La révolution des biofabriques : programmer la vie comme une usine

Le passage de la chimie aux usines biologiques

Comment le code numérique remplace les produits chimiques synthétiques

Dès que les premiers scientifiques ont commencé à comprendre que le monde matériel qui les entourait était composé d’éléments séparés et purs, ils ont entrepris de l’étudier davantage. Les premiers travaux d’alchimistes ont ouvert la voie aux scientifiques de l’ère des Lumières et à la période moderne naissante, lorsqu’ils ont découvert les éléments distincts et les bases de la biologie: cellules, ADN, etc.

Parallèlement, l’industrie chimique créait la première industrie pharmaceutique, utilisant des médicaments chimiques synthétiques pour modifier les processus biologiques chez les patients, comme l’utilisation d’acide salicylique (aspirine) pour faire baisser la fièvre.

Progressivement, les produits chimiques utilisés en médecine et dans l’industrie sont devenus de plus en plus complexes. Cependant, en grande partie, plus une molécule est complexe, plus il devient difficile de la synthétiser par des méthodes chimiques artificielles. Et cela devient carrément impossible pour les protéines ou composés biochimiques les plus complexes.

Ensuite, le bio‑ingénierie a permis la production par des microbes OGM d’insuline, d’hormone de croissance, d’anticorps, etc., à bas coût et en toute sécurité, créant le domaine de la biotechnologie comme un champ lié, mais distinct, de la pharmacie.

Cela a constitué une révolution massive en biochimie et en médecine, rendant soudainement abondants et peu coûteux des composés qui étaient auparavant extrêmement chers ou impossibles à obtenir.

Aujourd’hui, de nombreuses nouvelles technologies (big data, IA, automatisation, ingénierie génétique précise, analyses avancées, etc.) convergent pour ouvrir une nouvelle ère des biosciences: la révolution des biofabriques.

Au‑delà de la nature: redessiner les organismes pour l’industrie

L’ère de la biotechnologie a été marquée par l’utilisation de modifications génétiques artificielles pour faire produire aux micro‑organismes des biomolécules d’intérêt, généralement des produits médicaux. Cela s’est avéré extraordinairement rentable, car nombre de ces molécules sont soit vitales, soit des produits à forte valeur ajoutée qui ne pouvaient auparavant être extraits qu’en petites quantités à coût élevé.

Cependant, cela présente la limitation inhérente de ne pouvoir reproduire que ce qui existe déjà dans les organismes vivants. Mais à ce jour, la production de nombreux matériaux et molécules utiles dépend encore de produits chimiques fabriqués artificiellement, utilisant des méthodes toxiques ou émettrices de carbone.

Ainsi, bien que la transformation de notre système énergétique via les véhicules électriques, les batteries et les énergies renouvelables soit importante, trouver des alternatives plus vertes à la production chimique est tout aussi crucial pour résoudre la plupart des problèmes du monde moderne: pollution plastique, changement climatique, agriculture durable, production industrielle non polluante, biosécurité, maladies incurables, médecine régénérative, traitements de longévité, etc.

Et face à tous ces problèmes, une solution est désormais déployée: le modèle de biofabrique.

Comment le modèle de biofabrique fonctionne: une convergence technologique

Multi‑omics, CRISPR et l’essor du « bio‑coding »

Ces dernières années, la compréhension de la biologie et de la génétique a fait d’énormes progrès. Les éléments clés reposent sur quelques technologies novatrices.

La première est le séquençage et la génomique, qui sont devenus suffisamment bon marché pour être réalisés de façon routinière pour moins de 1 000 $ par organisme.

Il est maintenant combiné à de nombreux autres « -omics » (transcriptomique, protéomique, métabolomique, épigénomique, microbiomique, biologie spatiale) pour créer multi‑omics, une compréhension holistique de tous les niveaux de complexité multiples chez les organismes vivants.

Une autre technologie novatrice est CRISPR, une nouvelle méthode d’édition génétique découverte en 2012, qui est depuis devenue la façon la plus puissante d’éditer les gènes de tous types d’organismes, y compris pour guérir des maladies rares.

Enfin, l’émergence du big data, de l’IA et d’autres formes d’analyses avancées a donné aux biologistes les outils pour traiter et donner du sens au flot de données généré par les multi‑omics.

Lorsque ces éléments sont réunis, une toute nouvelle capacité émerge.

