Illumina (ILMN): Der Bau der Werkzeuge und Schaufeln des Genomischen Zeitalters

Genom-Sequenzierungskostenkurve

Für den größten Teil der Medizingeschichte waren Ärzte darauf beschränkt, Symptome zu beobachten und zu versuchen, sie zu lindern. Dies galt insbesondere für nicht-infektiöse Krankheiten, die aus Funktionsstörungen im Körper resultieren, einschließlich genetischer Krankheiten.

Mit der Entdeckung der DNA-Struktur und -Funktion, die 1962 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurde, begannen wir, besser zu verstehen, wie das biologische System wirklich funktioniert. Die PCR-Technologie, die 1993 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde, öffnete neue Wege, um es zu analysieren.

Dies erweiterte sich weiter, als vollständige Genome sequenziert wurden. Das erste menschliche Genom wurde 2003 nach 13 Jahren harter Arbeit für einen Kostenpreis von 3 Milliarden Dollar sequenziert. Schnell wurde die vollständige Genomsequenz immer billiger. Bis 2007 kostete es “nur” 1 Million Dollar, ein vollständiges Genom zu sequenzieren. Bis 2014 betrug der Preis nur noch 1.000 Dollar. Heute liegt der Preis bei etwa 200 Dollar und sinkt weiter.

Dies ähnelt dem Mooreschen Gesetz, das Computer zu einem Teil unseres täglichen Lebens machte, indem es vorhersagte, dass die Anzahl der Transistoren pro Quadratzoll auf einem Mikrochip jedes Jahr verdoppelt und die Herstellungskosten pro Komponente halbiert würden.

Die Abnahme der genetischen Kosten war jedoch noch spektakulärer. Sie wurde ermöglicht durch NGS: Next Generation Sequencing. Es nutzt die Fortschritte auf dem Gebiet der Siliziumchips, aber anstelle von binärem Code liest es genetischen Code. Und je weiter die Silizium-Chip-Herstellung fortschritt, desto effizienter wurde die NGS.

In nur den letzten 10 Jahren ist der Kostenpreis pro Genom zusammengebrochen, sodass es zu einem billigen Test unter den verfügbaren Tests für medizinische Fachleute geworden ist.

Quelle: Illumina

Im Zentrum dieser Revolution stand das größte Genom-Sequenzierungs-Unternehmen: Illumina.

Illumina-Überblick

Illumina in Zahlen

Als größter Hersteller von Genom-Sequenziermaschinen war Illumina ein Pionier in diesem Bereich und hat die Sequenzierungstechnologie über Jahrzehnte vorangetrieben.

Es verfügt derzeit über 22.000+ installierte Sequenzer in 165 Ländern.

Etwa die Hälfte der Verbrauchsmaterialien von Illuminas Sequenziermaschinen wird in klinischen Anwendungen verwendet, während die andere Hälfte in öffentlichen und privaten Forschungslabors verwendet wird. In klinischen Anwendungen stammt die Hälfte der Nachfrage aus der Onkologie, gefolgt von Gen-Krankheitstests (GDT).

Quelle: Illumina

Der größte Teil von Illuminas Einkommen stammt aus den Amerikas und Europa, wobei nur 7% aus China stammen. Die jüngste Einstufung von Illumina in Chinas “Liste unzuverlässiger Entitäten” als Vergeltungsmaßnahme für Trumps Zölle dürfte daher keine großen Konsequenzen haben. Es könnte jedoch die Pläne des Unternehmens behindern, seine in China ansässige Produktion bis 2028 auf Instrumente und Verbrauchsmaterialien auszubauen.

Quelle: Illumina

Kurzlese-Genomik

Illumina konzentriert sich auf das Lesen kurzer genetischer Sequenzen. Dies bedeutet, dass es kleine Segmente des Genoms einzeln liest, bevor es sie zu einem kohärenten Ganzen zusammenfügt.

Dies ist nicht unbedingt die Art der Sequenzierung, die für komplexe Forschungsprojekte verwendet wird, die das Lesen langer Sequenzen bevorzugen, aber dies ist die am häufigsten durchgeführte Sequenzierung. Langlesesequenzierung wird zunehmend zu einem Nischenmarkt, der von einem langjährigen Rivalen von Illumina, Pacific Bioscience (PACB ), gewählt wird.

