Biofoundry-revolutionen: Programmering af livet som en fabrik

Skiftet fra kemi til biologiske fabrikker

Hvordan digital kode erstatter syntetiske kemikalier

Så snart de tidlige videnskabsmænd begyndte at forstå, at den materielle verden omkring dem var lavet af separate, rene komponenter, begyndte de at arbejde på at forstå den bedre. De tidlige alkymistiske bestræbelser banede vejen for videnskabsmænd fra oplysningstiden og den tidlige moderne periode, hvor de opdagede de separate elementer og det grundlæggende i biologi: celler, DNA osv.

Samtidig skabte den kemiske industri den tidlige medicinalindustri, hvor man brugte syntetiske kemiske lægemidler til at ændre biologiske processer hos patienter, f.eks. brugen af ​​salicylsyre (aspirin) til at sænke feber.

Kemikalier, der blev brugt i medicin og industri, blev gradvist mere og mere komplekse. Men i vid udstrækning gælder det, at jo mere komplekst et molekyle er, desto vanskeligere bliver det at syntetisere det ved hjælp af kunstige kemiske metoder. Og det bliver direkte umuligt for de mest komplekse proteiner eller biokemiske forbindelser.

Derefter muliggjorde bioteknologi produktion af billig og sikker insulin, væksthormon, antistoffer osv. ved hjælp af GMO-mikrober, hvilket skabte bioteknologi som et beslægtet, men separat felt fra lægemidler.

Dette var en massiv revolution inden for biokemi og medicin, der pludselig gjorde det rigeligt og billigt at producere forbindelser, der tidligere var ekstremt dyre eller umulige at få fat i.

I dag konvergerer mange nye teknologier (big data, kunstig intelligens, automatisering, præcis genteknologi, avanceret analyse osv.) og åbner for en ny æra inden for biovidenskab: biofoundry-revolutionen.

Ud over naturen: Redesign af organismer til industrien

Bioteknologi-æraen var præget af brugen af ​​kunstige genetiske modifikationer til at få mikroorganismer til at producere interessante biomolekyler, normalt medicinske produkter. Dette har vist sig at være ekstraordinært rentabelt, da mange af disse molekyler enten er livreddende eller værdifulde produkter, der tidligere kun kunne høstes i små mængder ved hjælp af dyre metoder.

Dette har dog den iboende begrænsning, at det kun er i stand til at replikere, hvad der allerede findes i levende organismer. Men den dag i dag er produktionen af ​​masser af materialer og nyttige molekyler afhængig af kemikalier, der er produceret kunstigt ved hjælp af giftige eller kulstofudledende metoder.

Så selvom det er vigtigt at ændre vores energisystem gennem elbiler, batterier og vedvarende energi, er det lige så vigtigt at finde flere grønne alternativer til kemisk produktion for at løse de fleste af den moderne verdens problemer: plastikforurening, klimaforandringer, bæredygtigt landbrug, ikke-forurenende industriproduktion, biosikkerhed, uhelbredelige sygdomme, regenerativ medicin, behandlinger for lang levetid osv.

Og på alle disse problemer bliver der nu taget en løsning i brug: biofoundry-modellen.

Sådan fungerer biofoundrymodellen: En teknologisk konvergens

Multiomics, CRISPR og fremkomsten af ​​"biokodning"

I de senere år har forståelsen af ​​biologi og genetik gjort enorme fremskridt. De vigtigste dele er afhængige af et par nye teknologier.

Den første er sekventering og genomik, som er blevet billigt nok til at kunne gøres rutinemæssigt for under 1,000 dollars pr. organisme.

Det kombineres nu med mange andre "-omics" (transkriptomics, proteomics, metabolomics, epigenomics, mikrobiomics, rumlig biologi) for at skabe multiomics, en holistisk forståelse af alle de mange niveauer af kompleksitet i levende organismer.

En anden ny teknologi er CRISPR, en ny metode til genredigering, der blev opdaget i 2012, og som siden er blevet den mest effektive måde at redigere generne i alle typer organismer, herunder til at kurere sjældne sygdomme.

Endelig gav fremkomsten af ​​big data, kunstig intelligens og andre former for avanceret analyse biologer værktøjerne til at bearbejde og give mening til den strøm af data, som multiomics har skabt.

Når de samles, opstår en helt ny kapacitet.

Kombinationen af ​​tonsvis af data fra virkelige biologiske multiomics med AI-analyse betyder, at hele processen med at skabe komplekse molekyler kan kortlægges, modelleres og endda fuldt simuleres. i silicoDette åbner muligheden for at teste stort set tusindvis af muligheder eller skabe helt nye proteiner med nye egenskaber fra bunden.

