ثورة المصانع الحيوية: برمجة الحياة كمصنع

التحول من المصانع الكيميائية إلى المصانع البيولوجية

كيف تحل الشفرة الرقمية محل المواد الكيميائية الاصطناعية

بمجرد أن بدأ العلماء الأوائل يدركون أن العالم المادي المحيط بهم يتكون من مكونات نقية منفصلة، ​​شرعوا في العمل على فهمه بشكل أفضل. وقد مهدت جهود الخيميائيين الأوائل الطريق لعلماء عصر التنوير وبداية العصر الحديث، حين اكتشفوا العناصر المنفصلة وأساسيات علم الأحياء: الخلايا، والحمض النووي، وغيرها.

وفي الوقت نفسه، كانت الصناعة الكيميائية تُنشئ صناعة الأدوية المبكرة، باستخدام الأدوية الكيميائية الاصطناعية لتغيير العمليات البيولوجية لدى المرضى، مثل استخدام حمض الساليسيليك (الأسبرين) لخفض الحمى.

مع مرور الوقت، أصبحت المواد الكيميائية المستخدمة في الطب والصناعة أكثر تعقيدًا. ومع ذلك، فكلما زاد تعقيد الجزيء، زادت صعوبة تصنيعه بالطرق الكيميائية الاصطناعية، بل ويصبح ذلك مستحيلاً تمامًا بالنسبة لأكثر البروتينات أو المركبات الكيميائية الحيوية تعقيدًا.

ثم سمحت الهندسة الحيوية بإنتاج الميكروبات المعدلة وراثيًا لإنتاج الأنسولين الرخيص والآمن، وهرمون النمو، والأجسام المضادة، وما إلى ذلك، مما أدى إلى إنشاء مجال التكنولوجيا الحيوية كمجال ذي صلة، ولكنه منفصل عن مجال المستحضرات الصيدلانية.

لقد كانت هذه ثورة هائلة في الكيمياء الحيوية والطب، حيث أصبحت المركبات التي كانت في السابق باهظة الثمن للغاية أو مستحيلة الحصول عليها متوفرة بكثرة ورخيصة الإنتاج.

اليوم، تتلاقى العديد من التقنيات الجديدة (البيانات الضخمة، والذكاء الاصطناعي، والأتمتة، والهندسة الوراثية الدقيقة، والتحليلات المتقدمة، وما إلى ذلك) لفتح حقبة جديدة في علوم الحياة: ثورة المسابك الحيوية.

ما وراء الطبيعة: إعادة تصميم الكائنات الحية للصناعة

تميز عصر التقنية الحيوية باستخدام التعديلات الجينية الاصطناعية لجعل الكائنات الدقيقة تنتج جزيئات حيوية ذات أهمية، وعادةً ما تكون منتجات طبية. وقد أثبت هذا الأمر ربحيةً هائلة، حيث أن العديد من هذه الجزيئات إما منقذة للحياة أو منتجات ذات قيمة عالية، والتي كان من الممكن سابقًا الحصول عليها بكميات صغيرة فقط وبطرق مكلفة.

إلا أن هذا الأمر ينطوي على قيد جوهري يتمثل في قدرته على محاكاة ما هو موجود بالفعل في الكائنات الحية. ولكن حتى يومنا هذا، لا يزال إنتاج العديد من المواد والجزيئات المفيدة يعتمد على مواد كيميائية مصنعة صناعياً، باستخدام أساليب سامة أو تُنتج انبعاثات كربونية.

لذا، في حين أن تغيير نظام الطاقة لدينا من خلال السيارات الكهربائية والبطاريات والطاقات المتجددة أمر مهم، فإن إيجاد بدائل أكثر خضرة للإنتاج الكيميائي لا يقل أهمية عن ذلك لحل معظم مشاكل العالم الحديث: التلوث البلاستيكي، وتغير المناخ، والزراعة المستدامة، والإنتاج الصناعي غير الملوث، والأمن البيولوجي، والأمراض المستعصية، والطب التجديدي، وعلاجات إطالة العمر، وما إلى ذلك.

ولجميع هذه المشاكل، يجري الآن تطبيق حل: نموذج المؤسسة الحيوية.

