Craig Venter a DNS-ről és a tengerről

A szünetben többen megkérdezték, mit szólok az öregedésről szóló vitához. Ez lesz az egyetlen hozzászólásom a témához. Mégpedig az, hogy úgy gondolom, az optimisták jelentősen tovább élnek, mint a pesszimisták. (Nevetés)

A következő 18 percben arról fogok beszélni, mennyire közel vagyunk ahhoz, hogy áttérjünk a genetikai kód olvasásáról annak az első szakaszára, hogy mi magunk írjuk a kódot. Ebben a hónapban van tíz éve annak, hogy publikáltuk egy szabadon élő organizmus, a Haemophilus influenzae első szekvenciáját. Ez levitte a genomprojekt hosszát 13 évről négy hónapra. Most ugyanazt a genomprojektet nagyjából kettő-nyolc óra alatt meg tudjuk csinálni. Így az elmúlt évtizedben számos új genomot kaptunk: a többségük emberi kórokozó, egy pár növény, több rovar és emlős, többek között az emberi genom. A genomika a gondolkodásnak ebben a szakaszában, egy kicsit több mint 10 évvel ezelőtt azt jósolta, hogy ennek az évnek a végére már esetleg három-öt megszekvenált genom lesz; nagyjából több száz van. Éppen most kaptunk egy támogatást a Gordon és Betty Moore Alapítványtól, hogy megszekvenáljunk 130 genomot ebben az évben, mellékprojektként a környezetből származó szervezetekből. Tehát a genetikai kód leolvasásának sebessége megváltozott.

De ha megnézzük, hogy mi van odakint, csupán a felületét karcoltuk meg annak, ami rendelkezésre áll ezen a bolygón. A legtöbb ember nem veszi ezt észre, mert ezek láthatatlanok, de a mikrobák a föld biomasszájának körülbelül a felét adják, míg az állatok csak körülbelül egy ezredét. Ez talán olyasvalami, amit az oxfordi emberek nem túl gyakran csinálnak, de ha valaha is kimennek a tengerre, és lenyelnek egy korty tengervizet, ne feledjék, hogy minden egyes milliliterben körülbelül egymillió baktérium van, és nagyjából 10 millió vírus.

Kevesebb, mint 5000 mikrobafajt írtak le két évvel ezelőttig, ezért úgy döntöttünk, hogy teszünk valamit ez ügyben. Elindítottuk a Sorcerer-II expedíciót amin, mint ahogy nagy oceanográfiai expedíciók, megpróbáltunk mintát venni az óceánból 300 kilométerenként. Bermudán kezdtünk a tesztprojektünkkel, aztán tovább mentünk Halifaxba, le az USA keleti partján, a Karib-tengeren, a Panama-csatornán, át a Galápagos-szigetekhez, majd keresztül a Csendes-óceánon, és most kelünk át az Indiai-óceánon. Nagyon kemény munka ez; egy vitorlás hajón dolgozunk, részben azért, hogy lelkesítsük a fiatalokat, hogy tudományos pályára lépjenek. A kísérletek hihetetlenül egyszerűek. Csak vesszük a tengervizet és megszűrjük, a különböző méretű szervezeteket különböző szűrőkön gyűjtjük össze, majd a DNS-üket visszavisszük a laborunkba Rockville-be, ahol naponta százmillió betűnyi genetikai kódot tudunk megszekvenálni. Ily módon néhány csodálatos felfedezést tettünk.

Például, azt gondolták a látópigmentekről, amelyek a szemünkben vannak -- csak egy vagy két olyan szervezet van a környezetben, amelyeknek ugyanilyen pigmentjeik vannak. Kiderült, hogy szinte minden faj az óceán felső részében a világ meleg részein ugyanilyen fotoreceptorokkal rendelkezik, és a napfényt használják energiaforrásként és kommunikációra. Egy helyről, egy hordó tengervízből 1,3 millió új gént fedeztünk fel, és nem kevesebb mint ötvenezer új fajt.

Kiterjesztettük a kutatásokat a levegőre a Sloan Alapítvány támogatásával. Megmérjük, hány vírust és baktériumot lélegzünk be és ki minden nap, különösen a repülőgépeken vagy zárt előadótermekben. (Nevetés) Egyszerű készülékeken át szűrünk; durván egymilliárd mikrobát gyűjtünk mindössze egy napi szűrésből, New York City egyik épületének a tetején. És most éppen ezek megszekvenálásának a közepén tartunk.

