Mundurki z ziemniaków
Dzięki biotechnologii działającej na styku z przemysłem będziemy mieli odporne na zarazę ziemniaki i nowe półprodukty do wytwarzania ubrań, papieru i kleju.
Białe ramię robota porusza się z nieludzką szybkością. Chwyta płytkę wielkości tabliczki czekolady i przenosi błyskawicznie na drugi koniec stołu. Już prawie roztrzaskuje ją o krawędź, ale na 10 centymetrów przed celem nagle zwalnia i niezwykle delikatnie stawia tackę z probówkami. Ostrożność jest konieczna, bo w jednej z maleńkich tubek może znajdować się przepis na wyżywienie całej ludzkości lub sposób na produkcję ubrań z ziemniaków.
– Prawdę mówiąc, to nasza ulubiona zabawka – mówi z lekkim zakłopotaniem doktor Hans Kast, dyrektor BASF Plant Science. – Mamy w firmie dział budujący roboty, i to jego pracownicy zainstalowali nam to cudo.
Rzeczywiście robot wygląda raczej jak wyjątkowo duża zabawka dla dzieci. Ustawiony między dwoma długimi stołami nie pasuje do spokojnego laboratorium, w którym powinno w skupieniu pracować kilkanaście osób. Tymczasem w dużej sali nie ma nikogo. Podobnie wyglądają kolejne pomieszczenia. W jednym z nich stoją szeregi identycznych szumiących maszyn – każda wielkości turystycznej lodówki, każda z ciekłokrystalicznym ekranem, na którym przesuwa się powykrzywiana linia. Tu również nikogo nie ma.
– Ktoś tego wszystkiego pilnuje? – pytam.
– Ludzie siedzą w pokojach po drugiej stronie korytarza – wyjaśnia Hans Kast. – Szkoda, by marnowali czas na obsługę maszyn, znacznie bardziej potrzebujemy ich głów niż rąk. I tak wszystkie wyniki od razu trafiają do naszej bazy danych i można je obejrzeć z dowolnego komputera.
Te szumiące pudła to chromatografy gazowe – urządzenia, które są w stanie dokładnie określić skład chemiczny dowolnej substancji. Tu badają drobne zmiany pojawiające się w modyfikowanych genetycznie roślinach. Ale zacznijmy od początku.
Wszystkie rośliny w komputerze
Metanomics, którego laboratorium oglądam, to część koncernu BASF, wciąż jeszcze kojarzonego z kasetami magnetofonowymi. Dziś kasety odchodzą w przeszłość, a BASF zajął się między innymi nauką przyszłości – biotechnologią. Metanomics jest jedną z pięciu firm należących do BASF Plant Science, części koncernu skupiającej się na badaniach nad genetycznie modyfikowanymi roślinami. Manipuluje się tu między innymi genami ziemniaków, ryżu, kukurydzy, soi czy pszenicy. Niby nic w tym dziwnego, w końcu robi się to w tysiącach miejsc na świecie. Ale berliński kombinat jest wyjątkowy. Nigdzie indziej na świecie nie zautomatyzowano w takim stopniu procedur, które normalnie wykonują laboranci. Samych chromatografów gazowych pracuje tu ponad 50. Działają dzień i noc. Do rana badają materiały przygotowane wieczorem, po południu – te przyszykowane rano. Podobnie działa 70 spektrometrów masowych, dziesiątki wirówek, maszyn do przygotowania i ekstrakcji próbek. Po co to wszystko? Choćby po to, by nie powtórzyła- się zaraza
ziemniaczana. W połowie XIX wieku wywołała ona w Irlandii wielki głód, który zabił ponad półtora miliona ludzi. Maleńki, podobny do grzyba organizm Phytophthora infestans niszczył liście i powodował gnicie bulw.
Pierwszym krokiem do stworzenia silnego ziemniaka jest znalezienie informacji o przypadkach odporności na tę chorobę. Można przekopywać setki czasopism, jednak w Metanomics przygotowano system katalogowania informacji, który ułatwia i przyspiesza takie zadania. Na ekranie pokazuje się coś, co wygląda jak komputerowa mapa Beskidów. Większe i mniejsze szczyty tworzą różnej wielkości skupiska. Doktor Kast kieruje kursor na jeden z najwyższych wierzchołków, pojawia się napis „potato”, czyli ziemniak. Sąsiedni szczyt nazywa się „late blight”, czyli zaraza ziemniaczana. Obok górują jeszcze „starch” (skrobia) i mniejsze „amylose” i „amylopectin” – składniki skrobi-. W ten sposób skatalogowana jest właściwie cała wiedza dotycząca genetyki i biotechnologii roślin. Nad utrzymaniem i aktualizacją bazy pracuje potężna grupa ludzi – około jednej trzeciej wszystkich pracowników Metanomics.
