Příští biotechnologická sklizeň

Na první pohled se zdá, že stárnoucí průmyslová část Cambridge ve státě Massachusetts je zvláštním místem pro hledání budoucnosti zemědělství. Jediné rostliny jsou plevel podél železničních tratí a dobře udržované keře a stromy poseté vchody do high-tech podniků, které omlazují oblast. Zemědělské srdce Spojených států je vzdálené tisíc mil.

A v Cereon Genomics nenajdete žádné skleníky ani květináče s experimentálními rostlinami. Vypadá to jako jakákoli jiná laboratoř molekulární genetiky. Technici připravují vzorky s čárovým kódem; poblíž tvoří řady sofistikovaných přístrojů, které byly původně vyvinuty pro sekvenování lidských genů, vysokorychlostní výrobní linku. Rozdíl je v tom, že suroviny pro tuto továrnu na geny jsou často úryvky rostlin a produktem jsou informace o DNA rostliny – jejich genetické plány.

Tento příběh byl součástí našeho vydání ze září 1998

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Roger Wiegand ze své rohové kanceláře zvedne obočí směrem k automatickému zařízení za ním. Wiegand je ředitelem genomické technologie společnosti Cereon – vědy o identifikaci genů a jejich funkcí. Kolem možná není žádná zeleň, ale pro dlouholetého molekulárního biologa, říká Wiegand, je provozování Cereonovy laboratoře jako dítě v továrně na cukrovinky.

Vzrušení je založeno na přesvědčení, že informace o genu sklízené v Cereonu – a v dalších rostlinných genomických laboratořích, které vyrůstají po celém světě – pomohou zasít biotechnologickou transformaci zemědělství. Společnost Monsanto, zemědělský a farmaceutický gigant se sídlem v St. Louis, se koncem minulého roku zavázala utratit více než 200 milionů dolarů na vytvoření Cereonu, plně vlastněné dceřiné společnosti, kterou vytvořila ve spojení s lovcem genů Millennium Pharmaceuticals. Dohoda je jedním z nejodvážnějších kroků v přeměně společnosti Monsanto na společnost zabývající se biologickými vědami. (V červnu Monsanto oznámilo plány na sloučení s American Home Products.) A odráží hlubokou víru bývalé chemické společnosti, že dokáže využít rostoucí znalosti genů do velkých podniků – a tím změnit způsob, jakým zemědělci a spotřebitelé přemýšlejí o rostliny.

Tuto vizi sdílejí i další společnosti. Několik dalších chemických a drogových gigantů, zejména DuPont a Novartis (švýcarská společnost, která vznikla fúzí Ciba a Sandoz v roce 1996), vložilo do snu miliardy. Pokud mají tyto společnosti pravdu, do pěti let budou zemědělci pěstovat bavlnu, která je přirozeně zbarvená, aby se snížila potřeba barvení, a také plodiny, které obsahují plasty. Pěstitelé budou vyzbrojeni výnosnějšími plodinami odolnými proti hmyzu. Spotřebitelé si z regálů supermarketů vyberou zdravější a výživnější potraviny, které pocházejí z geneticky modifikovaných rostlin. Dále v budoucnu budou děti dostávat vakcíny prostřednictvím banánů nebo jiných potravin, čímž se vyhnou hrůze z jehel (viz Zbytečnost jehel).

Továrny v polích

první transgenní plodiny byly vysazeny ve velkém měřítku ve Spojených státech před dvěma lety a rychle zapustily kořeny v ekonomice. V letošním roce budou geneticky upravené rostliny tvořit asi 15 procent sklizně kukuřice v USA, asi 30 procent úrody sóji a více než polovinu produkce bavlny. Tato první generace byla zplozena relativně jednoduchým trikem vložení genu z bakterie do rostliny, aby vznikla jediná vlastnost; výsledky takové práce zahrnují kukuřici a bavlnu odolné vůči specifickým škůdcům a také plodiny, které tolerují několik typů herbicidů.

I když se toto skromné ​​genetické šťouchání může zdát jako něco málo jako biotechnologická revoluce, bioinženýrské plodiny vzaly farmáře útokem. Lidé jsou překvapeni, jak důležitých pár prvních genů bylo, říká Anthony Cavalieri, viceprezident společnosti Pioneer Hi-Bred International se sídlem v Des Moines, předního prodejce semen a obchodního partnera společnosti DuPont. A to je jen přední hrana. Mohlo by to být zásadní pro fungování celého zemědělského sektoru.

Skutečná odměna se skutečně očekává v průběhu několika příštích let, protože rostlinní biologové začnou nejen vkládat více genů do rostlin, ale také překreslovat genetické plány – a přesměrovávat metabolické cesty – mnoha běžných plodin. Vizí je přestavět závody na levné výrobní jednotky, které mohou pěstovat vše od modifikovaných potravin přes lidské vakcíny až po komoditní chemikálie. Odměna za vytvoření těchto výstupních vlastností v rostlinách? Podle Johna Pierce, vedoucího objevného výzkumu společnosti DuPont v zemědělství, by to mohlo znamenat získání části průmyslových a potravinářských trhů v hodnotě 500 miliard dolarů ročně.