Az adatgyűjtés oldaláról nézve, ahol éppen most vagyunk, túl a Galápagos-szigeteken, szinte minden 300 km-nél óriási sokféleséget látunk az óceánból vett mintákban. Ezek közül néhánynak van logikus magyarázata, a különböző hőmérsékleti grádienseket tekintve. Ez egy műholdas fénykép, amely a hőmérsékleten alapul -- a vörös meleg, a kék hideg -- és azt találtuk, hogy hatalmas különbség van a meleg vizű és a hideg vizű minták között, a fajok bőségét illetően. A másik dolog, ami kicsit meglepett minket, hogy ezek a fotoreceptorok a fény különböző hullámhosszait érzékelik, és ezt meg tudjuk jósolni az aminosav-sorrendjük alapján. Ezek régiónként borzasztóan változnak. Talán nem meglepő, hogy a mély óceánban, ahol főleg kékség van, a fotoreceptorok hajlamosak a kék fényt látni. Amikor sok klorofill van körülöttük, sok zöld fényt látnak. De még jobban változnak talán az infravörös és az ultraibolya felé elmozdulva a szélsőséges környezetben.

Csak hogy megpróbáljunk egy becslést adni arról, hogy milyen volt a génrepertoárunk, összegyűjtöttük az összes adatot -- beleértve a mi adatainkat is, így messze az expedíciótól, melyek a bolygó génadatainak több mint a felét képviselik -- és ez összesen mintegy 29 millió gén. Megpróbáltuk ezeket géncsaládokba sorolni, hogy lássuk, mik ezek a felfedezések: Csupán ismert családok új tagjait találjuk meg, vagy új családokat fedezünk fel? Kiderült, hogy körülbelül 50.000 fontosabb géncsaládunk van, de minden új mintával, amit a környezetből veszünk, az új családok száma lineárisan emelkedik. Tehát a felfedezés legkorábbi szakaszában vagyunk az alapvető génekkel, komponensekkel és az élettel kapcsolatban ezen a bolygón.

Amikor megnézzük az úgynevezett evolúciós fát, mi fent vagyunk a jobb felső sarokban az állatokkal együtt. Abból a nagyjából 29 millió génből csak körülbelül 24 ezer van a mi a genomunkban. És ha az összes állatot összevetjük, valószínűleg kevesebb mint harmincezer génben osztozunk, és valószínűleg talán egy tucat vagy több ezer különböző géncsaládban. Úgy gondolom, hogy ezek a gének már nem csak az evolúció tervezői összetevői. Génközpontúan gondolkodunk -- talán visszatérve Richard Dawkins ötleteihez -- nem genomközpontúan, melyek ezen génösszetevőknek a különböző konstrukciói.

A szintetikus DNS, a DNS szintetizálására való képesség ugyanolyan mértékben változott meg, mint a DNS-szekvenálás az elmúlt egy-két évtizedben, és nagyon gyorssá és nagyon olcsóvá válik. Az első gondolataink a szintetikus genomikáról akkor támadtak, amikor a második genomot szekvenáltuk 1995-ben, a Mycoplasma genitaliumból. Igazán szép pólóink vannak azzal a felirattal, hogy "Szeretem a genitaliumomat." Ez tulajdonképpen csak egy mikroorganizmus. De nagyjából 500 génje van. A Haemophilusnak 1800 génje volt. Egyszerűen feltettük a kérdést, ha egy fajnak 800-ra van szüksége, egy másiknak 500-ra, van-e a géneknek egy olyan kisebb csoportja, amely esetleg egy minimális operációs rendszert tartalmaz?

Elkezdtünk, transzpozon mutagenezist csinálni. A transzpozonok a DNS olyan kis részei, amelyek véletlenszerűen beszúródnak a genetikai kódba. Ha egy gén közepére épülnek be, megzavarják a működését. Készítettünk egy térképet az összes olyan génről, amely elviselheti a transzpozon beszúrásokat, és ezeket "nem esszenciális gének”-nek neveztük el. De kiderült, hogy a környezet nagyon kritikus ebből a szempontból, és csak arra alapozva lehet egy gént esszenciálisnak vagy nem esszenciálisnak definiálni, hogy pontosan mi van a környezetben. Megpróbálkoztunk egy közvetlenebb szellemi megközelítéssel is, 13 rokon szervezet genomjával, megpróbáltuk összehasonlítani őket, hogy lássuk, mi bennük a közös. Ezeket az egymást átfedő köröket kaptuk. Azt találtuk, hogy csak 173 gén közös a 13 szervezetben. A készlet egy kicsit kibővült, ha figyelmen kívül hagytunk egy sejten belüli parazitát; még jobban kibővült, amikor a körülbelül 310 gén alapvető csoportjait vizsgáltuk. Úgy gondoljuk, hogy ki lehet bővíteni vagy le lehet rövidíteni a genomokat, nézőponttól függően, talán 300-400 génre a minimális ötszázból.

