerede forskningsprojekter for plantebaserede materialer indrømmer Irland, at videnskabsmænd stadig optrævler de enzymatiske veje, mens de samtidig udvikler al polymerkemien. Ingen forstår rigtigt, hvordan man kontrollerer og regulerer plantegenekspression.

Men hvis plantegenomikken fortsætter med at accelerere med sin nuværende hastighed, kan det blive langt lettere at nå dette mål. De fleste almindelige afgrøder har en stor mængde DNA og omkring 50.000 gener - omtrent halvdelen af ​​antallet hos mennesker. Men ved at bruge hurtige, automatiserede maskiner finpudset til at optrevle det menneskelige genom, identificerer plantegenetikere gener hurtigere, end botanikere ved, hvordan de skal dyrke dem.

Scott Tingey, direktør for DuPonts genomics-program, siger, at teknologien har haft en dyb indvirkning på området. For nogle år siden tog det to mandår at klone et plantegen, siger Tingey. Cirka halvdelen af ​​tiden havde du succes, den anden halvdel faldt du på dit ansigt. I dag er livet meget anderledes. I løbet af de sidste to år har DuPont lavet en database med DNA-sekvenser for majs, sojabønner, hvede og ris. Det eliminerer den kedelige genopdagelsesproces. Det er ikke længere det hastighedsbegrænsende trin i et projekt, forklarer Tingey.

Biologer forventer at afslutte sekventeringen af ​​Arabidopsis (et ukrudt, der er den primære genetiske model for plantegenetik) inden 2000, som et resultat af et internationalt samarbejde, der begyndte i 1989. Det kan være afgørende, fordi alle blomstrende planter har stort set det samme sæt gener . Inden for de næste fem år vil vi kende funktionen af ​​alle plantegener på et eller andet niveau, forudsiger Stanfords Somerville. Det er en stor ændring. Vi vil være meget bedre i stand til at lave rationelle forbedringer i planter.

Tilbage ved det nyoprettede Cereon er et mål at omdanne sekventering af interessant genetisk materiale til en rutinemæssig produktionslinje med høj kapacitet. Virksomheden ønsker især at fremskynde processen med at finde en DNA-sekvens, der er ansvarlig for en specifik fænotype eller fysiske egenskab. Vi opretter systemer, der vil gøre det muligt for molekylærgenetikere at gå fra en fænotype af interesse til at have et klonet gen og kende sekvensen for det træk på meget kort tid, siger Cereon-præsident William Timberlake. Det tager nu år at komme til nogle af disse gener, forklarer Timberlake. Vi vil gerne reducere det til uger eller måneder.

Men at indsamle al den geninformation er kun det første skridt. Oliver Peoples, medstifter af Metabolix, forklarer: Hvad gør du med al geninformationen fra genomics? Du begynder at konstruere veje for at optimere strømmen af ​​kulstof. Det er slutbrugen af ​​genomics - det er det ultimative puslespil. Drømmen er med andre ord at kontrollere hele stofskiftet i en plante.

Virksomheder, der har til hensigt at omdanne afgrødeplanter til fabrikker, arbejder på nogle indledende trin. DuPont har til hensigt at skærpe sine biologiske færdigheder ved at lave et plastikmellemprodukt af sukker ved hjælp af gensplejsede mikrober i en fermenteringsproces. Mellemproduktet er nøgleingrediensen i en ny polymer, der kunne konkurrere med nylon, og virksomheden planlægger at have et lille produktionsanlæg op at køre i slutningen af ​​2000. Det vil være DuPonts første forsøg på en biologisk baseret produktionsproces, og, siger Dorsch, det vil guide virksomhedens planer for at bruge biologi til at lave materialer.

Mod den ene væg på Dorschs kontor er et diagram, der kortlægger de metaboliske veje i en bakterie. Det ligner et kemiteknisk flowdiagram - den slags, du ser overalt hos DuPont - det er kun langt mere komplekst. Ideen, siger Dorsch, er at drage fordel af de naturlige strømme af kulstof i organismen og at konstruere subtile ændringer, der giver dig mulighed for at sifon fra et ønsket produkt. Organismer er allerede indstillet til at fungere meget godt. Hvis du forsøger at flytte en betydelig del af kulstoffet gennem en anden vej, er du ved at være nødt til at omkonstruere dyret fuldstændigt. Jeg tror ikke, vi er så dristige at tro, at det er noget, der snart vil ske. Han tilføjer hurtigt: Men vi kommer måske dertil.

DuPonts forskningslaboratorier i udkanten af ​​Wilmington, Del., er hellig grund for polymerforskere og kemikere. De er nul for moderne amerikansk industriel kemi, stedet hvor nylon blev opfundet. Og petroleumsbaseret kemi har længe hersket her. Nu, siger Irland, genopliver biologien forskningen. Polymerkemikerne er begejstrede for det, fordi de ser de muligheder, der ligger i videnskaben. Biologerne er begejstrede, fordi de ser muligheden for at bruge deres talenter til at tjene mange penge til virksomheden.

Tårnhøje destillationssøjler er stadig mere almindelige end kornmarker i Wilmington. Men hvis DuPont og dets rivaler får succes, kan kløften mellem landbrugsmarkederne og den kemiske industri snart være ved at lukke. Kløften mellem industriel kemi og biologi har faktisk allerede gjort det.

skjule