Przeszukanie bazy daje ciekawy wynik – okazuje się, że zaraza ziemniaczana nie atakuje niektórych dzikich odmian ziemniaka. Najwyraźniej w jego DNA zaszła jakaś mutacja, która sprawiła, że roślina stała się odporna na Phytophthora infestans. W literaturze opisano już punkt w genomie odpowiadający za tę cenną cechę. Problem w tym, że dzikie ziemniaki nie nadają się do efektywnej uprawy, a rośliny, w przeciwieństwie do bakterii, nie potrafią się samodzielnie wymieniać genami.
Śledzenie ziemniaków
To właśnie zadanie dla BASF Plant Science. W Metanomics wyizolowano gen odpowiedzialny za odporność i przeniesiono go do normalnej, uprawnej odmiany ziemniaka. Niestety, roślina to bardzo złożony system i często taki transfer się nie udaje. Dlatego sama praca w laboratorium nie wystarczy – po „zamieszaniu” w genach trzeba przetestować wyniki na prawdziwych, żywych roślinach. To zadanie dla innego oddziału BASF Plant Science – firmy Cropdesign. Jej siedziba znajduje się w rolniczym rejonie Belgii. W kilku wielkich halach przypominających nasze PGR-y mieści się niesamowita machina do testowania roślin.
Każda z kilku opracowanych wersji genetycznie zmienionego ziemniaka hodowana jest w kilkunastu egzemplarzach. Pozwala to wykluczyć rolę przypadku – liczą się tylko te wyniki, które uda się powtórzyć. Wszystkie rośliny trafiają do oddzielnych doniczek i dostają własne „dowody tożsamości” – kod kreskowy oraz pozwalający na zdalną, radiową identyfikację układ RFID. Od tej chwili wszystko dzieje się automatycznie. Ziemniaki rosną sobie w odpowiednich warunkach, a raz dziennie odbywają podróż przez swoją halę. Podajnik wiezie je najpierw na sesję zdjęciową. Każda roślina fotografowana jest ze wszystkich stron, a dodatkowo specjalny system robi przez doniczkę zdjęcie układu korzeniowego. Te zdjęcia wraz z numerem identyfikacyjnym rośliny trafiają do bazy danych i są przeglądane przez komputer, który wychwytuje wszelkie odchylenia od normy – przebarwienia liści, nietypowy wzrost czy wielkość kwiatów. Jeśli dzieje się coś dziwnego, informowany jest o tym człowiek, który z setek tysięcy doniczek dostaje do rąk
właśnie tę jedną, podejrzaną.
Nasze zmodyfikowane ziemniaki dzielone są na kilka grup. Niektóre z nich zarażane są Phytophthora infestans, inne pozostają zdrowe. Część dostaje idealną mieszankę wody i składników odżywczych, a część narażona jest na suszę, nadmiar soli lub brak światła. Rocznie Cropdesign hoduje i bada ponad 100 tysięcy roślin, obserwując zmiany dokonane w 10 tysiącach genów. System komputerowy analizuje 14 milionów zdjęć. Te rośliny, które spełnią oczekiwania projektantów, a więc poradzą sobie z zarazą ziemniaczaną, trafiają z powrotem do Metanomics. Tu czeka je smutny, choć wzniosły koniec – po zmieleniu na papkę za pomocą rozpuszczalników organicznych wyciąga się z nich wszystkie interesujące substancje. Cała roślina zostaje zredukowana do kilku łyżeczek zielonkawego płynu.
Hybrydy pod kontrolą
To właśnie ten moment, w którym pojawia się robot. Jego zadaniem jest przeniesienie owego płynu pomiędzy maszynami rozdzielającymi go do kilkunastu małych probówek. Te trafiają do sali z chromatografami gazowymi i cieczowymi – maszynami, które wydobędą całą prawdę o funkcjonowaniu rośliny. Chromatografia ustala precyzyjny skład rośliny i zapisuje dane o zawartości każdej substancji.
