Genfabrikken

På en dag med levende nuancer sidste efterår samledes en ængstelig gruppe af arkitekter, entreprenører, ingeniører og videnskabsmænd i kælderen i en bygning i Rockville, Md. Strukturen skulle ved årets udgang være omdannet til den største DNA-sekventeringsfabrik i verden, men planlægningsmødet bekræftede, at problemerne hobede sig op. Levering af en afgørende dampgenerator var kommet bagud. Og det var ikke engang klart, at væggene i den 113.000 kvadratmeter store kontorbygning, som var blevet besat af en forsvarsentreprenør, men nu stod renset, ville rumme alle de rør og ledninger, der var nødvendige for at drive de nye laboratorier.

Entreprenørerne var urolige, men hvis de videnskabsmænd, der var til stede i lokalet, ikke væltede over af sympati, var det, fordi de havde stillet sig en endnu større opgave med en endnu mere dramatisk tidslinje. Forskerne arbejder for Celera Genomics Corp., et firma, der blev dannet i maj sidste år med planer om inden 2001 at afkode alle de 3,5 milliarder kemiske bogstaver af DNA, der udgør menneskelig arv. Celera har ikke kun til hensigt at slå med fire år den måldato, der oprindeligt var fastsat af det offentligt finansierede Human Genome Project (som begyndte i 1990), men også at afslutte jobbet for en tiendedel af regeringsprojektets pris på 3 milliarder dollars.

Denne historie var en del af vores marts 1999-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Hvis disse påstande kom fra et andet firma, kan de blive afvist som oprørende. Men Celera er barn af Perkin-Elmer, instrumentfirmaet, der monopoliserer markedet for automatiserede DNA-sekventeringsmaskiner, og J. Craig Venter, den mest kontroversielle og produktive genomforsker i verden. Partnerne blev enige om at give TR en forhåndsvisning af stoffet bag deres ambitiøse plan og tillod en reporter at følge med, da Celeras anlæg blev til.

En stor del af den videnskabelige ekspertise, der driver Celera, kommer fra The Institute for Genomic Research (TIGR), et uafhængigt laboratorium Venter grundlagt i 1992. Hos TIGR, også i Rockville, har Venters personale brugt en hurtigskydningsmetode kendt som den tilfældige haglgeværtilgang til afkode genomerne af næsten et dusin bakterier. Intet andet laboratorium har produceret flere DNA-sekvensaflæsninger af de lange rækker af kemiske bogstaver betegnet A, C, G og T, der udgør DNA-molekylet. Så igen er Venters tilgang aldrig blevet prøvet på noget så stort som det menneskelige genom, som indeholder omkring 1.000 gange så meget DNA som din gennemsnitlige mikrobe. Det er svært ... at forstå hele omfanget af dette, siger Venter, nu Celeras præsident. Jeg kan i det mindste håndtere millioner, fordi jeg bruger dem hele tiden nu.

Pengene bag Celera kommer fra Perkin-Elmer, en instrumentgigant, hvor projektet er et dramatisk skift i retning af at kontrollere data i stedet for blot at fremstille og sælge udstyr. Beslutningen fra embedsmænd ved Perkin-Elmers hovedkvarter i Norwalk, Conn., om at sætte en kraftfuld ny type DNA-sequencer til at arbejde for sig selv, har forbløffet bioteknologiindustrien og trukket sammenligninger med Microsofts bevægelse til onlinepublicering. Partnerne foregreb frygten for, at de kunne kapre genomet ved at love at udlevere data gratis (men med nogle få forbehold) til den offentlige sektor. Mellem Venters haglgeværmetode og Perkin-Elmers dybe lommer og nye maskiner ser Celera ud, som om den godt kunne leve op til sit navn: et spil med ordet celerity, for hurtig handling.

Fabriksrundvisning

I dag, fire måneder og mange sene nætter efter det angstramte planlægningsmøde, står genfabrikken færdig. Det eneste tegn på, at glasbygningen indeholder, hvad der uden tvivl er verdens mest produktive molekylærbiologiske laboratorium, er to massive klimaanlæg, der sidder på hug i græsset. Kølerne, der er for tunge til at sidde oven på bygningen, afkøler 1.600 kubikmeter luft i minuttet og rører det ind i hjertet af anlægget, hvor 257 nye sekventeringsmaskiner brummer i ordnede rækker.

De grå, taljehøje 3700-modelmaskiner blev udviklet over to år i næsten hemmeligholdelse af Perkin-Elmers vestkyst-datterselskab, Applied Biosystems. Bare en af ​​disse maskiner, siger Venter, har mere sekventeringskapacitet end mange store akademiske laboratorier, hvoraf de fleste er afhængige af en tidligere model kaldet 377. Alt i alt, beregner Venter, kan Celera afkode næsten lige så meget DNA på en dag som alle de store laboratorier finansieret af Human Genome Project produceret sidste år.

Det er det, der er inde i disse nye maskiner, der gør dem så hurtige. Hver indeholder 104 glaskapillærer: hule, hårtynde rør, som maskinen automatisk kan fylde med en sirupsagtig polymer og senere rense ud med en fortyndet opløsning af salpetersyre. Sekvenserens opgave er at sortere DNA-fragmenter efter størrelse. Trækket med af et elektrisk felt bevæger små fragmenter sig gennem rørene hurtigere end store. Kapillærerne erstatter besværlige plader i cafeteriabakkestørrelse af giftig gel, der blev brugt i tidligere modeller, og som skulle skiftes af en dygtig tekniker med få timers mellemrum. Forsynet med kemikalier og mere end 1.000 DNA-prøver kan den automatiserede 3700 køre i næsten to dage uden menneskelig indgriben, siger Mark Adams, den unge videnskabsmand, der overvåger Celeras sekventeringsoperation. Med fuld kapacitet forventer Celera at læse 100 millioner bogstaver af DNA-sekvens hver dag.