Kurzlesesequenzierung ist die Methode, die für Genotypisierung, Entdeckung von einzelnen Nukleotidvarianten, die mit genetischen Krankheiten verbunden sind (meistens der häufigste Fall), und für die frühzeitige Krebsdetektion mit Flüssigbiopsie (mehr über diese Technologie und den Markt unten) verwendet wird.

Das Unternehmen geht davon aus, dass die Nachfrage nach NGS (Next Generation Sequencing) in klinischen Anwendungen um 18% CAGR und in der Forschung um 6% CAGR wachsen wird, was den gesamten adressierbaren Markt (TAM) des Sektors von 100 Mrd. Dollar für klinische und 25 Mrd. Dollar für Forschung bis 2033 anheben wird.

Quelle: Illumina

Geschäftsmodell und Marktaufteilung

Illumina verdient Geld, wenn es seine Sequenziermaschinen verkauft, aber der größte Teil seines Einkommens stammt aus den Verbrauchsmaterialien, die zum Betreiben dieser Maschinen und zur Durchführung der Sequenzierung verwendet werden. Diese Verbrauchsmaterialien sind spezielle Chemikalien und DNA-Stränge, wobei jede Sequenziermaschine normalerweise nur mit den Produkten des ursprünglichen Herstellers funktioniert.

Zum Beispiel waren in Q4 2024 698 Mio. Dollar von 1,1 Mrd. Dollar Gesamteinnahmen aus dem Verkauf von Verbrauchsmaterialien. Ein großer Teil dieser wiederkehrenden Einnahmen sind an Illuminas neueste Hochgeschwindigkeits-Sequenziermaschine NovaSeq X gebunden, die Ende 2023 veröffentlicht und nun vollständig ausgerollt wurde und für 20% der gesamten Verbrauchsmaterial-Einnahmen verantwortlich ist.

Dies schafft nicht nur einen stabilen Einnahmestrom für Illumina, sondern bindet auch die Kunden langfristig an das Unternehmen.

Bestehende Kunden können auch zögern, zu einem anderen Anbieter zu wechseln, da ihre bestehenden Forschungs- oder medizinischen Protokolle auf Illumina-Maschinen kalibriert sind. Es könnte auch schwierig sein, Ergebnisse zwischen verschiedenen Maschinen für Folgeforschungen zu vergleichen.

Jede Neukonstruktion wäre teuer und zeitaufwändig und würde auch die Umschulung der Techniker und Forscher, die die Sequenzierung durchführen, erfordern.

Historisch gesehen haben diese Effekte, die bestehenden Kunden an das Illumina-Ökosystem binden, einen starken Wettbewerbsvorteil dargestellt und die Fähigkeit von Rivalen wie Pacific Biosciences, in den Markt einzudringen, stark eingeschränkt.

Ein Ausdruck dieser Marktdominanz ist, dass Illumina im Jahr 2024 mehr als 90% Marktanteil an klinischer Genomik-Testung hatte.

So während Nischenmärkte und spezifische Forschungsbereiche mehr Wettbewerb sehen (wie PacBio Langlesesequenzierung, Element Bioscience Mitteldurchsatz oder Ultima Genomics günstige Sequenzierung), kontrolliert Illumina immer noch den größten Teil des DNA- und Genom-Sequenzierungsmarktes.

Illuminas Finanzleistung

Trotz des explosiven Fortschritts in der Genomtechnologie und der Zulassung des ersten CRISPR-basierten Genteilungsmedikaments für CRISPR Therapeutics (CRSP ) (folgen Sie dem Link für den zugehörigen Anlagebericht), waren die letzten Jahre für Illuminas Anleger schwierig.

Dies folgt einem allgemeinen Rückgang im Biotechnologiesektor, nach starkem Wachstum und noch stärkeren Erwartungen während der Pandemiejahre, die 2021 ihren Höhepunkt erreichten.

Quelle: Google Finance

Diese Aktienkurszahlen spiegeln nicht das Wachstum des Unternehmens wider, mit einem Wachstum der Sequenzierungstätigkeit von 30% im Vergleich zum Vorjahr, insbesondere aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Hoch- und Mitteldurchsatzinstrumenten.

Und Illumina hat massive Mengen an Geld in die Forschung und Entwicklung investiert, um die nächste Generation der Sequenzierungstechnologie vorzubereiten, etwa 1,2 Mrd. Dollar allein im Jahr 2024.

Illuminas Zukunft

Multiomics

Das Auftauchen der billigen und automatisierten Genomsequenzierung hat eine Flut von biologischen Daten wie nie zuvor erzeugt.