Og takket være CRISPR har det aldrig været hurtigere, mere præcist eller nemmere at omsætte disse ideer til virkelige mikroorganismer eller planter og omdanne dem til velkontrollerede biologiske fabrikker eller "biofoundries", en underafdeling af syntetisk biologi.

Da DNA i bund og grund er en biologisk kode, bringer den nemme fremstilling af GMO'er og design af nye biosystemer biologien meget tæt på computerkodning.

"Tænk på en celle. Det er lidt ligesom en lille maskine, der kører på digital kode, meget lig en computer, bortset fra at det i dette tilfælde er koden – i stedet for nuller og ettaller er det A'er, T'er, C'er og G'er. Så syntetisk biologi er at programmere celler, ligesom vi programmerer computere, ved at ændre DNA-koden i dem. Vi er lidt ligesom celleprogrammører til leje. Vores job er at få cellen til at gøre, hvad vores kunder ønsker."

Jason Kelly – Ginkgo Bioworks CEO

Fra plastik til parfume: Hvad biostøberier kan bygge

Mange af de kemikalier, der i øjeblikket produceres af den kemiske industri, kunne i teorien erstattes af biologisk fremstillede metoder. Enten med det samme molekyle produceret af levende organismer, eller med erstatninger med lignende egenskaber.

For eksempel producerer jordmikroorganismer og planter rutinemæssigt små mængder gødning, ethanol eller ethylen, som alle er molekyler, der i øjeblikket masseproduceres af den kemiske industri. Så et højere udbytte eller billigere produktion fra en levende organisme kan have en meget lavere CO2-påvirkning.

Et andet mål er at reducere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer ved at producere polymerer, herunder tekstiler og plast (1,4-butandiol, 1,3-propandiol, polyhydroxyalkanoater, polymælkesyre osv.) gennem biologiske metaboliske veje.

Værdifulde dufte, aminosyrer, vitaminer, silke, smagsstoffer som vanillin og kosmetiske ingredienser som squalan eller hyaluronsyre, alt sammen kunne også masseproduceres naturligt til en billig pris, i hvert fald i teorien.

Og selvfølgelig kan mange nyopfundne biologiske molekyler danne syntetiske vacciner, kræftbehandlinger, alternative protein- og fødekilder (dyrket kød osv.).

Endelig kan helt nye produkter produceres på denne måde. For eksempel kan svampemycelium skabe et levedygtigt alternativ til læder og andre tekstiler. Eller kulstofemissioner kan genbruges direkte til nyttige produkter, før de overhovedet når atmosfæren.

Forskning-som-en-service-forretningsmodellen

Opbygning af synergier

Hvis teknologien til at gøre det er modnet, er det dog ikke så simpelt i praksis fuldstændigt at omskrive metabolismen hos et virkeligt levende væsen, samtidig med at det forbliver produktivt.

Derfor er en voksende tendens til at outsource denne opgave til specialiserede virksomheder, der har udstyret, ekspertisen og det rette biologiske materiale til at udføre den. Denne "Research-as-a-Service"-model, også undertiden kaldet "organismer-på-behov", giver mulighed for, at forskellige projekter og koncepter hjælper hinanden på tværs af domæner.

For eksempel kan en mikroorganisme, der tidligere er udviklet til absorption af kulstofemissioner, også bruge dette kulstof til at producere ethylen, en vigtig forløber for utallige kemiske syntesereaktioner. Men en virksomhed med fokus på kulstofkreditter ville ikke have nogen umiddelbar brug af eller erfaring med ethylen, mens en kemisk virksomhed måske ikke har en kulstofkilde ved hånden. Men ved at bruge den samme biostøberi-entreprenør kan de to virksomheder udvikle synergier og gøre processen mere effektiv.

På samme måde kan en ny optimeret metode til genetiske modifikationer anvendes til snesevis af forskellige anvendelser, hvilket amortiserer omkostningerne til forskning og udvikling på en bredere vifte af projekter.

Ginkgo Bioworks: Syntetisk biologis "DNA"

Ingen virksomhed har været mere i spidsen for "organismer-på-behov" end Ginkgo Bioworks. Fra grundlæggelsen i 2008 af fem MIT-forskere har virksomheden været dedikeret til at producere GMO-bakterier til industrielle anvendelser, hvor bioteknologi, som normalt er fokus for en sådan aktivitet, kun er en overdrivelse.

Ginkgo var den første bioteknologiske virksomhed, der sluttede sig til det berømte Y Combinator startup accelerator-program i 2014. Virksomheden blev børsnoteret i 2021 gennem en SPAC-fusion og formåede at sikre sig NYSE-ticker-DNA'et, som tidligere var ejet af biotekpioneren Genentech (før det blev opkøbt af Roche).

Siden da har Gingko Bioworks udviklet sig til en nøglepartner for mange industri-, farmaceutiske og landbrugsvirksomheder.

