Multiomics sind der nächste Schritt in der Biotechnologie

Die Genomrevolution

Der größte Teil des Fortschritts in Medizin und sogar Landwirtschaft in den letzten zwei Jahrzehnten beruht auf der Genomrevolution. Durch das Wissen um die genetische Zusammensetzung lebender Organismen können Wissenschaftler neue Therapieziele finden, neue Wege zur Optimierung der Produktion wertvoller Materialien entdecken und dank Gen‑Editierung sogar das Genom selbst verändern. Das wird jetzt zu einem großen Geschäft, mit der ersten zugelassenen Gen‑Editierungs‑Therapie (Casgevy), die ein Preisschild von 2,2 Mio. $ hat.

Was diese Revolution antrieb, ist das deutlich tiefere Verständnis biologischer Prozesse dank der Genomsequenzierung. Dennoch ist das Genom ein eher grobes Datenset. Es ist ein wenig wie ein vollständiges Wörterbuch, das die exakte „Orthografie“ jedes Proteins in einer Zelle enthält. Aber eine lebende Zelle ist eher wie ein vollständiger Roman, in dem die Anordnung der „Wörter“ (RNA und Proteine) viel relevanter ist.

Von Genomik zu Multiomics

Die Komplexität sogar einer einzelnen Zelle und noch mehr eines gesamten menschlichen Körpers erklärt, warum fortschrittlichere Analysemethoden als die Genomik nötig sind. Und es gibt viele:

• Transcriptomics: die Analyse von mRNA.
• Proteomics: die Analyse von Proteinen, einschließlich der Modifikation von Proteinen mit Zuckern („post‑translational“).
• Metabolomics: die Analyse von chemischen Verbindungen und des Stoffwechsels.
• Epigenomics: die Modifikation des Genoms, ohne die genetische Sequenz zu verändern, oder „Epigenetik“.
• Microbiomics: die Analyse aller Mikroben, die im oder am Körper leben.
• Single-cell multiomics: die Multiomics‑Analyse einzelner Zellen.
• Spatial biology: Analyse in 3D des Ortes spezifischer mRNA, Proteine oder Zellen.

Diese Analysemethoden sind oft um Größenordnungen komplexer als die „einfache“ Genomik. Jede kann und sollte idealerweise mit den anderen kombiniert werden, um ein besseres Bild der tatsächlichen Komplexität eines lebenden Organismus zu erhalten.

Kombiniert ermöglichen sie „Multiomics“-Analysen.

Eine Multiomics-Datenexplosion

Proteomik

Die Kapazität für die Proteinanalyse hat sich innerhalb nur eines Jahrzehnts um mehrere Größenordnungen erhöht.

Wie in diesem Diagramm von ARK Invest (mit logarithmischer Skala) zu sehen ist, können jetzt Hunderttausende von Proteinen in einer Stunde analysiert werden, wobei proteomische Methoden bis zu 10.000 Proteine pro Probe unterscheiden können. Die Kosten pro Probe sind ebenfalls stetig gesunken, von 1.000 $ im Jahr 2011 auf nur 100 $ im Jahr 2023, also ein jährlicher Rückgang von 23 %.

Quelle: ARK Invest

Dies hat die Entdeckung von Krebs‑Biomarkern und die Entwicklung von Präzisionstherapien radikal beschleunigt, ein Thema, das wir ausführlich in „Behandlung des Unbehandelbaren mit Präzisionstherapien – Eine Chance von 4 Billionen $?“ untersucht haben.

Transkriptomik

mRNAs sind das „Bedienungshandbuch“ zum Genom‑„Wörterbuch“. Form und Menge der mRNA bestimmen wirklich, wie das Gen im Zellkontext exprimiert und genutzt wird.

Das Problem der frühen Transkriptomik bestand darin, dass sie mindestens Tausende von Zellen gleichzeitig, wenn nicht Millionen, analysieren musste. Dadurch gehen alle Details von mRNA‑Veränderungen verloren, die zeitlich flüchtig oder zu stark lokalisiert waren.

Dies hat sich mit der Möglichkeit der Einzelzell‑RNA‑Analyse geändert, was unser Verständnis von Krebs revolutioniert. Damit können wir genau nachvollziehen, welches Gen für Krebs verantwortlich ist und welcher Zelluntertyp es tatsächlich verursacht.

Quelle: ARK Invest

Andere -Omics

Obwohl neuer, sind die anderen Analysemethoden nicht weniger vielversprechend.

Spatial biology ermöglicht die Analyse einzelner Zellen und wie verschiedene Zellen sowie RNA oder Proteine miteinander interagieren. Bei Bedarf in Echtzeit. Das eröffnet völlig neue Forschungsbereiche, die wir in unserem Artikel „Räumliche Biologie: Nanostring vs. 10x Genomics“ weiter diskutieren.