كيف يعمل نموذج المسبك الحيوي: تقارب تكنولوجي

علم الجينوم المتعدد، وتقنية كريسبر، وظهور "الترميز الحيوي"

شهد فهم علم الأحياء وعلم الوراثة تقدماً هائلاً في السنوات الأخيرة، وتعتمد الأجزاء الرئيسية منه على عدد قليل من التقنيات الحديثة.

أولها التسلسل وعلم الجينوم، والذي أصبح رخيصًا بما يكفي ليتم إجراؤه بشكل روتيني بأقل من 1,000 دولار لكل كائن حي.

وقد تم دمجها الآن مع العديد من مجالات "الأوميكس" الأخرى (علم النسخ، علم البروتينات، علم الأيض، علم التخلق، علم الأحياء الدقيقة، علم الأحياء المكاني) لإنشاء متعدد الوسائط، فهم شامل لجميع مستويات التعقيد المتعددة في الكائنات الحية.

تقنية جديدة أخرى هي كريسبر، وهي طريقة جديدة لتحرير الجينات تم اكتشافها في عام 2012، والتي أصبحت منذ ذلك الحين أقوى طريقة لتحرير جينات جميع أنواع الكائنات الحية، بما في ذلك علاج الأمراض النادرة.

وأخيراً، فإن ظهور البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي وأشكال أخرى من التحليلات المتقدمة قد منح علماء الأحياء الأدوات اللازمة لمعالجة وفهم سيل البيانات الذي أحدثته علم الجينوم المتعدد.

عند جمعهما معًا، تظهر قدرة جديدة تمامًا.

إن الجمع بين كميات هائلة من البيانات من علم الجينوم البيولوجي الحقيقي وتحليل الذكاء الاصطناعي يعني أنه يمكن رسم خريطة للعملية الكاملة لإنشاء جزيئات معقدة، ونمذجتها، وحتى محاكاتها بالكامل. في silicoوهذا يتيح الفرصة لاختبار آلاف الاحتمالات تقريبًا أو إنشاء بروتينات جديدة تمامًا من الصفر بخصائص جديدة.

وبفضل تقنية كريسبر، أصبح وضع هذه الأفكار في الكائنات الحية الدقيقة أو النباتات الحقيقية أسرع وأكثر دقة وسهولة من أي وقت مضى، مما يحولها إلى مصانع بيولوجية محكمة التحكم، أو "المصانع البيولوجية"، وهو فرع من فروع البيولوجيا التركيبية.

بما أن الحمض النووي هو في الأساس شفرة بيولوجية، فإن سهولة صنع الكائنات المعدلة وراثيًا وتصميم الأنظمة البيولوجية الجديدة تجعل علم الأحياء قريبًا جدًا من البرمجة الحاسوبية.

تخيل خلية. إنها أشبه بآلة صغيرة تعمل برمز رقمي، تشبه إلى حد كبير جهاز الكمبيوتر، إلا أن الرمز هنا - بدلاً من الأصفار والآحاد - يتكون من الأحرف A وT وC وG. لذا، فإن علم الأحياء التركيبي هو برمجة الخلايا كما نبرمج أجهزة الكمبيوتر، وذلك بتغيير رمز الحمض النووي (DNA) داخلها. نحن أشبه بمبرمجي خلايا محترفين. مهمتنا هي جعل الخلية تفعل ما يريده عملاؤنا.

جيسون كيلي - الرئيس التنفيذي لشركة جينكو بيووركس

من البلاستيك إلى العطور: ما يمكن أن تصنعه مصانع الصهر الحيوي

يمكن نظرياً استبدال العديد من المواد الكيميائية التي تنتجها الصناعات الكيميائية حالياً بوسائل مصنعة بيولوجياً، إما بنفس الجزيء الذي تنتجه الكائنات الحية، أو ببدائل ذات خصائص مماثلة.

فعلى سبيل المثال، تنتج الكائنات الحية الدقيقة في التربة والنباتات بشكل روتيني كميات صغيرة من الأسمدة والإيثانول والإيثيلين، وهي جميعها جزيئات تُنتج بكميات كبيرة حاليًا في الصناعات الكيميائية. لذا، فإن زيادة الإنتاجية أو خفض تكلفة الإنتاج بواسطة الكائنات الحية قد يكون له تأثير أقل بكثير على انبعاثات الكربون.

