De volgende biotech-oogst

Op het eerste gezicht lijkt een verouderd industrieel gedeelte van Cambridge, Massachusetts, een vreemde plek om naar de toekomst van de landbouw te kijken. De enige planten zijn onkruid langs de spoorlijn en goed onderhouden struiken en bomen die de ingangen sieren van de hightechbedrijven die het gebied verjongen. Het agrarische hart van de Verenigde Staten ligt op duizend mijl afstand.

En in Cereon Genomics vind je geen kassen of potten met experimentele planten. Het lijkt op elk ander laboratorium voor moleculair genetica. Technici bereiden monsters met streepjescode voor; in de buurt vormen rijen geavanceerde instrumenten die oorspronkelijk waren ontwikkeld voor het sequencen van menselijke genen een hogesnelheidsproductielijn. Het verschil is dat de grondstoffen voor deze genenfabriek vaak fragmenten van planten zijn, en het product informatie is over het DNA van de plant, hun genetische blauwdrukken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 1998

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Vanuit zijn hoekkantoor trekt Roger Wiegand zijn wenkbrauwen op naar de geautomatiseerde apparatuur achter hem. Wiegand is Cereon's directeur van genomics-technologie - de wetenschap van het identificeren van genen en hun functies. Er is misschien geen groen in de buurt, maar voor een oude moleculair bioloog, zegt Wiegand, is het runnen van Cereons laboratorium als een kind in een snoepfabriek.

De opwinding is gebaseerd op de overtuiging dat de geninformatie die wordt verzameld in Cereon - en in andere laboratoria voor plantgenomica die over de hele wereld ontkiemen - zal bijdragen aan een biotechnologische transformatie van de landbouw. Monsanto, de in St. Louis gevestigde landbouw- en farmaceutische gigant, beloofde eind vorig jaar meer dan $ 200 miljoen te besteden aan de oprichting van Cereon, een volledige dochteronderneming die het vormde in een alliantie met genenjager Millennium Pharmaceuticals. De deal is een van de meest gewaagde stappen in Monsanto's make-over tot een life sciences-bedrijf. (In juni kondigde Monsanto plannen aan om te fuseren met American Home Products.) En het weerspiegelt de diepgewortelde overtuiging van het voormalige chemiebedrijf dat het de groeiende kennis van genen in grote bedrijven kan gebruiken - en zo de manier waarop boeren en consumenten denken over planten.

Andere bedrijven delen deze visie. Verscheidene andere chemie- en drugsgiganten, met name DuPont en Novartis (het Zwitserse bedrijf dat voortkwam uit de fusie van Ciba en Sandoz in 1996), hebben miljarden in de droom geploegd. Als deze bedrijven gelijk hebben, zullen boeren binnen vijf jaar katoen planten dat natuurlijk gekleurd is om de noodzaak voor verven te verminderen, evenals gewassen die plastic bevatten. Telers zullen worden bewapend met gewassen die beter bestand zijn tegen insecten. Consumenten zullen gezonder en voedzamer voedsel uit de schappen van de supermarkt halen dat afkomstig is van genetisch gemodificeerde planten. Verderop in de toekomst zullen kinderen vaccins krijgen via bananen of ander voedsel, waardoor de angst voor naalden wordt vermeden (zie Naalden onnodig maken,).

Fabrieken in de velden

de eerste transgene gewassen zijn twee jaar geleden op grote schaal geplant in de Verenigde Staten en hebben snel wortel geschoten in de economie. Dit jaar zullen genetisch gewijzigde planten ongeveer 15 procent uitmaken van de Amerikaanse maïsoogst, ongeveer 30 procent van de sojabonenoogst en meer dan de helft van de productie van katoen. Deze eerste generatie werd verwekt door de relatief eenvoudige truc om een ​​gen van een bacterie in een plant in te voegen om een ​​enkele eigenschap te produceren; de resultaten van dergelijk werk omvatten maïs en katoen die resistent zijn tegen specifieke plagen, evenals gewassen die verschillende soorten herbiciden tolereren.

