De genenfabriek

Op een dag met levendige tinten afgelopen herfst verzamelde een bezorgde groep architecten, aannemers, ingenieurs en wetenschappers zich in de kelder van een gebouw in Rockville, Maryland. Het gebouw zou tegen het einde van het jaar zijn omgebouwd tot de grootste DNA-sequencingfabriek in de Verenigde Staten. wereld, maar de planningsvergadering bevestigde dat de problemen zich opstapelden. De levering van een cruciale stoomgenerator was achtergebleven. En het was niet eens duidelijk dat de muren van het 113.000 vierkante meter grote kantoorgebouw, dat was bezet door een defensie-aannemer maar nu gestript stond, alle leidingen en draden zou bevatten die nodig waren om de nieuwe laboratoria te laten draaien.

De aannemers waren ongemakkelijk, maar als de wetenschappers in de zaal niet overspoelden met sympathie, was dat omdat ze zichzelf een nog grotere taak hadden gesteld met een nog dramatischer tijdschema. De onderzoekers werken voor Celera Genomics Corp., een bedrijf dat afgelopen mei is opgericht en van plan is om tegen 2001 alle 3,5 miljard chemische letters van DNA waaruit menselijke erfelijkheid bestaat, te decoderen. Celera is niet alleen van plan om met vier jaar de streefdatum te halen die oorspronkelijk was vastgesteld door het door de overheid gefinancierde Human Genome Project (dat in 1990 begon), maar ook om de klus te klaren voor een tiende van het prijskaartje van $ 3 miljard van het overheidsproject.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 1999

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Als deze claims van een ander bedrijf zouden komen, zouden ze als schandalig kunnen worden afgedaan. Maar Celera is het kind van Perkin-Elmer, het instrumentbedrijf dat de markt voor geautomatiseerde DNA-sequencingmachines monopoliseert, en J. Craig Venter, de meest controversiële en productieve genoomonderzoeker ter wereld. De partners stemden ermee in om TR een voorproefje te geven van de inhoud van hun ambitieuze plan, en lieten een verslaggever volgen toen de faciliteit van Celera tot stand kwam.

Een groot deel van de wetenschappelijke expertise die Celera aandrijft, is afkomstig van The Institute for Genomic Research (TIGR), een onafhankelijk laboratorium dat Venter in 1992 heeft opgericht. decoderen de genomen van bijna een dozijn bacteriën. Geen enkel ander laboratorium heeft meer DNA-sequentielezingen geproduceerd van de lange reeksen chemische letters die worden aangeduid als A, C, G en T waaruit het DNA-molecuul bestaat. Aan de andere kant is Venter's benadering nog nooit geprobeerd op zoiets groots als het menselijk genoom, dat ongeveer 1000 keer zoveel DNA bevat als je gemiddelde microbe. Het is moeilijk ... om de volledige omvang hiervan te begrijpen, zegt Venter, nu de president van Celera. Ik kan in ieder geval met miljoenen omgaan, omdat ik ze nu de hele tijd uitgeef.

Het geld achter Celera komt van Perkin-Elmer, een instrumentengigant waarvoor het project een dramatische verschuiving is naar het beheersen van gegevens in plaats van alleen het maken en verkopen van apparatuur. De beslissing van functionarissen van het hoofdkantoor van Perkin-Elmer in Norwalk, Conn., om een ​​krachtig nieuw type DNA-sequencer voor zichzelf te laten werken, heeft de biotechnologie-industrie verbijsterd en vergelijkingen getrokken met de stap van Microsoft naar online publiceren. De partners voorzagen de vrees dat ze het genoom zouden kunnen kapen door te beloven de gegevens gratis (maar met een paar kanttekeningen) aan de publieke sector te overhandigen. Tussen de jachtgeweermethode van Venter en de diepe zakken en nieuwe machines van Perkin-Elmer, ziet Celera eruit alsof het zijn naam goed zou kunnen waarmaken: een woordspeling op het woord snelheid, voor snelheid van actie.

