Das Artefakt ist weder sexy noch zart, wie Mallory Warner Ihnen sagen wird. Warner, der in der Abteilung für Medizin und Wissenschaft am Smithsonian National Museum of American History arbeitet, hilft bei der Kuratierung eines großen Archivs von Gegenständen, die den wissenschaftlichen Lauf auf irgendeine Weise verändert haben. Sie verweist auf einen DNA-Analysator, der von Wissenschaftlern im Rahmen des Human Genome Project (dem Meilenstein, der den ersten vollständigen Entwurf des genetischen Materials eines Menschen lieferte) verwendet wurde, und auf einen Fotofilm aus den 1970er Jahren, in dem versucht wurde, ein synthetisches Insulingen aufzubauen. Viele der Arbeiten, die mit der Genforschung zu tun haben, seien "gewaltige wissenschaftliche Dinge in Kühlschrankgröße".
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RICH: American Enterprise: Eine Unternehmensgeschichte in Amerika
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Der Gensequenzer Roche 454 GS FLX +, der von 2005 bis 2015 hergestellt wurde, ist tatsächlich etwas kürzer als ein Kühlschrank: Er wiegt nach offiziellen Produktspezifikationen mehr als 500 Pfund. Einzigartig ist auch das Roche-Gerät: Es war das erste Gen-Sequenziergerät der nächsten Generation, das im Handel erhältlich war. Es verwendete eine damals neue Technologie, die als Sequenzierung durch Synthese bekannt war, um die Sequenz der Basen, die den genetischen Code umfassen, auseinanderzuziehen.
Sogar der kleinste Organismus - zu klein, um mit bloßem Auge gesehen zu werden - enthält Hunderte von Genen, die zusammenarbeiten, um alles von seinem Aussehen bis zu seiner Reaktion auf Krankheiten zu bestimmen. Diese Gene bestehen aus wechselnden Basenmustern. Durch Lesen der Muster - ein Prozess, der als Gensequenzierung bezeichnet wird - können Wissenschaftler viel über die Funktionsweise eines Organismus lernen.
Sequenzierer der nächsten Generation reduzierten die Kosten und die Zeit, die für die Gensequenzierung erforderlich sind, drastisch. Obwohl dies wie ein esoterischer Beweis erscheinen mag, bedenken Sie, dass das Humangenomprojekt ungefähr 13 Jahre und geschätzte 3 Milliarden US-Dollar in Anspruch nahm, um das gesamte menschliche Genom zu sequenzieren. Eine Roche-454-Maschine der nächsten Generation könnte diese Aufgabe nach Angaben des Unternehmens in zehn Tagen erledigen, sodass kleine Teams enorme Mengen genetischer Daten in erheblich kürzerer Zeit zusammenfügen können.
Mit den Roche 454-Sequenzierern wurden die genetischen Geheimnisse von Erdbeeren, Bakterien und Neandertalern gelüftet. Sie haben Daten erstellt, die Wissenschaftlern geholfen haben, die Krankheitsresistenz in den Entwicklungsländern zu verstehen. und in einem denkwürdigen Fall diagnostizierte er einen jungen amerikanischen Jungen, dessen Zustand die Ärzte jahrelang stutzte.
Mit den Roche 454-Sequenzierern wurden die genetischen Geheimnisse von Erdbeeren, Bakterien und Neandertalern gelüftet. Sie haben Daten erstellt, die Wissenschaftlern geholfen haben, die Krankheitsresistenz in Entwicklungsländern zu verstehen. und in einem denkwürdigen Fall diagnostizierte er einen jungen amerikanischen Jungen, dessen Zustand die Ärzte jahrelang stutzte.
Eines der interessantesten Dinge, die ein Roche 454 getan hat, ist möglicherweise die Sicherung der Zukunft der Schokolade.
Vor etwa 25 Jahren waren viele Menschen zutiefst besorgt über die weltweite Schokoladenversorgung. Schokolade wie wir sie kennen - in ihrer süßen, köstlichen Form - wird aus Kakaobohnen hergestellt, die das Produkt des Theobroma-Kakaobaums sind .
T. cacao stammt aus Mittel- und Südamerika und wird seit Jahrhunderten geerntet. Die Europäer haben den Kakaobaum zum ersten Mal auf ihren Reisen in die sogenannte Neue Welt gesehen. Da das Naturprodukt der Kakaobohnen bitter ist, begannen die Europäer, Schokolade mit Zucker zu mischen, und es begann eine Begeisterung, die bis heute andauert. Schokolade ist heute ein Milliardengeschäft mit einer wachsenden Nachfrage aus Ländern wie China, Indien, Russland und Brasilien.