Hoewel dit bescheiden genetische knutselen misschien niet veel lijkt op een biotech-revolutie, hebben biotechnologische gewassen de boeren stormenderhand veroverd. Mensen zijn verbaasd over hoe belangrijk de eerste paar genen zijn geweest, zegt Anthony Cavalieri, vice-president bij Pioneer Hi-Bred International uit Des Moines, een toonaangevende verkoper van zaden en een zakenpartner van DuPont. En dit is nog maar de voorkant. Het zou fundamenteel kunnen zijn voor hoe de hele landbouwsector werkt.

Inderdaad, de echte uitbetaling zal naar verwachting in de komende jaren komen, aangezien plantenbiologen niet alleen meer genen in planten beginnen in te voegen, maar ook de genetische blauwdrukken opnieuw tekenen - en de metabolische routes ombuigen - van veel gewone gewassen. De visie is om fabrieken om te bouwen tot goedkope productie-eenheden die alles kunnen verbouwen, van gemodificeerd voedsel tot menselijke vaccins tot basischemicaliën. De beloning voor het engineeren van deze outputkenmerken in planten? Volgens John Pierce, hoofd ontdekkingsonderzoek in de landbouw bij DuPont, zou dit kunnen betekenen dat er een stuk industriële en voedselmarkten ter waarde van $ 500 miljard per jaar wordt verkregen.

Zelfs voor gigantische bedrijven zijn dit geen kleine aardappelen. Zo werkt Monsanto aan een high-solid aardappel, maar ook aan koolzaad en sojabonen met een gemodificeerd oliegehalte. Eén soort canola is bijvoorbeeld rijk aan bètacaroteen om vitamine A-tekort te bestrijden, wat in veel ontwikkelingslanden nog steeds een probleem is.

In de komende jaren verwacht DuPont te beginnen met het op de markt brengen van zaden voor sojabonen met gemodificeerde olie en sojabonen met een hoog sucrosegehalte. In samenwerking met zijn partner Pioneer heeft DuPont een half dozijn biotech-gewassen die de commercialisering naderen en verwacht het planten te introduceren met verschillende eigenschappen op elkaar gestapeld. Het bedrijf werkt ook aan eiwitrijke en olierijke gewassen voor diervoeders (ongeveer 80 procent van de Amerikaanse maïs wordt aan dieren gevoerd).

Voedsel voor mens en landbouwhuisdier is big business. Maar een nog lucratievere premie zou uiteindelijk kunnen komen van het telen van biotechgewassen die hooggewaardeerde materialen en industriële producten rechtstreeks in de plant maken. Waarom synthetische kleurstoffen voor katoen maken met behulp van zeer giftige chemicaliën, zo denkt men, als de planten zelf genetisch kunnen worden gemanipuleerd om gekleurde vezels te produceren? Waarom geen fabrieken ombouwen tot chemische fabrieken?

Plantbiologen van Monsanto en een start-up uit Cambridge, Mass., genaamd Metabolix, werken afzonderlijk aan een plastic dat in planten wordt gekweekt en dat al in 2002 klaar zou kunnen zijn voor boeren. Prodigene, een twee jaar oud College Station, Tex., spin-off van Pioneer, verkoopt al industriële enzymen die zijn gekweekt in transgene maïs en ontwikkelt andere op eiwit gebaseerde industriële producten. Andere laboratoria proberen fabrieken te creëren die speciale oliën produceren die kunnen dienen als nieuwe industriële ingrediënten voor coatings en smeermiddelen. Op de tekentafel liggen ook plantaardige eetbare vaccins voor ziekten als hepatitis en diarree.

