Nästa biotekniska skörd

Vid första anblicken verkar en åldrande industridel i Cambridge, Massachusetts, vara en udda plats att leta efter framtidens jordbruk. De enda växterna är ogräs längs järnvägsspåren och välskötta buskar och träd som prickar ingångarna till de högteknologiska företagen som föryngrar området. Förenta staternas jordbrukskärna ligger tusen mil bort.

Och du hittar inga växthus eller krukor med experimentella växter i Cereon Genomics. Det ser ut som vilket molekylärgenetik som helst. Tekniker förbereder streckkodade prover; i närheten bildar rader av sofistikerade instrument som ursprungligen utvecklades för att sekvensera mänskliga gener en höghastighetstillverkningslinje. Skillnaden är att råvarorna för den här genfabriken ofta är bitar av växter, och produkten är information om växtens DNA - deras genetiska ritningar.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 1998

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Från sitt hörnkontor höjer Roger Wiegand på ögonbrynen mot den automatiserade utrustningen bakom honom. Wiegand är Cereons chef för genomikteknologi - vetenskapen om att identifiera gener och deras funktioner. Det kanske inte finns någon grönska runt omkring, men för en mångårig molekylärbiolog, säger Wiegand, är det att driva Cereons labb som att vara ett barn i en godisfabrik.

Spänningen är baserad på övertygelsen om att geninformationen som skördas vid Cereon - och vid andra växtgenomiska laboratorier som växer fram runt om i världen - kommer att hjälpa till att skapa en bioteknisk omvandling av jordbruket. Monsanto, den St. Louis-baserade jordbruks- och läkemedelsjätten, åtog sig i slutet av förra året att spendera över 200 miljoner dollar för att skapa Cereon, ett helägt dotterbolag som det bildade i en allians med genjägaren Millennium Pharmaceuticals. Affären är ett av de djärvaste stegen i Monsantos omvandling till ett biovetenskapsföretag. (I juni tillkännagav Monsanto att de planerar att gå samman med American Home Products.) Och det återspeglar det före detta kemiföretagets djupa övertygelse om att det kan utnyttja den växande kunskapen om gener till stora företag – och på så sätt förändra hur bönder och konsumenter tänker på växter.

Andra företag delar denna vision. Flera andra kemi- och läkemedelsjättar, särskilt DuPont och Novartis (det schweiziska företaget som är ett resultat av sammanslagningen av Ciba och Sandoz 1996), har plöjt in miljarder i drömmen. Om dessa företag har rätt kommer bönderna inom fem år att plantera bomull som är naturligt färgad för att minska behovet av färgning, samt grödor som innehåller plast. Odlare kommer att vara beväpnade med högre avkastning, insektsresistenta grödor. Konsumenterna kommer att hämta hälsosammare och mer näringsrika livsmedel från stormarknadshyllorna som kommer från genetiskt modifierade växter. Längre fram i framtiden kommer barn att få vaccin genom bananer eller andra livsmedel, och undvika skräcken från nålar (se Göra nålar onödiga ,).

Fabriker på fälten

de första transgena grödorna planterades i stor skala i USA för två år sedan och har snabbt slagit rot i ekonomin. I år kommer genetiskt förändrade växter att utgöra cirka 15 procent av den amerikanska majsskörden, cirka 30 procent av sojaskörden och mer än hälften av produktionen av bomull. Denna första generation föddes genom det relativt enkla tricket att infoga en gen från en bakterie i en växt för att producera en enda egenskap; Resultaten av sådant arbete inkluderar majs och bomull som är resistenta mot specifika skadedjur, samt grödor som tål flera typer av herbicider.

Även om detta blygsamma genetiska mixtrande kan tyckas vara något mindre än en bioteknisk revolution, har biotekniska grödor tagit bönderna med storm. Människor är förvånade över hur viktiga de första generna har varit, säger Anthony Cavalieri, vicepresident på Des Moines-baserade Pioneer Hi-Bred International, en ledande säljare av frön och affärspartner med DuPont. Och det här är bara framkanten. Det kan vara grundläggande för hur hela jordbrukssektorn fungerar.

Faktum är att den verkliga utdelningen förväntas komma under de närmaste åren när växtbiologer börjar inte bara infoga fler gener i växter utan också att rita om de genetiska ritningarna - och omdirigera de metaboliska vägarna - för många vanliga grödor. Visionen är att koppla om växter till billiga produktionsenheter som kan odla allt från modifierade livsmedel till mänskliga vacciner till råvarukemikalier. Belöningen för att konstruera dessa produktionsegenskaper i växter? Enligt John Pierce, DuPonts chef för upptäcktsforskning inom jordbruket, kan det innebära att få en del av industri- och livsmedelsmarknaderna värda 500 miljarder dollar per år.