Mere end halvdelen af ​​Celeras personale, støttet af otte 6-fods, 64-bit computerservere placeret i en tilstødende bygning, vil blive afsat til at afkode lavinen af ​​datastreaming fra sekventeringsfaciliteterne. I spidsen for analysen er Gene Myers, en ekspert i mønsteranalyse på orlov fra University of Arizonas datalogiafdeling.

Udfordringen, som Myers' personale står over for, er noget i retning af at samle en komplet bibel fra 10 eksemplarer, der er blevet revet i små stykker. Da sekventeringsmaskinerne kun kan læse korte strækninger af DNA, skal genomet først brydes i mindre stykker. Celera-forskere begyndte med at tage DNA fra en række menneskelige celler og kemisk makulere det i millioner af tilfældige, overlappende fragmenter på et par tusinde bogstaver. For at holde et bibliotek af disse fragmenter podede forskerne dem ind i kolonier af E. coli-bakterier. Efter haglgeværstrategien vil Celera derefter sekvensere 500 bogstaver fra hver ende af et fragment - gentagelse af processen på tværs af hele biblioteket giver 70 millioner separate sekvenser.

Myers opgave er at udvikle algoritmer, der kan samle disse elementer, når deres kode er blevet læst. Selvom det lyder som et ligetil job - bare opstil overlappende bogstaver og begynd at indsætte - det er alt andet end. Tag den flåede bibel. Almindelige sætninger som Du skal ikke ... eller Velsignet være de ... ville gøre det meget sværere at samle den gode bog igen, fordi nogle fragmenter ser ud til at overlappe hinanden, når de faktisk ikke gør det. Genomet er ligeledes proppet med gentagne sekvenser, nogle korte, nogle lange, nogle til stede i en million kopier, andre kun gentaget to gange.

Af den grund har forskere, der arbejder på det offentligt finansierede Human Genome Project, møjsommeligt kortlagt genomet, før de begyndte at sekvensere. Omtrent som at finde ud af, hvor Bibelens kapitler går hen, før de river siderne op, betyder det, at de så bliver nødt til at samle mange små bunker igen i stedet for en stor. Elbert Branscomb, direktør for Department of Energy's Joint Genome Institute, mener, at Celeras puslespil på 70 millioner brikker kan være uløseligt. Hvor stort et problem dette vil være, er der ingen, der engang har et moderat godt bud på, siger Branscomb.

Myers hævder, at nøglen til løsningen er, at Celeras puslespilsbrikker kommer i par løftet fra enderne af et enkelt fragment, hvis samlede længde de kender. Parrene, mener han, vil begrænse problemet nok til at nå frem til en unik løsning. Eksterne videnskabsmænd siger, at Celeras strategi ville være umulig uden de sekvenser, der allerede er udviklet på offentligt finansierede laboratorier, men Myers fastholder, at puslespillet kunne løses alligevel. Udefrakommende information er bare en midler, siger han. Hvis vi skulle lave et genom, som vi ikke har nogen data om, siger bermudagræs, kunne vi lave en selvstændig operation.

Hvorvidt Celeras operation repræsenterer videnskab i topklasse eller ej, er stadig et spørgsmål om debat i genomsamfundet. Uden tvivl vil Celeras version af genomet have mange, mange små huller. En fotokopi, om du vil, der giver det store overblik og de fleste detaljer, men som muligvis ikke lever op til den højtroskabsstandard, som Human Genome Project forestiller sig.

Efter Genomet

Dataene vil dog være gode nok til at bringe på markedet. Venter har sagt, at han vil give den rå sekvens væk gratis ved at downloade den til det online offentlige repository kendt som GenBank. Så hvad er der tilbage at sælge? Ret meget. Celeras overskud kan i vid udstrækning komme fra licenser til medicinalfirmaer af en database, der pakker sekvensen i en mere tilgængelig form. Lægemiddelfirmaer vil mine data for gener med medicinske applikationer, selvom Venter siger, at Celera først vil finde og patentere flere hundrede gener for sig selv. Celera vil også holde fast i information om enkelte DNA-bogstaver, der varierer mellem mennesker kaldet enkeltnukleotidpolymorfismer. Disse forskelle kan forudsige en persons modtagelighed for sygdom eller for toksiske lægemiddelreaktioner. Og ud over det menneskelige genom ligger andre. Monsanto, den store landbrugskoncern, har allerede foreslået, at Celera overtager risgenomet.

Som Venter ynder at påpege, er færdiggørelsen af ​​den menneskelige sekvens simpelthen begyndelsen på en ny æra, hvor dataene kan bruges til at forbedre menneskers sundhed. Hvis Celeras planer lykkes, vil denne post-genomiske epoke være over os hurtigere end forventet. Faktisk fremskred Celera tidslinjen for aflæsning af genomet, før en enkelt væg var blevet væltet til fabrikkens renovering. Som reaktion på den uventede konkurrence har direktører for det offentligt finansierede Human Genome Project annonceret, at de nu planlægger at slå hele projektet af i 2003, to år tidligere end den oprindelige tidsplan krævede. Og i 2001, da Celera har lovet at afsløre sine data, har videnskabsmænd i den offentlige sektor lovet at komme igennem med et arbejdsudkast, der matcher dem. Offentligt genom eller privat, celeritet er bestemt dagens orden.

skjule