هدف آخر هو تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري من خلال إنتاج البوليمرات، بما في ذلك المنسوجات والبلاستيك (1,4-بيوتانيديول، 1,3-بروبانيديول، بولي هيدروكسي ألكانوات، بولي لاكتيك، إلخ) من خلال مسارات التمثيل الغذائي البيولوجية.

يمكن أيضاً إنتاج العطور عالية القيمة والأحماض الأمينية والفيتامينات والحرير والنكهات مثل الفانيلين ومكونات مستحضرات التجميل مثل السكوالين أو حمض الهيالورونيك بكميات كبيرة بشكل طبيعي وبتكلفة رخيصة، على الأقل من الناحية النظرية.

وبالطبع، يمكن للعديد من الجزيئات البيولوجية المخترعة حديثًا أن تشكل لقاحات اصطناعية، وعلاجات مضادة للسرطان، ومصادر بديلة للبروتين والغذاء (اللحوم المستزرعة، وما إلى ذلك).

وأخيرًا، يمكن إنتاج منتجات جديدة كليًا بهذه الطريقة. على سبيل المثال، يمكن أن يُشكّل فطر الميسيليوم بديلاً عمليًا للجلود والمنسوجات الأخرى. أو يمكن إعادة تدوير انبعاثات الكربون مباشرةً إلى منتجات مفيدة قبل وصولها إلى الغلاف الجوي.

نموذج أعمال البحث كخدمة

بناء أوجه التآزر

وإذا كانت التكنولوجيا اللازمة للقيام بذلك قد نضجت، إلا أنه ليس من السهل عملياً إعادة كتابة عملية التمثيل الغذائي لكائن حي حقيقي بالكامل، مع الحفاظ على إنتاجيته أيضاً.

لهذا السبب، يتزايد التوجه نحو إسناد هذه المهمة إلى شركات متخصصة تمتلك المعدات والخبرة والمواد البيولوجية المناسبة لإنجازها. يتيح نموذج "البحث كخدمة"، والذي يُطلق عليه أحيانًا "الكائنات الحية عند الطلب"، للمشاريع والمفاهيم المختلفة التعاون فيما بينها في مختلف المجالات.

على سبيل المثال، يمكن لكائن دقيق طُوِّرَ سابقًا لامتصاص انبعاثات الكربون أن يستخدم هذا الكربون لإنتاج الإيثيلين، وهو مُركَّب أساسي في العديد من تفاعلات التخليق الكيميائي. لكن شركةً تُركِّز على أرصدة الكربون لن يكون لديها استخدام فوري للإيثيلين أو خبرة به، بينما قد لا تمتلك شركة كيميائية مصدرًا للكربون في متناول يدها. ولكن باستخدام نفس مُقاول التصنيع الحيوي، يُمكن للشركتين تطوير أوجه تآزر وجعل العملية أكثر كفاءة.

وبالمثل، يمكن نشر طريقة جديدة محسنة للتعديلات الجينية لعشرات التطبيقات المختلفة، مما يقلل من تكلفة البحث والتطوير في نطاق أوسع من المشاريع.

شركة جينكو بيووركس: "الحمض النووي" للبيولوجيا التركيبية

لم تكن أي شركة في طليعة مجال "الكائنات الحية حسب الطلب" أكثر من شركة جينكو بيووركس. فمنذ تأسيسها عام 2008 على يد خمسة علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كرست الشركة جهودها لإنتاج بكتيريا معدلة وراثيًا للتطبيقات الصناعية، مع اعتبار التكنولوجيا الحيوية، التي عادة ما تكون محور هذا النشاط، مجرد فكرة ثانوية.

كانت شركة Ginkgo أول شركة للتكنولوجيا الحيوية تنضم إلى برنامج تسريع الشركات الناشئة الشهير Y Combinator في عام 2014. طرحت الشركة أسهمها للاكتتاب العام في عام 2021 من خلال عملية اندماج SPAC وتمكنت من الحصول على رمز NYSE DNA، الذي كانت تمتلكه سابقًا شركة Genentech الرائدة في مجال التكنولوجيا الحيوية (قبل استحواذ Roche عليها).