Az egyetlen mód ezen elképzelések bizonyítására az volt, hogy előállítunk egy mesterséges kromoszómát azokkal a génekkel, és ezt egy kazetta alapú vonalon kellett megcsinálnunk. Úgy találtuk, hogy a pontos DNS szintetizálása nagy darabokban rendkívül nehéz. Ham Smith és Clyde Hutchison kollégáim egy izgalmas új módszert fejlesztettek ki, amely lehetővé tette, hogy egy ötezer bázispárú vírust szintetizáljunk mindössze egy kéthetes időszakban. Ez 100 százalékban pontos volt, a szekvenciája és a biológiája tekintetében is. Ez egy elég izgalmas kísérlet volt -- amikor vettük a szintetikus DNS darabot, befecskendeztük a baktériumokba és hirtelen az a DNS elkezdte irányítani a vírus részecskék termelését, amelyek megfordultak, és aztán megölték a baktériumokat. Nem ez volt az első szintetikus vírus -- a gyermekbénulás vírusát már egy évvel azelőtt megcsinálták -- de csak tízezrednyire volt aktív, és három évbe telt megcsinálni. Ez a phi X 174 szerkezetének a vázlata. Ez egy olyan eset, ahol a szoftver építi a saját hardverét, és ezek azok az elképzelésink, amik a biológiával kapcsolatosak.

Az emberek azonnal elkezdtek aggódni a biológiai hadviselés miatt, és nemrégiben volt egy meghallgatásom egy szenátusi bizottság előtt, valamint egy különbizottság előtt, amit az amerikai kormány állított fel, hogy felülvizsgálja ezt a területet. Úgy gondolom, fontos, hogy szem előtt tartsuk a realitást azzal szemben, ami az emberek képzeletében történik. Alapvetően bármelyik megszekvenált vírus genomját meg lehet csinálni. Az emberek azonnal kiborulnak a dolgok miatt, az Ebola vagy a himlő miatt, de az ebből a szervezetből származó DNS nem fertőző. Így még ha valaki meg is csinálná a himlő genomot, maga a DNS nem okozna fertőzést. A biztonsági osztályok valós aggodalma a megtervezett vírusokkal kapcsolatos. Csak két ország van, az USA és a volt Szovjetunió, amely nagy erőfeszítéseket tett, hogy biológiai hadviselési anyagokat próbáljon létrehozni. Ha ezt a kutatást valóban megszüntetnék, nagyon kevés arra vonatkozó aktivitás lenne, hogy a jövőben tervezett vírusokat készítsenek.

Úgy gondolom, az egysejtű szervezetek két éven belül lehetségessé válnak. Az eukarióta sejtek pedig, azok, amik bennünk is vannak, lehetségesek egy évtizeden belül. Most több tucat különböző konstrukciót készítünk, mert megváltoztathatjuk a kazettákat és a géneket, amelyek ebbe a mesterséges kromoszómába kerülnek. A kulcs az, hogy hogyan tesszük bele az összes többit? Ezekkel a fragmentumokkal kezdjük, és akkor lesz egy homológ rekombinációs rendszerünk, ami újra összegyűjti azokat egy kromoszómába.

Ez egy Deinococcus radiodurans nevű szervezetből származik, ami hárommillió rad sugárzást is el tud viselni és nem pusztul el. Újra összeszereli a genomját ezután a sugárzásimpulzus után körülbelül 12-24 óra múlva, miután a kromoszómái szó szerint szétrobbantak. Ez a szervezet mindenütt előfordul a bolygón, és talán már az űrben is létezik, az oda tett utazásainknak köszönhetően. Ez egy üveg mérőpohár körülbelül félmillió rad sugárzás után. Az üveg elkezdett égni, és megrepedni, míg a mikrobák, amik az alján ültek egyre boldogabbak lettek. Itt egy kép arról, hogy mi történik: a tetején látható a genom 1,7 millió rad sugárzás után. A kromoszóma szó szerint szétrobbant. És itt van ugyanaz a DNS, automatikusan összeszerelődve 24 órával később. Igazán lenyűgöző, hogy ezek a szervezetek meg tudják ezt tenni, és talán több ezer, ha nem több tízezer különböző faj van ezen a bolygón, amely képes erre. Miután ezeket a genomokat megszintetizáljuk, az első lépés beültetni őket egy genom nélküli sejtbe.