La combinaison d’énormes quantités de données issues de véritables multi‑omics biologiques avec l’analyse IA signifie que l’ensemble du processus de création de molécules complexes peut être cartographié, modélisé, et même entièrement simulé in silico. Cela ouvre la possibilité de tester virtuellement des milliers de possibilités ou de créer à partir de zéro de nouvelles protéines aux propriétés inédites.

Et grâce à CRISPR, intégrer ces idées dans de vrais micro‑organismes ou plantes n’a jamais été aussi rapide, précis ou facile, les transformant en usines biologiques bien contrôlées, ou « biofabriques », une sous‑section de la biologie synthétique.

Comme l’ADN est essentiellement un code biologique, la facilité de créer des OGM et de concevoir de nouveaux biosystèmes rapproche la biologie du codage informatique.

« Imaginez une cellule. C’est un peu comme une petite machine qui fonctionne avec du code numérique, très similaire à un ordinateur, sauf que dans ce cas le code—au lieu de zéros et de uns, ce sont des A, des T, des C et des G. Ainsi, la biologie synthétique consiste à programmer les cellules comme nous programmons les ordinateurs, en modifiant le code ADN à l’intérieur d’elles. Nous sommes en quelque sorte des programmeurs de cellules à la demande. Notre travail consiste à faire en sorte que la cellule fasse ce que nos clients souhaitent. »

Jason Kelly – PDG de Ginkgo Bioworks

Du plastique au parfum: ce que les biofabriques peuvent fabriquer

De nombreux produits chimiques actuellement produits par l’industrie chimique pourraient, en théorie, être remplacés par des procédés biologiques. Soit avec la même molécule produite par des organismes vivants, soit avec des substituts aux propriétés similaires.

Par exemple, les micro‑organismes du sol et les plantes produisent régulièrement en petites quantités des engrais, de l’éthanol ou de l’éthylène, toutes des molécules actuellement produites en masse par l’industrie chimique. Ainsi, un rendement plus élevé ou une production moins chère par un organisme vivant pourrait avoir un impact carbone bien moindre.

Un autre objectif est de réduire la dépendance aux combustibles fossiles en produisant des polymères, y compris des textiles et des plastiques (1,4‑butanediol, 1,3‑propanediol, polyhydroxyalcanoates, poly lactique, etc.) via des voies métaboliques biologiques.

Des parfums de grande valeur, des acides aminés, des vitamines, de la soie, des arômes comme la vanilline, et des ingrédients cosmétiques comme le squalane ou l’acide hyaluronique, pourraient également être produits en masse naturellement à moindre coût, du moins en théorie.

Et bien sûr, de nombreuses molécules biologiques nouvellement inventées peuvent servir à fabriquer des vaccins synthétiques, des traitements anticancéreux, des protéines alternatives et des sources alimentaires (viande cultivée, etc.).

Enfin, des produits entièrement nouveaux peuvent être produits de cette manière. Par exemple, le mycélium de champignon peut créer une alternative viable au cuir et à d’autres textiles. Ou les émissions de carbone peuvent être directement recyclées en produits utiles avant même d’atteindre l’atmosphère.

Le modèle « Recherche‑en‑tant‑service »

Créer des synergies

Si la technologie nécessaire a mûri, il n’est toutefois pas si simple en pratique de réécrire entièrement le métabolisme d’un être vivant réel, tout en le maintenant productif.

C’est pourquoi une tendance croissante consiste à externaliser cette tâche à des entreprises spécialisées disposant de l’équipement, de l’expertise et du matériel biologique adéquat pour la réaliser. Ce modèle « Recherche‑en‑tant‑service » (souvent appelé « organismes‑à‑la‑demande ») permet à différents projets et concepts de s’entraider à travers les domaines.

Par exemple, un micro‑organisme précédemment développé pour l’absorption des émissions de carbone peut également utiliser ce carbone pour produire de l’éthylène, un précurseur clé de nombreuses réactions de synthèse chimique. Mais une entreprise axée sur les crédits carbone n’aurait pas d’usage immédiat ou d’expérience avec l’éthylène, tandis qu’une entreprise chimique pourrait ne pas disposer d’une source de carbone disponible. En utilisant le même contractant de biofabrique, les deux sociétés peuvent développer des synergies et rendre le processus plus efficace.

De même, une nouvelle méthode optimisée de modifications génétiques peut être déployée pour des dizaines d’applications différentes, amortissant le coût de la R&D sur un plus large éventail de projets.

Ginkgo Bioworks: l’« ADN » de la biologie synthétique

Aucune entreprise n’a été plus à l’avant‑garde du « organismes‑à‑la‑demande » que Ginkgo Bioworks. Depuis sa création en 2008 par cinq scientifiques du MIT, la société s’est dédiée à la production de bactéries OGM pour des applications industrielles, la biotechnologie, généralement le cœur de ces activités, n’étant qu’une seconde pensée.