Parallel dazu hat die schiere Komplexität lebender Systeme zur Entstehung von Multiomics geführt, einem Feld, das alle -omics-Teilsegmente der biologischen Wissenschaften zusammenführt und als nächster Schritt in der Biotechnologie gilt:

• Genomik: die Analyse der DNA-Sequenz in den Zellkernen.
• Transkriptomik: die Analyse der mRNA, die die Anweisungen der DNA trägt.
• Epigenomik: die Modifikation des Genoms ohne Beeinträchtigung der genetischen Sequenz, oder “Epigenetik”.
• Proteomik: die Analyse von Proteinen, einschließlich der Modifikation von Proteinen mit Zuckern (“post-translational”).
• Metabolomik: die Analyse von chemischen Verbindungen und dem Stoffwechsel.
• Mikrobiomik: die Analyse aller Mikroben, die im oder auf dem Körper leben.
• Einzell-Multiomics: die Multiomics-Analyse auf einzelnen Zellen.
• Räumliche Biologie: die Analyse der Lage spezifischer mRNA, Proteine oder Zellen in 3D.

Quelle: Ark Research

Neue Felder entstehen, wie z.B. Agrigenomik (Genomik, um landwirtschaftliche Erträge zu verbessern), ökologische Genomik (um die Gesundheit eines Ökosystems und seine genetische Vielfalt genau zu bewerten) oder synthetische Biologie (um neue Gene, Merkmale oder ganze Organismen mit einem bestimmten Zweck zu erstellen).

Während dies überwältigend erscheinen mag (und es auch für Forscher in diesem Bereich ist), müssen zwei Elemente verstanden werden, um die Multiomics-Revolution zu verstehen:

• Genomik bleibt im Zentrum von Multiomics, da es das bestverstandene Datenset ist und das “Anweisungssatz”-Organisationsprinzip für alle anderen biologischen Phänomene in lebenden Organismen darstellt. Es ist oft das verbindende Element zwischen ansonsten disparaten Multiomics-Daten.
• Die gleichzeitigen Fortschritte in der Datenanalyse und KI sind eine enorme Hilfe, um diese Flut von Daten nützlich zu machen, insbesondere durch die Korrelation mit genetischen Daten.

Als Reaktion auf diese Explosion in der Komplexität biologischer Daten wächst Illumina schnell zu einem Software-Unternehmen, um native integrierte Lösungen an mehreren Punkten der Multiomics-Analyse bereitzustellen.

Quelle: Illumina

Dies geschieht auch durch enge Partnerschaften mit vielen Akteuren, um genetische Daten und Werkzeuge zu integrieren: nationale Genomik-Programme, Nvidia (NVDA ), Broad Clinical Labs usw.

Quelle: Illumina

Transkriptomik

Ein wachsendes Feld neben der Genomik ist die Transkriptomik, die Wissenschaft von der Analyse der mRNA, der Moleküle, die die DNA-Information tragen, und die Anweisungen für die Bildung nützlicher Proteine enthält. Wenn DNA die Blaupause für die biologischen Maschinenteile (Proteine) ist, ist mRNA die Anweisung, die angibt, wie viele zu bilden sind und wohin die Teile gehen.

Die Transkriptomik gibt uns also, wie viel, wann und wo ein Gen aktiv ist. Bisher wurden solche Analysen hauptsächlich auf gezielte Gene durchgeführt, wobei die vollständige Transkriptomanalyse ein ziemlich teures Vorhaben ist und technische Herausforderungen mit sich bringt.

Illumina hat für 2026 eine neue vollständige Transkriptomanalyse-Maschine angekündigt, die die Transkriptomik mit räumlicher Biologie kombiniert, einem Sektor, der bisher hauptsächlich von 10x Genomics (TXG ) kontrolliert wird.

Illumina-Raumtechnologie ermöglicht es Forschern, die räumliche Nähe von Millionen von Zellen pro Experiment zu untersuchen, ermöglicht durch eine Erfassungsfläche, die neun Mal größer ist als bestehende Technologien, und mit vier Mal höherer Auflösung.

Als komplette End-to-End-Lösung liefert es auch den höchsten Wert für Einzelzell- und Raumforscher zu einem erschwinglicheren Preis. Die räumliche Lösung übertrifft die Branchenstandards für Maßstab und Genauigkeit.