Genfabriken

På en dag med livfulla nyanser i höstas samlades en orolig grupp arkitekter, entreprenörer, ingenjörer och forskare i källaren i en byggnad i Rockville, Md. Strukturen var tänkt att vid årets slut omvandlas till den största DNA-sekvenseringsfabriken i världen, men planeringsmötet bekräftade att problemen hopade sig. Leveransen av en avgörande ånggenerator hade hamnat på efterkälken. Och det var inte ens klart att väggarna i den 113 000 kvadratmeter stora kontorsbyggnaden, som hade varit ockuperad av en försvarsentreprenör men som nu stod urtagen, skulle rymma alla rör och ledningar som behövs för att driva de nya laboratorierna.

Entreprenörerna var oroliga, men om forskarna som var närvarande i rummet inte svämmade över av sympati berodde det på att de hade satt sig en ännu större uppgift med en ännu mer dramatisk tidslinje. Forskarna arbetar för Celera Genomics Corp., ett företag som bildades i maj förra året med planer på att senast 2001 avkoda alla 3,5 miljarder kemiska bokstäver av DNA som utgör mänsklig ärftlighet. Celera avser inte bara att slå med fyra år måldatumet som ursprungligen sattes av det offentligt finansierade Human Genome Project (som startade 1990), utan också att avsluta jobbet för en tiondel av det statliga projektets prislapp på 3 miljarder dollar.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 1999

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Om dessa påståenden kom från ett annat företag kan de avfärdas som upprörande. Men Celera är barn till Perkin-Elmer, instrumentföretaget som monopoliserar marknaden för automatiserade DNA-sekvenseringsmaskiner, och J. Craig Venter, den mest kontroversiella och produktiva genomforskaren i världen. Partnerna gick med på att ge TR en förhandstitt på innehållet bakom deras ambitiösa plan och lät en reporter följa med när Celeras anläggning kom till.

Mycket av den vetenskapliga expertis som driver Celera kommer från The Institute for Genomic Research (TIGR), ett oberoende labb som Venter grundades 1992. På TIGR, även det i Rockville, har Venters personal använt en snabbavfyrningsmetod som kallas slumpmässigt hagelgevär. avkoda genomen från nästan ett dussin bakterier. Inget annat labb har producerat fler DNA-sekvensavläsningar av de långa strängarna av kemiska bokstäver betecknade A, C, G och T som utgör DNA-molekylen. Återigen, Venters tillvägagångssätt har aldrig prövats på något så stort som det mänskliga genomet, som innehåller cirka 1 000 gånger så mycket DNA som din genomsnittliga mikrob. Det är svårt ... att förstå hela omfattningen av detta, säger Venter, nu Celeras president. Jag kan hantera miljoner, åtminstone, eftersom jag spenderar dem hela tiden nu.

Pengarna bakom Celera kommer från Perkin-Elmer, en instrumentjätte för vilken projektet är en dramatisk förändring mot att kontrollera data snarare än att bara tillverka och sälja utrustning. Beslutet av tjänstemän vid Perkin-Elmers huvudkontor i Norwalk, Connecticut, att sätta en kraftfull ny typ av DNA-sekvenserare att fungera för sig själva har häpnat bioteknikindustrin och gjort jämförelser med Microsofts övergång till onlinepublicering. Partnerna förekom farhågor om att de skulle kunna kapa arvsmassan genom att lova att lämna över data gratis (men med några varningar) till den offentliga sektorn. Mellan Venters hagelgevärsmetod och Perkin-Elmers djupa fickor och nya maskiner ser Celera ut som om den mycket väl skulle kunna leva upp till sitt namn: en lek med ordet celerity, för snabb handling.

Fabriksrundtur

I dag, fyra månader och många sena nätter efter det ångestfyllda planeringsmötet, står genfabriken klar. Det enda tecknet på att glasbyggnaden innehåller vad som utan tvekan är världens mest produktiva molekylärbiologilabb är två massiva luftkonditioneringsenheter som hukar i gräset. Kylaggregaten, för tunga för att sitta ovanpå byggnaden, kyler 1 600 kubikmeter luft per minut och leder den in i hjärtat av anläggningen, där 257 nya sekvenseringsmaskiner surrar i ordnade rader.

De grå midjehöga maskinerna av 3700-modellen utvecklades under två år i nästan hemlighet av Perkin-Elmers dotterbolag på västkusten, Applied Biosystems. Bara en av dessa maskiner, säger Venter, har mer sekvenseringskapacitet än många stora akademiska labb, av vilka de flesta är beroende av en tidigare modell som kallas 377. Sammantaget, beräknar Venter, kan Celera avkoda nästan lika mycket DNA på en dag som alla de stora laboratorier finansierade av Human Genome Project som producerades förra året.

Det är vad som finns inuti dessa nya maskiner som gör dem så snabba. Var och en innehåller 104 glaskapillärer: ihåliga, hårtunna rör som maskinen automatiskt kan fylla med en sirapsliknande polymer och senare rengöra med en utspädd lösning av salpetersyra. Sekvenserarens uppgift är att sortera DNA-fragment efter storlek. Meddragna av ett elektriskt fält rör sig små fragment genom rören snabbare än stora. Kapillärerna ersätter besvärliga plattor i kafeteriabricka med giftig gel som använts i tidigare modeller, som måste bytas av en skicklig tekniker med några timmars mellanrum. Fylld med kemikalier och mer än 1 000 DNA-prover kan den automatiserade 3700-enheten köras i nästan två dagar utan mänsklig inblandning, säger Mark Adams, den unge forskaren som övervakar Celeras sekvenseringsoperation. Med full kapacitet räknar Celera med att läsa 100 miljoner bokstäver med DNA-sekvens varje dag.