Ani pro obří korporace to nejsou malé brambory. Monsanto například pracuje na bramborách s vysokým obsahem pevných látek, stejně jako na řepce a sójových bobech s upraveným obsahem oleje. Jeden kmen řepky, například, je bohatý na beta-karoten pro boj s nedostatkem vitaminu A, který je stále problémem v mnoha rozvojových zemích.

Během několika příštích let společnost DuPont očekává, že začne prodávat semena pro sójové boby s modifikovaným olejem a také sójové boby s vysokým obsahem sacharózy. Ve spolupráci se svým partnerem Pioneer má DuPont půl tuctu biotechnologických plodin, které se blíží komercializaci, a očekává, že představí rostliny s několika vlastnostmi naskládanými dohromady. Společnost také pracuje na plodinách s vysokým obsahem bílkovin a oleje pro krmení zvířat (asi 80 procent americké kukuřice je krmeno zvířaty).

Jídlo pro lidi a hospodářská zvířata je velký byznys. Ale ještě lukrativnější odměna by nakonec mohla přijít z pěstování biotechnologických plodin, které přímo v závodě vyrábějí vysoce ceněné materiály a průmyslové produkty. Proč vyrábět syntetická barviva na bavlnu pomocí vysoce toxických chemikálií, myslí se, když samotné rostliny mohou být geneticky upraveny tak, aby produkovaly barevná vlákna? Proč neproměnit rostliny v chemické továrny?

Rostlinní biologové ze společnosti Monsanto a start-up v Cambridge, Massachusetts, jménem Metabolix, samostatně pracují na plastu pěstovaném v rostlinách, který by mohl být připraven pro farmáře již v roce 2002. Prodigene, dva roky stará College Station, Texas, spin-off od Pioneer, již prodává průmyslové enzymy pěstované v transgenní kukuřici a vyvíjí další průmyslové produkty na bázi proteinů. Jiné laboratoře se pokoušejí vytvořit závody produkující speciální oleje, které by mohly sloužit jako nové průmyslové přísady pro nátěry a maziva. Na rýsovacím prkně jsou také rostlinné jedlé vakcíny proti nemocem, jako je hepatitida a průjem.

Pohráváním si s kontrolou a aktivitou genů můžete v rostlinách vyrobit téměř vše, říká David Wheat, dlouholetý poradce pro rostlinné biotechnologie a prezident bostonské Bowditch Group. Když pochopíte, jak organismus funguje na molekulární úrovni, můžete navrhovat nové druhy produktů – možná dokonce vyrábět produkty, které jste nikdy předtím neviděli.

Jednoduchá aritmetika

Vyhlídky v zemědělské biotechnologii jsou natolik vzrušující, že pomáhají řídit masivní restrukturalizaci zemědělského a chemického průmyslu, která v některých případech stírá hranice mezi nimi (viz Zasazení nového průmyslu, postranní panel). Zejména Monsanto a DuPont se hluboce ponořily do nových příležitostí, pohltily dodavatele osiv a začínající biotechnologické závody. Společnost Monsanto, poháněná z velké části potenciálem biotechnologií, loni bez okolků opustila svůj chemický byznys a přijala biologii jako vlnu budoucnosti. Na druhé straně se letos na jaře společnost DuPont reorganizovala, vytvořila skupinu biologických věd (která zahrnuje její zemědělské, léčivé a biotechnologické aktivity) a prohlásila, že její budoucí růst spočívá v integraci chemie a biotechnologie.

Dokonce i Dow Chemical, obrovský výrobce chemikálií, prohlásil, že chce být předním biotechnologickým hráčem a zaměřuje se na vývoj plastů a průmyslových chemikálií. Je to technologie, jejíž čas přišel, říká Fernand Kaufmann, viceprezident Dow pro nové obchody a strategický rozvoj. Kaufmann však varuje, že bude nějakou dobu trvat, než chemikálie pěstované v rostlinách udělají díru na obrovských komoditních trzích, kterým dominují produkty vyrobené z ropy.

DNA databáze

několik dalších let zůstane velkovýroba plastů v továrně, nikoli na poli. I v nejpokročilejších výzkumných projektech DuPont pro materiály na rostlinné bázi, Irsko připouští, vědci stále odhalují enzymatické cesty a současně vyvíjejí veškerou polymerní chemii. Nikdo ve skutečnosti nerozumí tomu, jak ovládat a regulovat expresi rostlinných genů.