Úgy gondoljuk, a szintetikus sejtekben óriási lehetőség rejlik, nemcsak a biológia alapjának megértéséhez, hanem remélhetőleg környezetvédelmi és társadalmi kérdésekben is. Például a harmadik szervezet, amit megszekvenáltunk, a Methanococcus jannaschii -- ez a forrásban lévő víz hőmérsékletén él; az energiaforrása a hidrogén, és az összes benne lévő szén abból a szén-dioxidból származik, amit a környezetből köt meg. Már rengeteg különböző útvonalat ismerünk, több ezer különböző szervezetet, amelyek szén-dioxidon élnek, azt képesek megkötni és visszaadni. Így ahelyett, hogy olajból származó szenet használnánk a szintetikus folyamatokhoz, esélyünk van arra, hogy szenet használjunk, és ezt a légkörből kössük meg, és átalakítsuk biopolimerekké vagy egyéb termékekké. Van egy olyan szervezetünk, amely szén-monoxidon él, és redukáló energiaként használjuk arra, hogy a vizet hidrogénre és oxigénre bontsuk. Számos olyan útvonal is van, amelyet metán anyagcserével történő átalakítására lehet tervezni. A DuPont-nak a norvégiai Statoillal együtt van egy nagyobb programja, hogy a gázmezőkből származó metánt megkössék, és átalakítsák hasznos termékekké.

Rövid időn belül, azt hiszem, lesz egy új terület, amit úgy hívnak, hogy "kombinatorikus genomika", mert ezekkel az új szintézis képességekkel, ezekkel a hatalmas géntömb-repertoárokkal és a homológ rekombinációval úgy gondoljuk, hogy kifejleszthetünk egy robotot arra, hogy egy nap alatt esetleg egymillió különböző kromoszómát készítsen. És ennélfogva, mint az egész biológiával, szűréssel válogatást kapunk, akár hidrogén termelésére szűrünk, akár vegyipari termékre, vagy csak életképességre. Az, hogy megértsük ezeknek a géneknek a szerepét, rövidesen elérhető lesz.

Megpróbáljuk módosítani a fotoszintézist, hogy közvetlenül a napfényből állítsunk elő hidrogént. A fotoszintézist az oxigén szabályozza, és van egy oxigénre érzéketlen hidrogenázunk, ami szerintünk teljesen meg fogja változtatni ezt a folyamatot. Vegyítjük a cellulázokat, azokat az enzimeket, amelyek az összetett cukrokat egyszerű cukrokká bontják, és az erjesztést ugyanabban a sejtben etil-alkohol előállítására. A gyógyszerészeti termelés már folyamatban van a jelentős laboratóriumokban, mikrobák használatával. A környezetben lévő vegyületekből származó kémia nagyságrendekkel összetettebb, mint amit a legjobb vegyészeink előállíthatnak. Úgy gondolom, hogy a jövőbeli megtervezett fajok élelmiszerforrások lehetnek, remélhetőleg energiaforrások, környezetvédelmi helyreállítás forrásai, és talán helyettesíthetik a petrolkémiai ipart.

Hadd zárjam etikai és politikai tanulmányokkal. 1999-ben elhalasztottuk a kísérleteink megkezdését, amíg be nem fejeztünk egy másfél éves bioetikai felülvizsgálatot arról, hogy meg kellene-e próbálnunk egy mesterséges fajt létrehozni. Minden fő vallás részt vett ebben. Valójában egy nagyon furcsa tanulmány volt, mivel a különböző vallási vezetők a szentírásaikat törvénykönyvként használták, és semmit sem találtak bennük élet létrehozásának tilalmáról, tehát ennek rendben kell lennie. Az egyetlen végső aggodalom ennek a biológiai hadviseléssel kapcsolatos aspektusa volt, de megadta nekünk az engedélyt a kísérletek elindításához azon okok miatt, amiért végezzük őket.

A Sloan Alapítvány épp most finanszírozott egy több intézményes tanulmányt a témában, hogy kidolgozzák, mik a társadalmi kockázatok és előnyök, és azokat a szabályokat, amiket a tudományos csoportoknak, mint amilyen az enyém is, használniuk kell ezen a területen, és mi próbálunk jó példát mutatni, ahogy haladunk. Ezek összetett problémák. A bioterrorizmus kivételével nagyon egyszerű kérdések abból a szempontból, hogy megtervezhetünk-e dolgokat tiszta energia előállítására, talán gyökeresen megváltoztatva azt, hogy mit tehetnek a fejlődő országok, és mit nyújthatnak különböző egyszerű folyamatok révén. Nagyon köszönöm.