Mer än hälften av Celeras personal som stöds av åtta 6-fots 64-bitars datorservrar i en intilliggande byggnad kommer att ägnas åt att avkoda lavinen av dataströmmar från sekvenseringsanläggningarna. Leder analysen är Gene Myers, en expert på mönsteranalys på tjänstledig från University of Arizonas datavetenskapsavdelning.

Utmaningen Myers personal kommer att ställas inför är något som att sätta ihop en komplett bibel från 10 exemplar som har rivits i små bitar. Eftersom sekvenseringsmaskinerna endast kan läsa korta DNA-sträckor måste genomet först delas i mindre bitar. Celera-forskare började med att ta DNA från ett antal mänskliga celler och kemiskt strimla det till miljontals slumpmässiga, överlappande fragment några tusen bokstäver långa. För att behålla ett bibliotek av dessa fragment ympade forskarna in dem i kolonier av E. coli-bakterier. Efter hagelgevärsstrategin kommer Celera sedan att sekvensera 500 bokstäver från varje ände av ett fragment, vilket upprepar processen över hela biblioteket och ger 70 miljoner separata sekvenser.

Myers uppgift är att utveckla algoritmer som kan sätta ihop dessa element när deras kod har lästs. Även om det låter som ett enkelt jobb - ställ bara upp överlappande bokstäver och börja klistra - det är allt annat än. Ta den sönderrivna Bibeln. Vanliga fraser som Du ska inte ... eller Välsignade är de ... skulle göra det mycket svårare att återmontera den goda boken eftersom vissa fragment verkar överlappa när de faktiskt inte gör det. Genomet är på liknande sätt fullproppat med upprepade sekvenser, vissa korta, vissa långa, vissa finns i en miljon exemplar, andra upprepas bara två gånger.

Av den anledningen har forskare som arbetar på det offentligt finansierade Human Genome Project mödosamt kartlagt genomet innan de börjar sekvensera. Ungefär som att ta reda på var Bibelns kapitel tar vägen innan de river sönder sidorna, betyder det att de då måste återmontera många små högar, snarare än en stor. Elbert Branscomb, chef för Department of Energy's Joint Genome Institute, tror att Celeras pussel på 70 miljoner bitar kan vara olösligt. Hur stort problem detta kommer att vara har ingen ens en måttligt god gissning, säger Branscomb.

Myers hävdar att nyckeln till lösningen är att Celeras pusselbitar kommer i par lyfts från ändarna av ett enda fragment, vars totala längd de känner till. Paren, tror han, kommer att begränsa problemet tillräckligt mycket för att komma fram till en unik lösning. Utomstående forskare säger att Celeras strategi skulle vara omöjlig utan de sekvenser som redan utvecklats vid offentligt finansierade labb, men Myers hävdar att pusslet skulle kunna lösas ändå. Yttre information är bara en hjälp, säger han. Om vi ​​skulle göra ett genom som vi inte har några data om, säg bermudagräs, skulle vi kunna göra en fristående operation.

Huruvida Celeras verksamhet representerar förstklassig vetenskap eller inte är fortfarande en fråga för en viss debatt i genomsamhället. Utan tvekan kommer Celeras version av genomet att ha många, många små luckor. En fotokopia, om du så vill, som ger helheten och det mesta av detaljerna, men som kanske inte uppfyller den högtrohetsstandard som Human Genome Project föreställer sig.

Efter genomet

Uppgifterna kommer dock att vara tillräckligt bra för att kunna tas ut på marknaden. Venter har sagt att han kommer att ge bort den råa sekvensen gratis genom att ladda ner den till det offentliga onlineförrådet som kallas GenBank. Så vad finns kvar att sälja? Ganska mycket. Celeras vinster kan till stor del komma från att licensiera till läkemedelsföretag en databas som paketerar sekvensen i en mer tillgänglig form. Läkemedelsföretag kommer att bryta data för gener med medicinska tillämpningar, även om Venter säger att Celera först kommer att hitta och patentera flera hundra gener för sig själv. Celera kommer också att hålla fast vid information om enskilda DNA-bokstäver som varierar mellan personer som kallas singelnukleotidpolymorfismer. Dessa skillnader kan förutsäga en persons mottaglighet för sjukdomar eller för toxiska läkemedelsreaktioner. Och bortom det mänskliga genomet ligger andra. Monsanto, det stora jordbruksföretaget, har redan föreslagit att Celera ska ta sig an risgenomet.

Som Venter gärna påpekar är att avsluta den mänskliga sekvensen helt enkelt början på en ny era där data kan användas för att förbättra människors hälsa. Om Celeras planer fungerar kommer denna postgenomiska epok att vara över oss tidigare än väntat. Faktum är att Celera avancerade tidslinjen för att läsa genomet innan en enda vägg hade slagits ner för fabrikens renovering. Som reaktion på den oväntade konkurrensen har chefer för det offentligt finansierade Human Genome Project meddelat att de nu planerar att slå av hela projektet till 2003, två år tidigare än det ursprungliga schemat krävde. Och år 2001, när Celera har lovat att avslöja sina data, har forskare inom den offentliga sektorn lovat att komma igenom ett fungerande utkast som matchar dem. Offentligt genom eller privat, celeritet är definitivt dagens ordning.

Dölj