ومنذ ذلك الحين، تطورت شركة جينكو بيووركس لتصبح شريكاً رئيسياً للعديد من الشركات الصناعية والصيدلانية والزراعية.

المصدر جينكو بيووركس

فعلى سبيل المثال، قامت بتطوير كائنات حية جديدة لبرامج بحثية متنوعة:

• ميكروبات قابلة للبرمجة لعلاج أمراض الأمعاء.
• المعالجة البيولوجية للجسيمات البلاستيكية الدقيقة.
• العلاجات واللقاحات القائمة على الحمض النووي الريبي (RNA).
• إعادة تدوير النفايات والملوثات.
• مكافحة أمراض فول الصويا الخطيرة في البرازيل.
• استبدال الأسمدة النيتروجينية بالبكتيريا
• القنب.
• التصنيع الأمثل للمواد البيولوجية والببتيدات
• إنتاج المكونات الصيدلانية الفعالة (API) من خلال التحفيز الحيوي والتخمير على نطاق واسع.
• حلول التشخيص الجزيئي، من خلال قاعدة بيانات إنزيمية خاصة ومصممي إنزيمات خبراء.
• العلاج الخلوي وتعديل الجينات.

تحوّل شركة جينكو: بيع حلول الأمن البيولوجي للمختبرات المستقلة

بيع أعمال الأمن البيولوجي

خلال جائحة كوفيد-19، وسّعت شركة جينكو أعمالها في مجال الأمن البيولوجي بسرعة، وهو نشاط يرصد المخاطر البيولوجية، في الغالب لصالح الحكومات. ثم تطورت إلى منصة رادار بيولوجي متكاملة.

لقد قدم هذا النشاط التجاري فوائد لا تقدر بثمن خلال فترة الجائحة من خلال برامج الفحص على مستوى الولاية والمستوى الوطني، وحقق إيرادات سنوية بلغت ذروتها بأكثر من 300 مليون دولار. ونحن فخورون بالمساهمة في افتتاح أكثر من 5,000 مدرسة على مستوى البلاد.

إلا أن هذا النشاط منفصل نسبياً عن باقي مشاريع شركة جينكو بيووركس. لذا قررت إدارة الشركة بيعه إلى مجموعة من المستثمرين، وتأسيس كيان خاص مستقل جديد باسم تاور بيوسكيوريتي، مع احتفاظ جينكو بحصة ملكية تبلغ 20%.

من مزود خدمة إلى شراكات عالية القيمة

يُعدّ نشاط "إنتاج الكائنات الحية حسب الطلب" حاليًا جوهر أعمال الشركة، حيث يُمثّل قطاعا الأغذية والزراعة والأدوية والتكنولوجيا الحيوية أكبر قطاعاتها. إلا أن إيرادات هذا النشاط قد انخفضت بين الربع الأخير من عام 2024 والربع الأخير من عام 2025، نتيجةً لانخفاض عام في الاستثمار في التكنولوجيا الحيوية خلال هذه الفترة.

المصدر جينكو بيووركس

عانى هذا القطاع من حالة من عدم اليقين النسبي بشأن نموذج أعماله. في البداية، خططت شركة جينكو لتوفير القدرات البحثية كخدمة بحتة، بسعر ثابت وهدف واضح. وقد جعل هذا من جينكو شريكًا بحثيًا يتمتع بشعبية كبيرة.

ومع ذلك، فإن هذا يعني أيضًا أنه لم تكن هناك عوائد متبقية أو إيرادات إضافية بمجرد الانتهاء من المشروع، مما يعني أن شركة جينكو كانت عالقة في دوامة لا نهاية لها من المشاريع الجديدة، حيث لم تترجم البراعة التكنولوجية حقًا إلى إيرادات.