Microbiomics ermöglicht die Nutzung der Bakterien in unserem Darm oder auf unserer Haut für neue therapeutische Methoden. Beispielsweise wurde Autismus‑Spektrum‑Störung kürzlich mit dem Darmmikrobiom in Verbindung gebracht. Das korreliert mit „Studien, die langfristige Vorteile bei Autismus‑Symptomen und der Darmmikrobiota durch Mikrobiota‑Transfer‑Therapie zeigen“.

Epigenomics könnte der nächste Schritt von Präzisionstherapien werden, mit der Möglichkeit, die Genexpression von Krebszellen fein abzustimmen, zum Beispiel.

Quelle: National Library of Medicine

„Epigenetische Verjüngung“ ist ebenfalls eine Möglichkeit, das Altern umzukehren, eine der Methoden, die wir in unserem Artikel „Altern ist ein Teil des Lebens – das bedeutet nicht, dass wir nicht kämpfen können“ diskutiert haben.

KIs zur Verarbeitung von Multiomics-Daten

Das Ergebnis der sinkenden Kosten und steigenden Kapazität für Multiomics-Analysen ist eine Datenflut wie nie zuvor. Sie übersteigt schnell die Fähigkeit jedes Forschers, diese Daten manuell zu durchsuchen, um relevante Punkte zu finden.

Glücklicherweise findet die Multiomics‑Revolution statt, während KI immer leistungsfähiger wird.

KI, maschinelles Lernen (KI/ML) und Automatisierung treiben bereits die Wirkstoffforschung an. Dies allein sollte die Kosten der Wirkstoffforschung erheblich senken, dank KI‑gestützter Durchsuchung von Bibliotheken bestehender und potenzieller Medikamente und der Vorhersage des wahrscheinlichen Ergebnisses „in‑silico“. Allein dadurch könnte der Markt für Präzisionstherapien in den nächsten sieben Jahren mit einer CAGR von 26 % von rund 820 Mrd. $ im Jahr 2023 auf etwa 4,5 Bio. $ im Jahr 2030 wachsen.

Quelle: ARK Invest

Aber die Wirkstoffforschung ist nur der erste Schritt. KI kann auch verwendet werden, um die chemischen Eigenschaften neuer Moleküle oder Proteine vorherzusagen, wie das KI‑Tool “Distributional Graphormer” von Microsoft.

Quelle: Microsoft

KI kann auch vorhersagen, ob ein Molekül toxisch ist, ohne es an lebenden Zellen oder Tieren testen zu müssen. Sie kann mit Automatisierung kombiniert werden, um groß angelegte Experimente durchzuführen, einschließlich „Organ‑on‑a‑chip“-Simulationen oder automatisierter Experimente (automatisierte Flüssigkeitshandhabung, „invivomics“ oder Mikrosynthese).

Schließlich könnten KIs und IT‑Integration die Gestaltung klinischer Studien verbessern, mit adaptiveren Studien, mehr verfolgten Biomarkern oder sogar dezentralen Studien.

Quelle: ARK Invest

Multiomics-Aktien

1. Pacific Bioscience (PacBio)

Einige Jahre nach dem Branchenführer Illumina im Bereich der Genomsequenzierung gegründet, ist PacBio seitdem der kleinere Akteur im Bereich der Genomsequenzierung. Trotz seiner geringeren Größe bleibt die Ausrüstung des Unternehmens auf höchstem Leistungsniveau.

Es ist außerdem die 8^te größte Beteiligung am ARK Genomic Revolution ETF.

PacBio erwarb 2021 Omniome, was ihm einen Genauigkeitsvorteil beim Lesen sehr langer oder kurzer genetischer Sequenzen verschaffte. Dieser Vorteil wurde später durch die Übernahme von Apton für 110 Mio. $ im August 2023 verstärkt, die sich ebenfalls auf Kurzlese‑High‑Throughput (SR‑HI) spezialisiert hat.

Quelle: PacBio

PacBio’s Onso systems beginnen nun, an Kunden ausgeliefert zu werden, und ihr Start wurde vom Unternehmen als „bester Start in der Geschichte von PacBio“ beschrieben. Sie werden sich auf Kurzsequenzen spezialisieren, während das Revio‑HiFi‑System lange Sequenzen lesen und rund um die Uhr arbeiten kann, sodass es 1.300 vollständige menschliche Genome pro Jahr (etwa 4 pro Tag) liest. Später wird das Revio‑HiFi durch das HT‑SBB‑System ersetzt, das voraussichtlich die Apton‑Technologie integrieren wird.

PacBio erwartet, dass lange Sequenzen viel schneller wachsen als der breitere NGS‑Markt (Next‑Generation‑Sequencing) und behauptet, dass seine Systeme 10‑mal genauer sind als die Konkurrenz.