Door te sleutelen aan de controle en activiteit van genen, kun je zo ongeveer alles in planten maken, zegt David Wheat, een lange tijd plantbiotech-consulent en president van de Bowditch Group uit Boston. Door te begrijpen hoe een organisme op moleculair niveau werkt, kun je nieuwe soorten producten ontwerpen - misschien zelfs producten maken die je nog nooit eerder hebt gezien.

Eenvoudige rekenkunde

De vooruitzichten op het gebied van agrarische biotechnologie zijn zo verleidelijk dat ze bijdragen aan een massale herstructurering van de landbouw- en chemische industrie, waardoor in sommige gevallen de scheidslijn tussen de twee vervaagt (zie Seeding a New Industry, zijbalk). Vooral Monsanto en DuPont hebben diep in de nieuwe kansen gegraven en hebben zaadleveranciers en startende biotechbedrijven opgeslokt. Voornamelijk gedreven door het potentieel van biotech, heeft Monsanto vorig jaar zonder pardon zijn chemische activiteiten gedumpt en de biologie omarmd als de golf van de toekomst. Op zijn beurt reorganiseerde DuPont dit voorjaar en vormde het een life sciences-groep (die zijn landbouw-, geneesmiddelen- en biotech-activiteiten omvat) en verklaarde dat zijn toekomstige groei ligt in de integratie van chemie en biotechnologie.

Zelfs de standvastige Dow Chemical, de enorme fabrikant van chemicaliën, heeft de wens geuit om een ​​toonaangevende biotech-speler te zijn, gericht op de ontwikkeling van kunststoffen en industriële chemicaliën. Het is een technologie waarvoor de tijd rijp is, zegt Fernand Kaufmann, Dow's vice-president van nieuwe bedrijven en strategische ontwikkeling. Kaufmann waarschuwt echter dat het enige tijd zal duren voordat plantaardige chemicaliën een deuk zullen hebben in de enorme grondstoffenmarkten, die worden gedomineerd door producten gemaakt van aardolie.

DNA-databases

de komende jaren blijft de grootschalige productie van plastic in de fabriek, niet in het veld. Zelfs in de meest geavanceerde onderzoeksprojecten van DuPont voor plantaardige materialen, geeft Ierland toe, zijn wetenschappers nog steeds bezig met het ontrafelen van de enzymatische paden terwijl ze tegelijkertijd alle polymeerchemie ontwikkelen. Niemand begrijpt echt hoe de genexpressie van planten kan worden gecontroleerd en gereguleerd.

Maar als plantgenomics in het huidige tempo blijft versnellen, kan het veel gemakkelijker worden om dat doel te bereiken. De meest voorkomende gewassen hebben een grote hoeveelheid DNA en ongeveer 50.000 genen - ongeveer de helft van het aantal bij mensen. Maar met behulp van snelle, geautomatiseerde machines die zijn aangescherpt voor het ontrafelen van het menselijk genoom, identificeren plantengenetici genen sneller dan botanici weten hoe ze ze moeten cultiveren.

Scott Tingey, directeur van het genomics-programma van DuPont, zegt dat technologie een grote impact heeft gehad op het veld. Een paar jaar geleden kostte het twee manjaren om een ​​plantengen te klonen, zegt Tingey. Ongeveer de helft van de tijd was je succesvol, de andere helft viel je op je gezicht. Tegenwoordig is het leven heel anders. In de afgelopen twee jaar heeft DuPont een database gemaakt met DNA-sequenties voor maïs, sojabonen, tarwe en rijst. Het elimineert het vervelende proces van genontdekking. Dat is niet langer de snelheidsbeperkende stap in een project, legt Tingey uit.

Biologen verwachten de sequencing van Arabidopsis (een onkruid dat het primaire genetische model voor plantengenetica is) in 2000 te voltooien, als resultaat van een internationale samenwerking die in 1989 begon. Dat kan cruciaal zijn omdat alle bloeiende planten in wezen dezelfde genenset hebben . Binnen de komende vijf jaar zullen we op een bepaald niveau de functie van alle plantengenen kennen, voorspelt Stanford's Somerville. Het is een grote verandering. We zullen veel beter in staat zijn om rationele verbeteringen in fabrieken aan te brengen.