ومنذ ذلك الحين، بدأت في تطوير كائنات حية جديدة ذات بنية شراكة. على سبيل المثال، تحقيق إنجاز هام في مشروع مع شركة ميرك، مما أدى إلى دفع مبلغ 9 ملايين دولار في الربع الرابع من عام 2024 ودفعات أكبر لاحقاً في المرحلة الثانية من المشروع.

أخذت الشركة على محمل الجدّ ضرورة إعادة الهيكلة لزيادة التدفقات النقدية، وبذلت جهودًا حثيثة لخفض استنزاف السيولة النقدية، حيث انخفض بنسبة 73% خلال العام الماضي. وفي الوقت نفسه، لا تعاني الشركة من ديون كبيرة، مما يقلل من المخاطر المالية.

المصدر جينكو بيووركس

صعود مختبر الروبوتات المعياري والمستقل

إذا كانت هندسة الخلايا هي محور الشركة في الماضي، فإن مستقبلها الآن يكمن في استخدام الذكاء الاصطناعي ومختبراتها الآلية الخاصة لتقليل التكاليف وتحسين إنشاء مصانع بيولوجية جديدة.

المختبرات الآلية وهي تقنية تعمل عليها شركة جينكو منذ فترة، حيث أن معظم العمل في المختبرات البيولوجية حتى اليوم عبارة عن مهام يدوية متكررة ومملة، وغالبًا ما تستهلك الجزء الأكبر من وقت القوى العاملة الحاصلة على شهادات الماجستير والدكتوراه.

ولتغيير هذه الطريقة، قامت بإنشاء منصة معيارية آلية، قادرة على أداء مهام المختبر دون تدخل بشري مثل زراعة الخلايا ونقل المواد الكيميائية والتحليل المجهري وما إلى ذلك.

المصدر جينكو بيووركس

أهم ما يميز هذا التصميم هو قابليته للتجزئة. إذ يمكن ربط كل جزء بآخر لتكوين ما يشبه "سلسلة تجميع" للتجارب العلمية والتحليلات البيولوجية.

يتم دمج هذا الحل مع عرض برمجي، مما يخلق حلاً مرنًا يمكن تكييفه وتعديله في غضون أيام أو ساعات فقط، مقارنة بالبنى التحتية البحثية الأكثر صرامة والتي تتطلب أشهرًا من إعادة التكوين المكلفة للمشاريع الجديدة.

المصدر جينكو بيووركس

يوفر هذا المزيج المرونة اللازمة للبحث (مقارنة بالإنتاج الضخم)، وكذلك الأتمتة اللازمة لتسريع البحث وتقليل التكاليف، حيث يمكن للمختبر الآلي أن يعمل بشكل أسرع من الإنسان وعلى مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

تخطط شركة جينكو لتقديم هذه التقنية بصيغتين:

• "قم ببناء مختبرك الخاص"، حيث تقوم الشركة بتصنيع وصيانة وحدات المختبر الآلية، ولكن العمليات اليومية والملكية تعود للعميل.
• يمكنك الوصول إلى مختبر جينكو الرائد المستقل من خلال التعاقد المباشر على الخدمة.

نقطة بيانات: توليد 10,000 تجربة في أسابيع

بينما يقوم نظام التشغيل الآلي بتوليد البيانات البيولوجية، تقوم شركة داتابوينت بمعالجتها وتحويلها إلى رؤى مفيدة.

والعنصر الأساسي هو التوليد السريع للبيانات التي يمكن أن توجه المزيد من الفرضيات، والتكرار السريع للتجارب الجديدة لمواصلة المضي قدمًا.

المصدر الجنكة Bioworks

بفضل هذه الخدمة، تستطيع شركة جينكو توفير بيانات تخص العميل بالكامل، وهو ما يمثل ميزة تنافسية في الشراكات مع شركات التكنولوجيا الحيوية أو شركات الأدوية الأخرى.

يمكن توليد البيانات في غضون 3 أسابيع فقط، مع أكثر من 10,000 اضطراب كيميائي وجيني في المختبر في كل نوع من أنواع الخلايا، ومجموعة واسعة من الأساليب التحليلية المتاحة لدراسة النتائج.