Även för jätteföretag är det inte småpotatis. Monsanto, för en, arbetar på en potatis med hög fast substans, samt raps och sojabönor med modifierat oljeinnehåll. En stam av raps, till exempel, är rik på betakaroten för att bekämpa A-vitaminbrist, vilket fortfarande är ett problem i många utvecklingsländer.

Under de kommande åren räknar DuPont med att börja marknadsföra frön för sojabönor med modifierad olja såväl som sojabönor med hög sackaros. Tillsammans med sin partner Pioneer har DuPont ett halvdussin biotekniska grödor som närmar sig kommersialisering och förväntar sig att introducera växter med flera egenskaper staplade tillsammans. Företaget arbetar också med grödor med hög proteinhalt och hög olja för djurfoder (cirka 80 procent av amerikansk majs utfodras till djur).

Mat för människor och husdjur är big business. Men en ännu mer lukrativ belöning kan så småningom komma från att odla biotekniska grödor som gör högt värderade material och industriprodukter direkt i anläggningen. Varför göra syntetiska färgämnen för bomull med hjälp av mycket giftiga kemikalier, går tanken, när växterna själva kunde genetiskt modifieras för att producera färgade fibrer? Varför inte förvandla växter till kemiska fabriker?

Växtbiologer vid Monsanto och ett företag i Cambridge, Massachusetts, som heter Metabolix, arbetar separat med en plast som odlas i växter som kan vara redo för bönder redan 2002. Prodigene, en två år gammal College Station, Tex., spin-off från Pioneer, säljer redan industriella enzymer odlade i transgen majs och utvecklar andra proteinbaserade industriprodukter. Andra labb försöker skapa växter som producerar specialoljor som kan fungera som nya industriella ingredienser för beläggningar och smörjmedel. På ritbordet finns också växtbaserade ätbara vacciner mot sjukdomar som hepatit och diarré.

Genom att mixtra med geners kontroll och aktivitet kan du göra nästan allt i växter, säger David Wheat, en mångårig växtbioteknikkonsult och president för Boston-baserade Bowditch Group. Genom att förstå hur en organism fungerar på molekylär nivå kan du designa nya typer av produkter - kanske till och med göra produkter du aldrig sett förut.

Enkel aritmetik

Utsikterna inom jordbruksbioteknik är tillräckligt lockande för att de hjälper till att driva på en massiv omstrukturering av jordbruks- och kemiska industrier som i vissa fall suddar ut gränserna mellan de två (se Sådd en ny industri, sidofältet). Monsanto och DuPont, i synnerhet, har grävt djupt i de nya möjligheterna, genom att sluka upp fröleverantörer och nystartade företag inom växtbioteknik. Till stor del driven av bioteknikens potential dumpade Monsanto förra året utan ceremonier sin kemikalieverksamhet och anammade biologi som framtidens våg. I sin tur omorganiserade DuPont i vår och bildade en biovetenskapsgrupp (som inkluderar dess jordbruks-, läkemedels- och bioteknikaktiviteter) och deklarerade att dess framtida tillväxt ligger i integrationen av kemi och bioteknik.

Även fasta Dow Chemical, den enorma kemikalietillverkaren, har bekänt sin önskan att vara en ledande bioteknikaktör, med inriktning på utvecklingen av plaster och industrikemikalier. Det är en teknik vars tid har kommit, säger Fernand Kaufmann, Dows vice vd för nya företag och strategisk utveckling. Kaufmann varnar dock för att det kommer att ta tid för växtodlade kemikalier att göra ett intryck på de enorma råvarumarknaderna, som domineras av produkter gjorda av petroleum.

DNA-databaser

under de närmaste åren kommer storskalig produktion av plast att finnas kvar i fabriken, inte på fältet. Även i DuPonts mest avancerade forskningsprojekt för växtbaserade material, erkänner Irland, håller forskare fortfarande på att reda ut de enzymatiska vägarna samtidigt som de utvecklar all polymerkemi. Ingen förstår riktigt hur man kontrollerar och reglerar växtgenuttryck.

Men om växtgenomiken fortsätter att accelerera i sin nuvarande takt kan det bli mycket lättare att nå det målet. De vanligaste grödorna har en stor mängd DNA och cirka 50 000 gener - ungefär hälften av antalet hos människor. Men med hjälp av snabba, automatiserade maskiner finslipade för att reda ut det mänskliga genomet, identifierar växtgenetiker gener snabbare än vad botaniker vet hur man odlar dem.