Bei der Ernte von Kakao in Ghana werden die Schoten geschnitten und Samen und Fruchtfleisch herausgeschöpft. (Smithsonian Archives Center, Nationalmuseum für amerikanische Geschichte) Die aufkommende Nachfrage stößt jedoch auf alte Probleme. Um die Produktion auszuweiten, wurden Kakaobäume nach Westafrika verpflanzt, wo sie im tropischen Klima angenehm wachsen konnten. Die Reifung von Kakaobäumen dauert jedoch mehrere Jahre, und sie sind nicht sehr produktiv: Ein einzelner Baum produziert ungefähr genug Schoten, um jedes Jahr ein Pfund Schokolade zu produzieren.
Das drängendste Problem scheint jedoch zu sein, dass diese Bäume sehr anfällig für Krankheiten sind. In den späten 1980er Jahren begann auf Kakaobäumen in der brasilianischen Region Bahia eine verheerende Seuche mit einem phantasievollen Namen - Hexenbesenpilz - zu blühen. Hexenbesen hat seinen Namen von den kleinen, besenförmigen Büscheln von Zweigen, die sich auf infizierten Bäumen bilden. In nur einem Jahrzehnt ging Bahias Schokoladenproduktion um mehr als die Hälfte zurück. Wissenschaftler und Süßwarenhersteller fürchteten, dass Hexenbesen - oder Frostschoten, ein weiterer verheerender Pilz, der Kakaobäume befällt - Bauernhöfe in den westafrikanischen Ländern Ghana, der Elfenbeinküste und Nigeria erreichen würden, auf denen viele der weltweit führenden Kakaobohnenexporteure ansässig sind .
"Unser Problem war, dass wir in der Lage sein mussten, Bäume zu züchten, die resistent gegen frostige Schoten und Hexenbesen sind, bevor diese Krankheiten nach Westafrika gelangen", sagt David Kuhn, ein forschender Molekularbiologe des USDA in Miami. "Denn wenn [das] passiert, wird Ihr Schokoriegel $ 35 sein."
Wenn ein Schokoriegel im Wert von 35 US-Dollar keine Katastrophe darstellt, sind schätzungsweise 6, 5 Millionen Landwirte für ihren Lebensunterhalt auf Schokolade angewiesen, und eine plötzliche Veränderung des Marktes könnte verheerende Folgen haben.
Wissenschaftler in Miami untersuchten, krankheitsresistente Bäume zu züchten, aber es ging nur langsam voran. Kuhn erklärt: „Die Baumzucht ist von Natur aus ein sehr langsamer Prozess. Sie müssen ein Kreuz machen, die Bäume von Hand bestäuben, die Schoten holen, die Samen nehmen, sie pflanzen und dann drei bis fünf Jahre warten, bis diese Bäume blühen, und dann können Sie sie bewerten. “In Mit anderen Worten, es dauert drei bis fünf Jahre, bis Wissenschaftler herausfinden können, ob eine bestimmte Baumart erfolgreich zu krankheitsresistenten Bohnen gezüchtet wurde.
Howard Shapiro von der Firma Mars stellte ein weltweites Team von Wissenschaftlern zusammen, um das Kakaogenom zu sequenzieren. (Smithsonian Archives Center, Nationalmuseum für amerikanische Geschichte) 2008 stimmte das Süßwarenunternehmen Mars, Inc., inspiriert vom Aufstieg der Sequenziertechnologie, unter der Leitung von Howard Shapiro zu, 10 Mio. USD für die Finanzierung eines multinationalen Projekts zur Sequenzierung des gesamten T. cacao- Genoms bereitzustellen . Eine vollständige Kopie könnte den Züchtungsprozess beschleunigen, indem Wissenschaftler und Züchter schneller feststellen können, welche spezifischen Gene vor Krankheiten schützen. Da der Baum tropisch ist, hat sich ein multinationales Konsortium entwickelt, um am Kakaogenomprojekt zu arbeiten. Ein Team in Costa Rica beprobte einen lokalen T.-Cacao- Baum. Kuhns Labor in Miami half dabei, das genetische Material der Pflanze zu extrahieren, und schickte dieses Material dann an Labore, in denen das genetische Material verarbeitet und sequenziert wurde.
T. cacao war die „erste große Pflanze, die wir jemals gemacht haben“, sagt Keithanne Mockaitis, die frühere Sequenzierungsleiterin an der Indiana University. Sie hatte einige Jahre mit dem Roche 454 und anderen Sequenzern der nächsten Generation zusammengearbeitet, aber die Größe und die Details des T. cacao- Projekts machten es zu einem ihrer bislang ehrgeizigsten Projekte.