يمكن استخدام النظام نفسه لتوليد أجسام مضادة جديدة بسرعة، وهو نوع من الجزيئات سرعان ما أصبح دواءً أساسياً في علم الأورام وغيره من المجالات الطبية. يستطيع نبات الجنكة فحص ما يصل إلى 2,400 جسم مضاد مختلف بالتوازي، بفضل بنية تحتية مختبرية آلية بقيمة مليار دولار.

البحوث البيولوجية المدعومة بالذكاء الاصطناعي

أقامت شركة جينكو شراكة مع شركة أوبن إيه آي لاستخدام نموذج ChatGPT 5 في سياق البحوث البيولوجية. وقد أبلغت الشركة عن تحسن كبير في الإنتاجية.

"أفادت الشركة بأن النظام قلل من تكاليف تفاعل تخليق البروتين الخالي من الخلايا بنسبة 40٪ مقارنة بأحدث التقنيات، وذلك أثناء تشغيل 36,000 حالة تجريبية عبر ست دورات متكررة."

اقتصر التدخل البشري في المقام الأول على تحضير الكواشف وتحميلها وتفريغها والإشراف على النظام، بينما تولى المختبر المستقل الذي يعمل بنظام GPT-5 تصميم التجارب وتنفيذها وتفسير البيانات وتوليد الفرضيات.

تم نشر النموذج المستخدم كمصدر مفتوح، يمكن للمجتمع العلمي طلب مزيج التفاعل الخالي من الخلايا والمُحسَّن بالذكاء الاصطناعيمما يحول الجنكة إلى أداة بحثية مهمة مفتوحة المصدر للعلماء في جميع أنحاء العالم.

كان الجنكة أيضًا منحت الحكومة الأمريكية مبلغ 47 مليون دولار لتطوير مرفق بحثي كبير لـ مهمة التكوين، وهو موقع تبلغ مساحته 32,000 قدم مربع يُعرف باسم القدرة على تحديد النمط الظاهري الجزيئي للميكروبات (M2PC)سيضم أكثر من 100 جهاز تحليلي آلي، ومن المتوقع أن يكون جاهزاً للعمل بشكل كامل للباحثين العالميين بحلول عام 2030.

"سيستفيد الفريق من الذكاء الاصطناعي المتقدم لفك شفرة وظائف البروتينات والمسارات، وأتمتة توليد البيانات وجمعها، ودمج أنظمة الحوسبة التجريبية والفائقة التابعة لوزارة الطاقة مع شركات التكنولوجيا الحيوية والذكاء الاصطناعي."

التوقعات طويلة الأجل: هل أصبح الاستثمار في الجنكة مربحاً أخيراً؟

انطلاقاً من كونها مبتكرة نموذج أعمال المسابك البيولوجية وفاعلاً مهماً في مجال الأمن البيولوجي، تعيد شركة جينكو الآن ابتكار نفسها كشركة رائدة في أتمتة البحوث البيولوجية وشريك رئيسي في تكنولوجيا البحث والتطوير القائمة على الذكاء الاصطناعي.

مع اندماج علم الأحياء مع الذكاء الاصطناعي، سيتم استبدال العديد من العمليات الصناعية تدريجياً ببدائل حيوية أكثر استدامة، محايدة للكربون، وغير سامة، وأقل تكلفة. في هذه الرؤية المستقبلية، تصبح الكائنات الحية قابلة للبرمجة كشفرة حاسوبية، بل وأكثر تأثيراً على العالم الحقيقي.

يمثل هذا فرصة هائلة لشركة Gingko Bioworks، سواء للمشروع الذي تعمل عليه بالفعل، أو لتصميم مختبرها الآلي ليصبح معيارًا لمعظم فرق البحث على المدى الطويل.

إلى جانب تحسين نموذج أعمال هندسة الخلايا (مع المزيد من حقوق الملكية وعقود تقاسم الإيرادات الأكثر عدلاً)، من شأن ذلك أن يساعد في جعل شركة جينكو مربحة في السنوات القادمة.

(يمكنك أيضًا قراءة المزيد عن شركات البيولوجيا التركيبية الأخرى في "أفضل 5 شركات عامة في مجال الأحياء الاصطناعية")

الأحدث جينكو بيووركس (الحمض النووي) أخبار وتطورات الأسهم