Oczywiście przeglądanie takiej bazy danych nie ma nic wspólnego ze śledzeniem długich słupków liczb. W Metanomics zdają sobie sprawę, że obrazy mówią ludziom więcej niż liczby i słowa. Dlatego składniki każdej rośliny przedstawiane są w postaci kółek połączonych liniami. To kolejne etapy przemian biochemicznych zachodzących w komórkach. W bazie istnieje wzorzec „typowego ziemniaka”. Jeśli z Cropdesign trafia tu jakiś dziwny superziemniak, to po przebadaniu jego skład chemiczny porównywany jest ze wzorcem. Od razu widać, co się zmieniło – jeśli jakiejś substancji przybyło, to na wykresie jej kółko staje się niebieskie. Jeśli jej ilość spadła, kółko jest czerwone. Wystarczy kliknąć na taki symbol, by uzyskać precyzyjne dane liczbowe.
System komputerowy Metanomics śledzi stale około 20 tysięcy substancji występujących w każdej badanej roślinie. W jego bazie znajdują- się profile półtora miliona substancji powiązane z aktywnością 55 tysięcy genów. By zdobyć kompletną wiedzę o roli każdego z nich, kolejno je wyłączano i sprawdzano, jakie ma to konsekwencje dla metabolizmu rośliny. Ten ogrom wiedzy potrzebny jest do działania firmy, ale też przynosi zysk – naukowcy z innych ośrodków mogą wykupić dostęp do bazy danych.
Koszulka z ziemniaka
Ponieważ znany jest schemat wszystkich powiązań chemicznych w całej roślinie, łatwo prześledzić dowolną zmianę. To odpowiedź na typowe obawy związane z genetycznie modyfikowanymi roślinami. Gdyby odporność na zarazę ziemniaczaną miała jakieś skutki uboczne, na przykład wytwarzanie szkodliwych dla człowieka substancji, na schemacie stałoby się to natychmiast widoczne. Tu nie ma miejsca na pomyłki – wiadomo wszystko o wszystkim, znana jest rola i droga każdej substancji od narodzin rośliny do jej śmierci. Choć prace nad odpornym na zarazę ziemniakiem jeszcze trwają, to BASF już teraz stara się o zgodę na uprawę w Unii Europejskiej innej odmiany ziemniaka. To roślina, która wytwarza nietypową skrobię. Zwykle składa się ona z dwóch elementów – amylozy i amylopektyny. Choć tej pierwszej jest tylko 20 procent, to jej właściwości utrudniają wykorzystanie skrobi w przemyśle.
BASF zdołał wyłączyć gen odpowiedzialny za produkcję amylozy, a skrobia z nowego ziemniaka, nazwanego Amflora, zawiera wyłącznie amylopektynę. Ale spokojnie – nie musisz spodziewać się dziwacznych frytek. Jedynym zastosowaniem Amflory jest przemysł. Nowa skrobia nadaje się do produkcji między innymi papieru, klejów oraz... ubrań. Dzięki genetycznej modyfikacji produkcja jest dużo tańsza i bezpieczniejsza dla środowiska.
Badania zajęły ponad 10 lat. Jeśli wszystko się powiedzie, to za kolejnych kilka będziesz mógł przyjść do pracy w nowej, taniej i czystej ziemniaczanej koszulce.
Modyfikowane i bezpieczne
Zawsze, gdy jest mowa o organizmach genetycznie zmodyfikowanych, powraca temat bezpieczeństwa takich eksperymentów. Ludzie boją się powstania superchwastu, który błyskawicznie zarośnie całą Ziemię, lub wprowadzenia szkodliwej żywności.
Odpowiedzią na takie obawy jest niezwykle staranna kontrola wszystkich efektów, które wywołuje wprowadzenie zmiany do genomu organizmu. Dzięki znajomości kompletu szlaków metabolicznych można wychwycić jakąkolwiek nieplanowaną substancję, która mogłaby się pojawić.
Takie podejście wymuszają nie tylko restrykcyjne przepisy, ale i interes samych firm zajmujących się przygotowaniem modyfikowanych genetycznie organizmów. Wypuszczenie na rynek czegoś, co mogłoby wywołać jakiekolwiek problemy, byłoby finansowym samobójstwem i oznaczałoby utratę ogromnych pieniędzy oraz zaufania klientów. Modyfikacje roślin nie są groźne, ponieważ nawet jeśli taki organizm skrzyżuje się z naturalną odmianą, to istniejąca w nim zmiana genetyczna szybko zostanie „rozmyta” w zalewie „dzikich” genów występujących wokół. A zresztą dzisiejsza kukurydza czy pszenica to nic innego jak zmodyfikowane genetycznie odmiany roślin występujących tysiące lat temu na Ziemi.