Terug bij het nieuw gevormde Cereon, is een van de doelen om de sequencing van interessant genetisch materiaal om te zetten in een routinematige productielijn met hoge doorvoer. Het bedrijf wil met name het proces versnellen om een ​​DNA-sequentie te vinden die verantwoordelijk is voor een specifiek fenotype of fysieke eigenschap. We zijn systemen aan het opzetten waarmee moleculair genetici in zeer korte tijd van een interessant fenotype naar een gekloond gen kunnen gaan en de volgorde voor die eigenschap kennen, zegt Cereon-president William Timberlake. Het duurt nu jaren om bij sommige van deze genen te komen, legt Timberlake uit. Dat willen we terugbrengen naar weken of maanden.

Maar het verzamelen van al die geninformatie is slechts de eerste stap. Oliver Peoples, medeoprichter van Metabolix, legt uit: Wat doe je met alle geninformatie uit genomics? Je begint paden te ontwerpen om de koolstofstroom te optimaliseren. Het is het eindgebruik van genomica - het is de ultieme legpuzzel. Met andere woorden, de droom is om het hele metabolisme van een plant te beheersen.

Bedrijven die van plan zijn om van gewassen fabrieken te maken, werken aan enkele voorbereidende stappen. DuPont is van plan zijn biologievaardigheden aan te scherpen door een plastic tussenproduct te maken van suiker met behulp van genetisch gemanipuleerde microben in een fermentatieproces. Het tussenproduct is het belangrijkste ingrediënt in een nieuw polymeer dat zou kunnen concurreren met nylon, en het bedrijf is van plan om eind 2000 een kleinschalige productiefaciliteit in gebruik te hebben. Het zal DuPonts eerste poging zijn tot een biologisch gebaseerd productieproces, en, zegt Dorsch, het zal de plannen van het bedrijf sturen voor het gebruik van biologie om materialen te maken.

Tegen een muur van het kantoor van Dorsch staat een diagram dat de metabole routes in een bacterie in kaart brengt. Het lijkt op een stroomdiagram van chemische technologie - het soort dat je overal bij DuPont ziet - alleen is het veel complexer. Het idee, zegt Dorsch, is om te profiteren van de natuurlijke koolstofstromen in het organisme en om subtiele veranderingen door te voeren waarmee je een gewenst product kunt overhevelen. Organismen zijn al afgesteld om heel goed te werken. Als je een aanzienlijk deel van de koolstof via een ander pad probeert te verplaatsen, krijg je de neiging om het beest volledig opnieuw te ontwerpen. Ik denk niet dat we zo gedurfd zijn om te geloven dat dit iets is dat binnenkort zal gebeuren. Hij voegt er snel aan toe: Maar misschien komen we er wel.

De onderzoekslaboratoria van DuPont aan de rand van Wilmington, Del., zijn heilige grond voor polymeerwetenschappers en chemici. Ze zijn de nul voor de moderne Amerikaanse industriële chemie, de plaats waar nylon werd uitgevonden. En op petroleum gebaseerde chemie heeft hier lang geregeerd. Nu, zegt Ierland, blaast de biologie het onderzoek nieuw leven in. De polymeerchemici zijn er enthousiast over omdat ze de mogelijkheden zien die inherent zijn aan de wetenschap. De biologen zijn enthousiast omdat ze de mogelijkheid zien om hun talenten te gebruiken om veel geld te verdienen voor het bedrijf.

Torenhoge destillatiekolommen komen nog steeds vaker voor dan korenvelden in Wilmington. Maar als DuPont en zijn rivalen succesvol zijn, kan de kloof tussen de landbouwmarkten en de chemische industrie binnenkort worden gedicht. Inderdaad, de kloof tussen industriële chemie en biologie is er al.

zich verstoppen