Kilde: Gingko Bioworks

For eksempel udviklede den nye organismer til forskellige forskningsprogrammer:

• Programmerbare mikrober til tarmsygdomme.
• Bioremediering af mikroplast.
• RNA-terapi og vacciner.
• Genbrug af affald og forurenende stoffer.
• Bekæmpelse af kritiske sojabønnesygdomme i Brasilien.
• Udskiftning af kvælstofgødning med bakterier
• Cannabinoider.
• Optimeret fremstilling af biologiske stoffer og peptider
• Produktion af aktive farmaceutiske ingredienser (API) gennem opskaleret biokatalyse og fermentering.
• Molekylære diagnostiske løsninger gennem en proprietær enzymdatabase og ekspert enzymdesignere.
• Celleterapi og genredigering.

Gingkos omdrejningspunkt: Salg af biosikkerhed til autonome laboratorier

Salg af biosikkerhedsforretningen

Under COVID-pandemien udvidede Gingko hurtigt sin biosikkerhedsforretning, en aktivitet der overvåger biologiske risici, primært for regeringer. Derefter udviklede den sig til en komplet bioradarplatform.

Den forretning gav uvurderlige fordele under pandemien gennem vores statslige og nationale testprogrammer og resulterede i en årlig maksimal omsætning på over 300 millioner dollars. Vi var stolte af at være med til at åbne over 5,000 skoler landsdækkende.

Denne aktivitet er dog relativt uafhængig af resten af ​​Gingko Bioworks-projekterne. Derfor har virksomhedens ledelse besluttet at frasælge den til et konsortium af investorer og danne en ny, uafhængig privat enhed ved navn Tower Biosecurity, hvor Gingko stadig vil beholde en ejerandel på 20 %.

Fra serviceudbyder til partnerskaber med høj værdi

"Organisme-on-demand"-aktiviteten er for nuværende kernen i virksomhedens forretning, hvor det største segment er fødevarer og landbrug samt farmaceutisk og bioteknologisk industri. Omsætningen er dog faldet mellem 4. kvartal 2024 og 4. kvartal 2025 på grund af et generelt fald i investeringer i bioteknologi i denne periode.

Kilde: Gingko Bioworks

Dette segment har lidt under en relativ usikkerhed omkring sin forretningsmodel. Oprindeligt planlagde Gingko kun at levere forskningskapaciteten som en ren service med en fast pris og et klart slutpunkt. Dette gjorde Gingko ekstremt populær som forskningspartner.

Dette betød dog også, at der ikke var nogen resterende royalties eller ekstra indtægter, når projektet var færdigt, hvilket betød, at Gingko sad fast på en endeløs løbebånd af nye projekter, hvor teknologiske færdigheder ikke rigtigt omsattes til indtægter.

Siden da er den begyndt at udvikle nye organismer mere med en partnerskabsstruktur. For eksempel, Leveringen af ​​en vigtig milepæl i et projekt med Merck, hvilket førte til en udbetaling på 9 millioner dollars i 4. kvartal 2024 og større betalinger senere i projektets fase 2.

Behovet for at omstrukturere for at opnå mere likviditet blev taget alvorligt af virksomheden i den anden ende af ligningen, og der blev gjort en stor indsats for også at reducere likviditetsforbruget, som er faldet med 73 % i det seneste år. Samtidig har virksomheden heller ingen betydelig gæld, hvilket reducerer yderligere finansielle risici.

Kilde: Gingko Bioworks

Fremkomsten af ​​det modulære, autonome robotlaboratorium

Hvis celleteknologi tidligere var virksomhedens centrum, ligger dens fremtid nu i at bruge AI og egne automatiserede laboratorier til at reducere omkostninger og forbedre skabelsen af ​​nye biostøberier.

Automatiserede laboratorier er en teknologi, som Gingko har arbejdet på i et stykke tid, da det meste af arbejdet i biolaboratorier stadig i dag er gentagne og kedelige manuelle opgaver, der ofte optager størstedelen af ​​tiden for en arbejdsstyrke med kandidatgrader og ph.d.'er.

For at ændre denne metode har de skabt en automatiseret modulær platform, der er i stand til at udføre laboratorieopgaver som dyrkning af celler, overførsel af kemikalier, mikroskopisk analyse osv. uden menneskelig indgriben.

Kilde: Gingko Bioworks

Det vigtigste kendetegn ved dette design er dets modularitet. Hver af dem kan derefter forbindes med hinanden for at skabe en slags "samlekæde" til videnskabelige eksperimenter og bioanalyser.

Denne løsning kombineres med et softwaretilbud, der skaber en fleksibel løsning, der kan tilpasses og ændres på få dage eller timer sammenlignet med mere stive forskningsinfrastrukturer, der kræver måneders bekostelig omkonfiguration til nye projekter.