Pokud se však genomika rostlin bude i nadále zrychlovat současným tempem, může být dosažení tohoto cíle mnohem snazší. Většina běžných plodin má velké množství DNA a asi 50 000 genů – což je zhruba polovina počtu u lidí. Ale pomocí rychlých, automatizovaných strojů vybroušených pro odhalení lidského genomu rostlinní genetici identifikují geny rychleji, než botanici vědí, jak je kultivovat.

Scott Tingey, ředitel genomického programu DuPont, říká, že technologie měla hluboký dopad na toto pole. Před několika lety trvalo klonování rostlinného genu dva roky, říká Tingey. Zhruba polovinu času jste byli úspěšní, druhou polovinu jste padli na hubu. Dnes je život úplně jiný. Během posledních dvou let DuPont vytvořil databázi sekvencí DNA pro kukuřici, sóju, pšenici a rýži. Odstraňuje zdlouhavý proces objevování genů. To již není krok omezující rychlost v projektu, vysvětluje Tingey.

Biologové očekávají dokončení sekvenování Arabidopsis (plevel, který je primárním genetickým modelem pro genetiku rostlin) do roku 2000, jako výsledek mezinárodní spolupráce, která začala v roce 1989. To by mohlo být klíčové, protože všechny kvetoucí rostliny mají v podstatě stejnou sadu genů. . Během příštích pěti let budeme na určité úrovni znát funkci všech rostlinných genů, předpovídá Stanford's Somerville. je to zásadní změna. Budeme v mnohem lepší pozici pro racionální vylepšení rostlin.

V nově vzniklém Cereonu je jedním z cílů přeměnit sekvenování zajímavého genetického materiálu na rutinní, vysoce výkonnou výrobní linku. Společnost chce zejména urychlit proces hledání sekvence DNA zodpovědné za konkrétní fenotyp nebo fyzický rys. Vytváříme systémy, které umožní molekulárním genetikům přejít od fenotypu zájmu ke klonovanému genu a znát sekvenci pro tento rys ve velmi krátké době, říká prezident Cereonu William Timberlake. Nyní trvá roky, než se dostaneme k některým z těchto genů, vysvětluje Timberlake. Rádi bychom to zkrátili na týdny nebo měsíce.

Ale shromáždění všech těchto genových informací je pouze prvním krokem. Oliver Peoples, spoluzakladatel Metabolix, vysvětluje: Co děláte se všemi genovými informacemi z genomiky? Začnete navrhovat cesty k optimalizaci toku uhlíku. Je to konečné využití genomiky – je to konečná skládačka. Jinými slovy, snem je řídit celý metabolismus rostliny.

Společnosti, které chtějí přeměnit plodiny na továrny, pracují na některých předběžných krocích. DuPont má v úmyslu zdokonalit své biologické dovednosti výrobou plastového meziproduktu z cukru pomocí geneticky upravených mikrobů ve fermentačním procesu. Meziprodukt je klíčovou složkou nového polymeru, který by mohl konkurovat nylonu, a společnost plánuje zprovoznění malého výrobního zařízení do konce roku 2000. Bude to první pokus společnosti DuPont o biologický výrobní proces a říká Dorsch, povede to plány společnosti na využití biologie k výrobě materiálů.

Na jedné stěně Dorschovy kanceláře je schéma mapující metabolické dráhy v bakterii. Připomíná vývojový diagram chemického inženýrství – takový, jaký vidíte všude u DuPont – jen je mnohem složitější. Dorsch říká, že myšlenkou je využít přirozené toky uhlíku v organismu a vytvořit jemné změny, které vám umožní odsát požadovaný produkt. Organismy jsou již vyladěny tak, aby fungovaly velmi dobře. Pokusíte-li se přesunout významnou část uhlíku jinou cestou, dostáváte se k tomu, že budete muset bestii kompletně předělat. Nemyslím si, že jsme tak troufalí, abychom věřili, že se to stane v dohledné době. Rychle dodává: Ale možná se tam dostaneme.

Výzkumné laboratoře DuPont na předměstí Wilmingtonu ve státě Delaware jsou posvátnou půdou pro polymerní vědce a chemiky. Jsou základem moderní americké průmyslové chemie, místa, kde byl vynalezen nylon. A chemie na bázi ropy zde dlouho vládla. Nyní, říká Ireland, biologie oživuje výzkum. Polymerní chemici jsou z toho nadšení, protože vidí možnosti, které jsou této vědě vlastní. Biologové jsou nadšení, protože vidí příležitost využít svůj talent k tomu, aby firmě vydělali spoustu peněz.

Vysoké destilační kolony jsou stále běžnější než kukuřičná pole ve Wilmingtonu. Pokud však bude DuPont a jeho rivalové úspěšní, propast mezi zemědělskými trhy a chemickým průmyslem by se mohla brzy uzavřít. Propast mezi průmyslovou chemií a biologií již skutečně existuje.

skrýt