Quelle: PacBio

Interessanterweise könnte es auch die Gesamtkosten der Genomsequenzierung senken. Ohne zu technisch zu werden, müssen Kurzsequenzen zu einem umfassenden Ganzen wieder zusammengesetzt werden. So kann ein 500 $‑Kurzlese‑Genom schnell zusätzliche Analysen im Wert von insgesamt 1.500 $ erfordern, um als diagnostisches Werkzeug tatsächlich nützlich zu sein.

Ein Revio‑Langsequenz‑Analyse für 950 $ umgeht diesen Schritt und ist für diagnostische Anwendungen günstiger.

PacBios Fokus auf hochpräzise/Long‑Sequenz‑Analyse sollte ihm in den nächsten Jahren einen Vorsprung im Diagnostikbereich verschaffen. Das Management von PacBio glaubt, dass dies die Marktdurchdringung des Unternehmens in der Human‑Genomik von derzeit 5 % auf 10 % und in der Onkologie (Krebs) von 1 % auf 5 % steigern könnte.

Während PacBio sich hauptsächlich auf den jahrzehntelangen Wettbewerb mit Illumina konzentriert, könnte es auch mit Oxford Nanopore im Diagnostik‑/Long‑Sequenz‑Markt konkurrieren müssen.

2. 10x Genomics Technology

10x Genomics ist ein führendes Unternehmen im Bereich der räumlichen Biologie, das das Genom und das Transkriptom in 3D untersucht und die Visualisierung der Genaktivität auf zellulärer oder sogar intrazellulärer Ebene ermöglicht.

Das Unternehmen wurde 2012 gegründet, wobei Serge Saxonov zu den Gründern gehörte, der Direktor für Forschung und Entwicklung des Unternehmens für personalisierte Genomtests 23andMe.

Es ist außerdem die 12^te größte Beteiligung am ARK Genomic Revolution ETF.

10x Genomics wuchs durch eine Kombination aus Forschung und Entwicklung (über 1 Mrd. $ in F&E bisher investiert) und Übernahmen, um in vielen verschiedenen -Omics‑Bereichen zu expandieren. Besonders bemerkenswert ist, dass seine Visium‑Plattform für räumliche Transkriptomik von Geweben durch die Übernahme von Spatial Transcriptomics im Jahr 2018 gewonnen wurde.

So erwarb 10x Genomics seine Xenium‑Plattform für Einzelzell‑Visualisierung durch die Übernahme von Readcoor und Cartana im Jahr 2020.

Im Jahr 2020 startete es außerdem die Chromium‑Plattform, die ein Jahr später zu Chromium X aktualisiert wurde, für die Einzelzell‑RNA‑Sequenzierung.

Durch die Übernahme von Tetramer Shop im Jahr 2021 brachte 10x Genomics zudem 2022 BEAM (Barcode Enabled Antigen Mapping) auf den Markt. Es ermöglicht Forschern, Komponenten des Immunsystems detailliert zu identifizieren. Dies könnte in der Forschung zu Immunität und neuen Krankheiten sehr wirkungsvoll sein.

10x Genomics Akquisitions‑Zeitlinie – Quelle: 10x Genomics

Das Unternehmen erlangte im September 2023 einen entscheidenden Sieg gegen seinen Hauptkonkurrenten Nanostring. Nanostring ist derzeit in den meisten EU‑Ländern vom Verkauf seiner CosMx Spatial Molecular Imager (SMI)‑Instrumente ausgeschlossen, weil es 10x‑Genomics‑Patente verletzt hat.

Dies führte zu der Ankündigung, dass Nanostring im Februar 2024 Insolvenz anmeldet und potenzielle Verkäufe prüft.

Nanostring beschuldigte 10x Genomics, seine Klagen „mit dem offensichtlichen Ziel zu erheben, das Wettbewerbsumfeld für verschiedene Plattformen der räumlichen Biologie zum Nachteil des Gemeinwohls zu verkleinern“

Insgesamt scheint 10x Genomics in der Lage zu sein, eine solide Führungsposition im Markt für räumliche Biologie, einschließlich Einzelzell‑Transkriptomik und Antigen‑Mapping, zu etablieren.

Das Unternehmen befindet sich noch in einer frühen Phase, ähnlich den Anfängen von Illumina und Pacific Biosciences. Derzeit ist die räumliche Biologie auf die akademische und grundlagenforschende Welt beschränkt. Aber wie viele Biotechnologien könnte sie eines Tages weit verbreitet werden, allmählich zu einem medizinischen Werkzeug werden und dann zu einem „Routine“-Test. In jedem Fall sollte der wachsende Pool installierter Geräte den Verkauf von Verbrauchsmaterialien und das Umsatzwachstum ankurbeln.