Scott Tingey, chef för DuPonts genomikprogram, säger att tekniken har haft en djupgående inverkan på området. För några år sedan tog det två manår att klona en växtgen, säger Tingey. Ungefär hälften av tiden var du framgångsrik, den andra hälften föll du på ansiktet. Idag är livet väldigt annorlunda. Under de senaste två åren har DuPont skapat en databas med DNA-sekvenser för majs, sojabönor, vete och ris. Det eliminerar den tråkiga genupptäcksprocessen. Det är inte längre det hastighetsbegränsande steget i ett projekt, förklarar Tingey.

Biologer räknar med att slutföra sekvenseringen av Arabidopsis (ett ogräs som är den primära genetiska modellen för växtgenetik) år 2000, som ett resultat av ett internationellt samarbete som inleddes 1989. Det kan vara avgörande eftersom alla blommande växter har i princip samma uppsättning gener . Inom de kommande fem åren kommer vi att känna till funktionen hos alla växtgener på någon nivå, förutspår Stanfords Somerville. Det är en stor förändring. Vi kommer att ha mycket bättre förutsättningar att göra rationella förbättringar i växter.

Tillbaka på nybildade Cereon är ett mål att förvandla sekvenseringen av intressant genetiskt material till en rutinmässig produktionslinje med hög genomströmning. I synnerhet vill företaget påskynda processen att hitta en DNA-sekvens som är ansvarig för en specifik fenotyp, eller fysisk egenskap. Vi sätter upp system som gör det möjligt för molekylärgenetiker att gå från en fenotyp av intresse till att ha en klonad gen, och veta sekvensen för den egenskapen, på mycket kort tid, säger Cereons president William Timberlake. Det tar nu år att komma åt några av dessa gener, förklarar Timberlake. Vi skulle vilja minska det till veckor eller månader.

Men att samla in all den geninformationen är bara det första steget. Oliver Peoples, medgrundare av Metabolix, förklarar: Vad gör man med all geninformation från genomik? Du börjar konstruera vägar för att optimera flödet av kol. Det är slutanvändningen av genomik - det är det ultimata pusslet. Drömmen är med andra ord att kontrollera hela ämnesomsättningen hos en växt.

Företag som har för avsikt att förvandla växter till fabriker arbetar med några preliminära steg. DuPont har för avsikt att vässa sina biologikunskaper genom att göra en plastmellanprodukt av socker med hjälp av genetiskt modifierade mikrober i en jäsningsprocess. Mellanprodukten är nyckelingrediensen i en ny polymer som skulle kunna konkurrera med nylon, och företaget planerar att ha en småskalig produktionsanläggning igång i slutet av 2000. Det kommer att vara DuPonts första försök med en biologiskt baserad produktionsprocess, och, säger Dorsch, det kommer att vägleda företagets planer för att använda biologi för att tillverka material.

Mot en vägg på Dorschs kontor finns ett diagram som kartlägger de metaboliska vägarna i en bakterie. Det liknar ett flödesdiagram för kemiteknik - den typ du ser överallt på DuPont - det är bara mycket mer komplext. Tanken, säger Dorsch, är att dra fördel av de naturliga flödena av kol i organismen och att konstruera subtila förändringar som gör att du kan suga bort en önskad produkt. Organismer är redan inställda för att fungera mycket bra. Om du försöker flytta en betydande del av kolet genom en annan väg, kommer du mot att behöva helt omkonstruera odjuret. Jag tror inte att vi är så djärva att tro att det är något som kommer att hända snart. Han tillägger snabbt, men vi kanske kommer dit.

DuPonts forskningslaboratorier i utkanten av Wilmington, Del., är helig mark för polymerforskare och kemister. De är noll för modern amerikansk industriell kemi, platsen där nylon uppfanns. Och petroleumbaserad kemi har länge regerat här. Nu, säger Irland, återupplivar biologin forskningen. Polymerkemisterna är entusiastiska över det eftersom de ser möjligheterna som ligger i vetenskapen. Biologerna är exalterade eftersom de ser möjligheten att använda sina talanger för att tjäna mycket pengar för företaget.

Höga destillationskolonner är fortfarande vanligare än sädesfält i Wilmington. Men om DuPont och dess rivaler är framgångsrika kan klyftan mellan jordbruksmarknaderna och den kemiska industrin snart vara på väg att sluta. Klyftan mellan industriell kemi och biologi har faktiskt redan gjort det.

Dölj