Fabrieksrondleiding

Vandaag, vier maanden en vele late nachten na de angstige planningsvergadering, is de genenfabriek voltooid. Het enige teken dat het glazen gebouw het misschien wel 's werelds meest productieve laboratorium voor moleculaire biologie bevat, zijn twee enorme airconditioningunits die in het gras gehurkt zitten. De chillers, te zwaar om bovenop het gebouw te zitten, koelen 1.600 kubieke meter lucht per minuut en leiden deze naar het hart van de faciliteit, waar 257 nieuwe sequencing-machines in geordende rijen zoemen.

De grijze, middelhoge 3700-modelmachines zijn gedurende twee jaar in bijna geheim ontwikkeld door Applied Biosystems, de dochteronderneming van Perkin-Elmer aan de westkust. Slechts één van die machines, zegt Venter, heeft meer sequentiecapaciteit dan veel grote academische laboratoria, waarvan de meeste afhankelijk zijn van een eerder model, de 377. Alles bij elkaar, zo berekent Venter, kan Celera bijna net zoveel DNA op één dag decoderen als alle grote laboratoria die vorig jaar zijn gefinancierd door het Human Genome Project.

Het is wat er in deze nieuwe machines zit dat ze zo snel maakt. Elk bevat 104 glazen haarvaten: holle, haardunne buisjes die de machine automatisch kan vullen met een stroperig polymeer en later kan reinigen met een verdunde oplossing van salpeterzuur. De taak van de sequencer is om DNA-fragmenten op grootte te sorteren. Door een elektrisch veld voortgetrokken, bewegen kleine fragmenten sneller door de buizen dan grote. De haarvaten vervangen omslachtige platen met giftige gel ter grootte van een cafetaria die in eerdere modellen werden gebruikt en die om de paar uur door een ervaren technicus moesten worden vervangen. Gevuld met chemicaliën en meer dan 1.000 DNA-monsters, kan de geautomatiseerde 3700 bijna twee dagen werken zonder menselijke tussenkomst, zegt Mark Adams, de jonge wetenschapper die toezicht houdt op Celera's sequencing-operatie. Op volle capaciteit verwacht Celera elke dag 100 miljoen letters van de DNA-sequentie te lezen.

Meer dan de helft van Celera's personeel - ondersteund door acht 6-voet, 64-bits computerservers in een aangrenzend gebouw - zal zich wijden aan het ontrafelen van de lawine van datastreaming van de sequencing-faciliteiten. De analyse wordt geleid door Gene Myers, een expert op het gebied van patroonanalyse met verlof van de afdeling computerwetenschappen van de Universiteit van Arizona.

De uitdaging waarmee het personeel van Myers wordt geconfronteerd, is zoiets als het opnieuw samenstellen van een complete Bijbel uit 10 exemplaren die in kleine stukjes zijn gescheurd. Omdat de sequencing-machines slechts korte stukjes DNA kunnen lezen, moet het genoom eerst in kleinere stukjes worden opgedeeld. Celera-wetenschappers begonnen met het nemen van DNA uit een aantal menselijke cellen en het chemisch te versnipperen in miljoenen willekeurige, overlappende fragmenten van een paar duizend letters lang. Om een ​​bibliotheek van deze fragmenten bij te houden, hebben de wetenschappers ze geënt in kolonies van E. coli-bacteriën. Volgens de shotgun-strategie zal Celera vervolgens 500 letters van elk uiteinde van een fragment in volgorde zetten, waarbij het proces over de hele bibliotheek wordt herhaald en 70 miljoen afzonderlijke reeksen worden verkregen.

De taak van Myers is om algoritmen te ontwikkelen die deze elementen kunnen assembleren zodra hun code is gelezen. Hoewel het klinkt als een eenvoudige klus - gewoon overlappende letters op een rij zetten en beginnen met plakken - is het allesbehalve. Neem de verscheurde Bijbel. Veelvoorkomende uitdrukkingen zoals Gij zult niet... of gezegend zijn zij... zouden het opnieuw samenstellen van het goede boek veel moeilijker maken omdat sommige fragmenten elkaar lijken te overlappen, terwijl dat in feite niet het geval is. Het genoom zit op dezelfde manier vol met herhaalde sequenties, sommige kort, sommige lang, sommige aanwezig in een miljoen exemplaren, andere slechts twee keer herhaald.