Kilde: Gingko Bioworks

Denne kombination giver både den fleksibilitet, der er nødvendig for forskning (sammenlignet med masseproduktion), men også den automatisering, der er nødvendig for at fremskynde forskningen og reducere omkostningerne, da det automatiserede laboratorium kan arbejde hurtigere end et menneske og døgnet rundt.

Gingko planlægger at tilbyde denne teknologi i to formater:

• "Byg dit eget laboratorium", hvor de automatiserede laboratoriemoduler fremstilles og serviceres, men den daglige drift og ejerskabet tilhører kunden.
• Få adgang til Ginkgos eget autonome frontlinjelaboratorium via direkte kontraktering af tjenesten.

Datapunkt: Generering af 10,000 eksperimenter på uger

Mens automatiseringstilbuddet genererer de biologiske data, bearbejder Datapoint dem til nyttige indsigter.

Nøgleelementet er den hurtige generering af data, der kan guide yderligere hypoteser, og den hurtige iteration af nye eksperimenter for at blive ved med at bevæge sig fremad.

Kilde: Ginkgo Bioworks

Med denne service kan Ginkgo levere data, der udelukkende tilhører klienten, hvilket er en konkurrencefordel i partnerskaber med andre biotek- eller farmaceutiske virksomheder.

Data kan genereres på så lidt som 3 uger, med over 10,000 in vitro kemiske og genetiske forstyrrelser i hver celletype og et bredt udvalg af analytiske metoder tilgængelige til at studere resultaterne.

Det samme system kan bruges til hurtig generering af nye antistoffer, en type molekyle, der hurtigt bliver en nøglemedicin inden for onkologi og andre medicinske områder. Ginkgo kan screene op til 2,400 forskellige antistoffer parallelt takket være en automatiseret våd lab-infrastruktur til en værdi af $1B.

AI-drevet bioforskning

Gingko etablerede et partnerskab med OpenAI for at bruge ChatGPT 5 i forbindelse med bioforskning. Der blev rapporteret en drastisk forbedring i produktiviteten.

"Virksomheden rapporterer, at systemet reducerede omkostningerne ved cellefri proteinsyntese med 40 % i forhold til den nuværende teknologi, mens der blev kørt 36,000 forsøgsbetingelser på tværs af seks iterative cyklusser."

Menneskelig involvering var primært begrænset til reagensforberedelse, påfyldning og aflæsning samt systemovervågning, mens eksperimentelt design, udførelse, datafortolkning og hypotesegenerering blev håndteret af det GPT-5-drevne autonome laboratorium.

Den anvendte model er blevet udgivet som open source, og Den AI-forbedrede cellefri reaktionsblanding kan bestilles af det videnskabelige samfund, hvilket gør Gingko til et vigtigt open source-forskningsværktøj for forskere verden over.

Ginkgo var også tildelt 47 millioner dollars af den amerikanske regering til at udvikle et stort forskningsanlæg til Genesis-missionen, et 32,000 kvadratmeter stort område kendt som Mikrobiel molekylær fænotypningskapacitet (M2PC)Det vil huse over 100 automatiserede analyseinstrumenter og forventes at være fuldt operationelt for globale forskere inden 2030.

"Teamet vil udnytte avanceret kunstig intelligens til at dechifrere protein- og signalvejsfunktion, automatisere datagenerering og -indsamling og integrere DOE's eksperimentelle og supercomputersystemer med biotek- og kunstig intelligens-virksomheder."

Langsigtede udsigter: Er Ginkgo endelig rentabel?

Fra skaberen af ​​biofoundry-forretningsmodellen og en vigtig aktør inden for biosikkerhed genopfinder Gingko nu sig selv som en førende virksomhed inden for automatisering af biologisk forskning og en nøglepartner inden for AI-ledet forsknings- og udviklingsteknologi.

I takt med at biologi møder kunstig intelligens, vil mange industrielle processer gradvist blive erstattet af grønnere bioprocesalternativer, der er CO2-neutrale, giftfri og billigere. I den fremtidsvision er livsformer lige så programmerbare som computerkode, men har endnu større indflydelse på den virkelige verden.

Dette repræsenterer en enorm mulighed for Gingko Bioworks, enten for det projekt, de allerede arbejder på, eller for at deres automatiserede laboratoriedesign på lang sigt bliver standard for de fleste forskerhold.

Kombineret med en forbedring af virksomhedens forretningsmodel inden for celleudvikling (med flere royalties og mere retfærdige indtægtsdelingskontrakter) burde dette bidrage til at gøre Gingko rentabel i de kommende år.

(Du kan også læse mere om andre syntetiske biologivirksomheder i “Top 5 offentlige virksomheder inden for syntetisk biologi")

Seneste Gingko Bioworks (DNA) Aktienyheder og udvikling