Sie sagt, Mars habe dabei geholfen, Wissenschaftler, Züchter und Bauern aus der ganzen Welt einander vorzustellen. „Wir hatten Konferenzen und manchmal luden sie die afrikanischen Kakaozüchter tatsächlich ein, und das war wunderbar, weil ich sie treffen und verstehen konnte, was sie wissen“, sagt Mockaitis.
Die Kontakte zu den Landwirten waren von unschätzbarem Wert, auch weil die Daten des Projekts Open Source wären. Das bedeutet, dass die Ergebnisse der Wissenschaftler auf einer Website für alle, die darauf zugreifen möchten, kostenlos zur Verfügung gestellt werden.
Die erste öffentliche Website wurde 2010 mit einer vollständigen Reihe von Ergebnissen veröffentlicht. Weitere drei Jahre arbeitete das Team daran, Daten hinzuzufügen und ein vollständigeres Genom zu generieren. 2013 veröffentlichten sie eine Veröffentlichung. Obwohl die Herausforderungen für Schokolade bestehen bleiben, ist das Genom laut Mockaitis ein positiver erster Schritt.
Vor sechs Jahren stieß Peter Liebhold, Vorsitzender der Abteilung für Arbeit und Industrie des Museums, auf das Kakaogenomprojekt, als er nach potenziellen Artefakten für eine große Ausstellung zur Geschichte amerikanischer Unternehmen suchte. Er war von dem Open-Source-Projekt angetan, weil es einen neuartigen und erfolgreichen Ansatz für den Forschungs- und Entwicklungsprozess darstellte.
„Wir wollten sagen, dass F & E auf sehr unterschiedliche Weise wichtig und erfolgreich ist“, sagt Liebhold. Er kam auf die Idee, den Roche-454-Sequenzer der Indiana University zu erwerben, dem man zuschreiben kann, dass er der geretteten Schokolade geholfen hat.
Obwohl die Maschine nicht mehr verwendet werden konnte und durch neuere Technologien ersetzt wurde - es war geplant, dass der Hersteller sie 2015 abbricht -, war die Bitte um einen vollständigen Gensequenzer mutig. In ihrer Blütezeit kosten Sequenzer rund 700.000 US-Dollar (da die Produktpalette derzeit eingestellt ist, können Sie sie bei eBay zu einem viel günstigeren Preis kaufen). „Die Freude an der Arbeit im Smithsonian ist, dass man von Menschen unzumutbare Anfragen stellen kann“, sagt Liebhold.
Mockhaitis, eine gebürtige Virginia-Amerikanerin, die ihre Teenager-Reisen zum Smithsonian als einen der Gründe nennt, warum sie Wissenschaftlerin wird, war begeistert von der Anfrage. Roche erklärte sich bereit, die Indiana University zu bezahlen, um ihre Maschine zu spenden, zu versenden und zu warten. Mockaitis war in ein neues Labor umgezogen, aber sie ergänzte die Spende mit Probenröhrchen und Testplatten aus ihrem Labor.
Eine der von Mockaitis gespendeten Platten - eine sogenannte Picotiter-Testplatte - erscheint in der Ausstellung neben einem Foto von Kakaobauern und einer Nachbildung einer Kakaofrucht. Auf einem Foto leuchtet der Sequenzer vor einem dunklen Hintergrund, und seine sauberen Oberflächen scheinen vor Funktion zu brummen. Über dem Foto befindet sich ein langes, stumpfes Messer, das ein Kakaobauer bei einer Ernte verwenden könnte. Die Kluft zwischen den beiden Instrumentensätzen ist groß, aber wie das Exponat zu demonstrieren versucht, kann die Kluft überbrückt werden.
"Diese [Geschichte] ist besonders schön, weil es eine so globale Geschichte ist", sagt Warner. "Wir haben Wissenschaftler in ganz Nordamerika und die Arbeit wird den Landwirten in anderen Teilen der Welt zugute kommen."
Der Sequenzer selbst befindet sich derzeit in einer Box im Speicher des Museums. Es war zu groß für die Ausstellung, sagt Warner, aber sie wird es jedem zeigen, der danach fragt, einschließlich - vor kurzem - einer Führungskraft von Roche. Liebhold räumt ein, dass die Technologie „nicht mehr auf dem neuesten Stand ist“. Der Sequenzer war entscheidend für die Geschichte, ist aber bereits in die Geschichte eingegangen.
Die neue Dauerausstellung „American Enterprise“, die am 1. Juli im Smithsonian National Museum of American History in Washington, DC, eröffnet wurde, zeigt die Entwicklung der Vereinigten Staaten von einer kleinen abhängigen Landwirtschaftsnation zu einer der größten Volkswirtschaften der Welt.
