La fabbrica dei geni

In una giornata dai colori vivaci lo scorso autunno, un ansioso gruppo di architetti, imprenditori, ingegneri e scienziati si è riunito nel seminterrato di un edificio a Rockville, nel Maryland. La struttura avrebbe dovuto essere convertita entro la fine dell'anno nella più grande fabbrica di sequenziamento del DNA del mondo, ma la riunione di pianificazione ha confermato che i problemi si stavano accumulando. La consegna di un cruciale generatore di vapore era rimasta indietro. E non era nemmeno chiaro che le pareti dell'edificio per uffici di 113.000 piedi quadrati, che era stato occupato da un appaltatore della difesa ma ora era sventrato, avrebbero ospitato tutti i tubi e i cavi necessari per far funzionare i nuovi laboratori.





Gli appaltatori erano a disagio, ma se gli scienziati presenti nella stanza non traboccavano di simpatia, era perché si erano dati un compito ancora più grande con una tempistica ancora più drammatica. I ricercatori lavorano per Celera Genomics Corp., una società costituita lo scorso maggio con l'intenzione di decodificare entro il 2001 tutti i 3,5 miliardi di lettere chimiche del DNA che costituiscono l'eredità umana. Celera intende non solo battere di quattro anni la data obiettivo originariamente fissata dal Progetto Genoma Umano finanziato con fondi pubblici (iniziato nel 1990), ma anche finire il lavoro per un decimo del prezzo di $ 3 miliardi del progetto governativo.

Gli occhi di Dio in vendita

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 1999

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Se queste affermazioni provenissero da un'altra società, potrebbero essere respinte come oltraggiose. Ma Celera è figlia di Perkin-Elmer, la società di strumenti che monopolizza il mercato delle macchine automatizzate per il sequenziamento del DNA, e di J. Craig Venter, il ricercatore di genomi più controverso e produttivo al mondo. I partner hanno deciso di dare a TR un'anteprima della sostanza alla base del loro ambizioso piano e hanno permesso a un giornalista di seguire la costruzione della struttura di Celera.



Gran parte dell'esperienza scientifica che alimenta Celera proviene dall'Institute for Genomic Research (TIGR), un laboratorio indipendente di Venter fondato nel 1992. Al TIGR, sempre a Rockville, lo staff di Venter ha impiegato un metodo a fuoco rapido noto come approccio casuale del fucile a decodificare i genomi di quasi una dozzina di batteri. Nessun altro laboratorio ha prodotto più letture della sequenza del DNA delle lunghe stringhe di lettere chimiche designate A, C, G e T che compongono la molecola del DNA. Poi di nuovo, l'approccio di Venter non è mai stato provato su qualcosa di grande quanto il genoma umano, che contiene circa 1.000 volte più DNA del tuo microbo medio. È difficile... afferrare l'intera scala di questo, afferma Venter, ora presidente di Celera. Posso trattare con milioni, almeno, perché li spendo tutto il tempo ora.

I soldi dietro Celera provengono da Perkin-Elmer, un gigante degli strumenti per il quale il progetto è un cambiamento drammatico verso il controllo dei dati piuttosto che solo la produzione e la vendita di apparecchiature. La decisione dei funzionari del quartier generale di Perkin-Elmer a Norwalk, Connecticut, di mettere in funzione un nuovo potente tipo di sequenziatore del DNA ha sbalordito l'industria delle biotecnologie e ha fatto paragoni con il passaggio di Microsoft all'editoria online. I partner hanno anticipato i timori di dirottare il genoma promettendo di consegnare i dati gratuitamente (ma con alcune avvertenze) al settore pubblico. Tra il metodo shotgun di Venter e le tasche profonde e le nuove macchine di Perkin-Elmer, Celera sembra essere all'altezza del suo nome: un gioco di parole celerità, per rapidità d'azione.

Giro della fabbrica



Oggi, quattro mesi e molte notti dopo la riunione di pianificazione lacerata dall'ansia, la fabbrica di geni è completa. L'unico segno che l'edificio di vetro contiene quello che è probabilmente il laboratorio di biologia molecolare più prolifico del mondo sono due enormi unità di condizionamento dell'aria accovacciate nell'erba. I refrigeratori, troppo pesanti per stare in cima all'edificio, raffreddano 1.600 metri cubi di aria al minuto e la convogliano nel cuore della struttura, dove 257 nuove macchine di sequenziamento ronzano in file ordinate.

Le macchine grigie, modello 3700 all'altezza della vita, sono state sviluppate in due anni quasi in segreto dalla filiale della West Coast di Perkin-Elmer, Applied Biosystems. Solo una di quelle macchine, dice Venter, ha più capacità di sequenziamento di molti grandi laboratori accademici, la maggior parte dei quali si basa su un modello precedente chiamato 377. Complessivamente, calcola Venter, Celera può decodificare quasi la stessa quantità di DNA in un giorno come tutti i principali laboratori finanziati dal Progetto Genoma Umano prodotto lo scorso anno.

È il contenuto di queste nuove macchine che le rende così veloci. Ciascuno contiene 104 capillari di vetro: tubi cavi sottilissimi che la macchina può riempire automaticamente con un polimero sciropposo e successivamente pulire con una soluzione diluita di acido nitrico. Il compito del sequenziatore è ordinare i frammenti di DNA per dimensione. Spinti da un campo elettrico, i piccoli frammenti si muovono attraverso i tubi più velocemente di quelli grandi. I capillari sostituiscono ingombranti lastre di gel tossico delle dimensioni di un vassoio da mensa utilizzate nei modelli precedenti, che dovevano essere cambiate da un tecnico specializzato ogni poche ore. Rifornito di sostanze chimiche e più di 1.000 campioni di DNA, il 3700 automatizzato può funzionare per quasi due giorni senza intervento umano, afferma Mark Adams, il giovane scienziato che supervisiona l'operazione di sequenziamento di Celera. A pieno regime, Celera prevede di leggere 100 milioni di lettere della sequenza del DNA ogni giorno.