Om die reden hebben wetenschappers die aan het publiek gefinancierde Human Genome Project werkten, het genoom moeizaam in kaart gebracht voordat ze begonnen met sequensen. Ongeveer zoals uitzoeken waar de hoofdstukken van de Bijbel naartoe gaan voordat de pagina's worden verscheurd, betekent dit dat ze dan veel kleine stapels opnieuw moeten samenstellen in plaats van één grote. Elbert Branscomb, directeur van het Joint Genome Institute van het Department of Energy, denkt dat Celera's puzzel van 70 miljoen stukjes onoplosbaar is. Hoeveel van een probleem dit zal zijn, heeft niemand een redelijk goede schatting, zegt Branscomb.

Myers stelt dat de sleutel tot de oplossing is dat Celera's puzzelstukjes in paren komen die uit de uiteinden van een enkel fragment worden getild, waarvan ze de totale lengte kennen. De paren, denkt hij, zullen het probleem voldoende beperken om tot een unieke oplossing te komen. Externe wetenschappers zeggen dat de strategie van Celera onmogelijk zou zijn zonder de sequenties die al zijn ontwikkeld in door de overheid gefinancierde laboratoria, maar Myers beweert dat de puzzel hoe dan ook kan worden opgelost. Externe informatie is slechts een hulpmiddel, zegt hij. Als we een genoom zouden doen waar we geen gegevens over hebben, bijvoorbeeld Bermuda-gras, zouden we een op zichzelf staande operatie kunnen doen.

Of de operatie van Celera al dan niet topwetenschap vertegenwoordigt, is nog steeds een kwestie van enige discussie in de genoomgemeenschap. Zonder twijfel zal Celera's versie van het genoom vele, vele kleine hiaten hebben. Een fotokopie, zo u wilt, die het grote geheel en de meeste details geeft, maar mogelijk niet voldoet aan de high-fidelity-standaard die door het Human Genome Project wordt voorgesteld.

Na het genoom

De gegevens zullen echter goed genoeg zijn om op de markt te brengen. Venter heeft gezegd dat hij de onbewerkte reeks gratis zal weggeven door deze te downloaden naar de online openbare repository die bekend staat als GenBank. Dus wat valt er nog te verkopen? Best veel. De winst van Celera kan grotendeels afkomstig zijn van licenties aan farmaceutische bedrijven, een database die de reeks in een meer toegankelijke vorm verpakt. Geneesmiddelenbedrijven zullen de gegevens voor genen ontginnen met medische toepassingen, hoewel Venter zegt dat Celera eerst enkele honderden genen voor zichzelf zal vinden en patenteren. Celera zal ook informatie vasthouden over enkele DNA-letters die variëren tussen mensen, genaamd single nucleotide polymorphisms. Deze verschillen kunnen de gevoeligheid van een persoon voor ziekten of toxische geneesmiddelenreacties voorspellen. En buiten het menselijk genoom liggen andere. Monsanto, het grote landbouwconcern, heeft al gesuggereerd dat Celera het rijstgenoom overneemt.

Zoals Venter graag aangeeft, is het voltooien van de menselijke reeks gewoon het begin van een nieuw tijdperk waarin de gegevens kunnen worden gebruikt om de menselijke gezondheid te verbeteren. Als de plannen van Celera uitkomen, zal dit post-genomische tijdperk eerder dan verwacht komen. Celera heeft zelfs de tijdlijn voor het uitlezen van het genoom naar voren gehaald voordat er een enkele muur was neergehaald voor de renovatie van de fabriek. Als reactie op de onverwachte concurrentie hebben directeuren van het door de overheid gefinancierde Human Genome Project aangekondigd dat ze nu van plan zijn om het hele project tegen 2003 af te blazen, twee jaar eerder dan het oorspronkelijke schema vereiste. En tegen 2001, toen Celera heeft beloofd zijn gegevens bekend te maken, hebben wetenschappers uit de publieke sector gezworen om met een werkend ontwerp te komen om het te evenaren. Publiek genoom of privé, snelheid is zeker aan de orde van de dag.

zich verstoppen