Più della metà del personale di Celera, supportato da otto server da 6 piedi e 64 bit situati in un edificio adiacente, sarà dedicato a riordinare la valanga di dati in streaming dalle strutture di sequenziamento. A guidare l'analisi è Gene Myers, un esperto di analisi dei modelli in congedo dal dipartimento di informatica dell'Università dell'Arizona.

La sfida che lo staff di Myers dovrà affrontare è qualcosa come riassemblare una Bibbia completa da 10 copie che sono state strappate in piccoli pezzi. Poiché le macchine per il sequenziamento possono leggere solo brevi tratti di DNA, il genoma deve prima essere suddiviso in pezzi più piccoli. Gli scienziati di Celera hanno iniziato prendendo il DNA da un certo numero di cellule umane e triturandolo chimicamente in milioni di frammenti casuali e sovrapposti lunghi poche migliaia di lettere. Per mantenere una libreria di questi frammenti, gli scienziati li hanno innestati in colonie di batteri E. coli. Seguendo la strategia del fucile a pompa, Celera metterà in sequenza 500 lettere da ciascuna estremità di un frammento, ripetendo il processo attraverso l'intera libreria producendo 70 milioni di sequenze separate.

Il compito di Myers è sviluppare algoritmi in grado di assemblare questi elementi una volta che il loro codice è stato letto. Anche se sembra un lavoro semplice, basta allineare le lettere sovrapposte e iniziare a incollare, è tutt'altro. Prendi la Bibbia strappata. Frasi comuni come Non lo farai... o Beati loro... renderebbero molto più difficile riassemblare il buon libro perché alcuni frammenti sembrano sovrapporsi quando, in realtà, non lo fanno. Il genoma è similmente zeppo di sequenze ripetute, alcune brevi, altre lunghe, alcune presenti in un milione di copie, altre ripetute solo due volte.



Per questo motivo, gli scienziati che lavorano allo Human Genome Project, finanziato con fondi pubblici, hanno faticosamente mappato il genoma prima di iniziare la sequenza. Più o meno come capire dove vanno a finire i capitoli della Bibbia prima di strappare le pagine, significa che dovranno poi riassemblare molte piccole pile, piuttosto che una enorme. Elbert Branscomb, direttore del Joint Genome Institute del Dipartimento dell'Energia, pensa che il puzzle di 70 milioni di pezzi di Celera possa essere irrisolvibile. Quanto sarà un problema, nessuno ha nemmeno un'ipotesi moderatamente buona, dice Branscomb.

Myers sostiene che la chiave della soluzione è che i pezzi del puzzle di Celera arrivano a coppie sollevati dalle estremità di un singolo frammento, di cui conoscono la lunghezza totale. Le coppie, crede, limiteranno il problema abbastanza da arrivare a una soluzione unica. Scienziati esterni affermano che la strategia di Celera sarebbe impossibile senza le sequenze già sviluppate in laboratori finanziati con fondi pubblici, ma Myers sostiene che il puzzle potrebbe essere risolto comunque. Le informazioni esterne sono solo un espediente, dice. Se dovessimo fare un genoma su cui non abbiamo dati, diciamo la gramigna, potremmo fare un'operazione autonoma.

Se l'operazione di Celera rappresenti o meno una scienza di prim'ordine è ancora oggetto di dibattito nella comunità del genoma. Senza dubbio, la versione del genoma di Celera avrà molte, molte piccole lacune. Una fotocopia, se vuoi, che dia il quadro generale e la maggior parte dei dettagli, ma potrebbe non essere all'altezza dello standard di alta fedeltà previsto dal Progetto Genoma Umano.

Dopo il genoma

I dati, tuttavia, saranno sufficienti per essere immessi sul mercato. Venter ha detto che distribuirà gratuitamente la sequenza grezza scaricandola nel repository pubblico online noto come GenBank. Quindi cosa resta da vendere? Parecchio. I profitti di Celera potrebbero provenire in gran parte dalla concessione in licenza alle aziende farmaceutiche di un database che impacchetta la sequenza in una forma più accessibile. Le compagnie farmaceutiche estrarranno i dati per i geni con applicazioni mediche, anche se Venter afferma che Celera prima troverà e brevetterà diverse centinaia di geni per se stessa. Celera conserverà anche informazioni sulle singole lettere del DNA che variano tra le persone chiamate polimorfismi a singolo nucleotide. Queste differenze possono predire la suscettibilità di una persona alla malattia o alle reazioni tossiche ai farmaci. E al di là del genoma umano ci sono altri. Monsanto, la grande azienda agricola, ha già suggerito a Celera di assumere il genoma del riso.

Come ama sottolineare Venter, finire la sequenza umana è semplicemente l'inizio di una nuova era in cui i dati possono essere utilizzati per migliorare la salute umana. Se i piani di Celera funzioneranno, questa epoca post-genomica arriverà prima del previsto. In effetti, Celera ha anticipato la linea temporale per la lettura del genoma prima che un singolo muro fosse abbattuto per la ristrutturazione della fabbrica. Reagendo alla concorrenza inaspettata, i direttori del Progetto Genoma Umano, finanziato con fondi pubblici, hanno annunciato che ora prevedono di eliminare l'intero progetto entro il 2003, due anni prima del programma originale previsto. E entro il 2001, quando Celera ha promesso di svelare i suoi dati, gli scienziati del settore pubblico hanno promesso di elaborare una bozza di lavoro per abbinarli. Genoma pubblico o privato, la celerità è sicuramente all'ordine del giorno.

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