Ginkgo a été la première entreprise de biotechnologie à rejoindre le célèbre programme d’accélérateur de start‑up Y Combinator en 2014. La société est entrée en bourse en 2021 via une fusion SPAC et a réussi à obtenir le ticker NYSE DNA, précédemment détenu par le pionnier de la biotechnologie Genentech (avant son acquisition par Roche).

Depuis, Ginkgo Bioworks est devenu un partenaire clé de nombreuses entreprises industrielles, pharmaceutiques et agricoles.

Source: Gingko Bioworks

• Micro‑organismes programmables pour les maladies intestinales.
• Biorémédiation des microplastiques.
• Thérapies à ARN & vaccins.
• Recyclage des déchets et contaminants.
• Contrôle des maladies critiques du soja au Brésil.
• Remplacement des engrais azotés par des bactéries
• Cannabinoïdes.
• Fabrication optimisée de produits biologiques & peptides
• Production d’ingrédients pharmaceutiques actifs (API) via biocatalyse et fermentation à grande échelle.
• Solutions de diagnostic moléculaire, grâce à une base de données d’enzymes propriétaire et à des concepteurs d’enzymes experts.
• Thérapie cellulaire & édition génétique.

Le pivot de Ginkgo: vendre la biosécurité pour les laboratoires autonomes

Vendre le secteur de la biosécurité

Lors de la pandémie de COVID, Ginkgo a rapidement élargi son activité de biosécurité, une activité qui surveille les risques biologiques, principalement pour les gouvernements. Elle a ensuite évolué en une plateforme bioradar de bout en bout.

Cette activité a fourni des avantages inestimables pendant la pandémie grâce à nos programmes de dépistage étatiques et nationaux et a généré un chiffre d’affaires annuel record de plus de 300 M $. Nous étions fiers d’avoir aidé à ouvrir plus de 5 000 écoles à l’échelle nationale.

Cependant, cette activité est relativement déconnectée du reste des projets de Ginkgo Bioworks. Ainsi, la direction de l’entreprise a décidé de la céder à un consortium d’investisseurs, créant une nouvelle entité privée indépendante nommée Tower Biosecurity, Ginkgo conservant toutefois une participation de 20 %.

Du prestataire de services aux partenariats à forte valeur ajoutée

L’activité « organisme‑à‑la‑demande » constitue actuellement le cœur du métier de l’entreprise, le segment le plus important étant l’alimentation & l’agriculture ainsi que la pharma & la biotech. Cependant, elle a vu ses revenus diminuer entre le T4 2024 et le T4 2025, en raison d’une baisse générale des investissements dans la biotechnologie durant cette période.

Source: Gingko Bioworks

Ce segment a souffert d’une incertitude relative concernant son modèle économique. Au départ, Ginkgo prévoyait de fournir simplement la capacité de recherche comme un service pur, avec un prix fixe et une fin clairement définie. Cela a rendu Ginkgo extrêmement populaire en tant que partenaire de recherche.

Cependant, cela signifiait également qu’il n’y avait aucune redevance résiduelle ni revenu supplémentaire une fois le projet terminé, ce qui a laissé Ginkgo coincé sur un tapis roulant sans fin de nouveaux projets, la prouesse technologique ne se traduisant pas réellement en revenus.

Depuis, elle a commencé à développer de nouveaux organismes davantage dans le cadre de partenariats. Par exemple, la livraison d’une étape majeure dans un projet avec Merck, menant à un paiement de 9 M $ au T4 2024 et à des paiements plus importants plus tard dans la phase 2 du projet.

Le besoin de restructurer pour plus de flux de trésorerie a été pris très au sérieux par l’entreprise, avec un effort important pour réduire la consommation de liquidités, qui a baissé de 73 % l’an passé. Parallèlement, l’entreprise ne possède pas de dette significative, réduisant davantage les risques financiers.

Source: Gingko Bioworks

L’essor du laboratoire robotique modulaire et autonome

Les laboratoires automatisés sont une technologie sur laquelle Ginkgo travaille depuis un certain temps, car encore aujourd’hui la plupart du travail dans les biolabs consiste en tâches manuelles répétitives et fastidieuses, consommant souvent la majeure partie du temps d’une main‑d’œuvre diplômée de masters et de doctorats.

Pour changer cette méthode, elle a créé une plateforme modulaire automatisée, capable d’accomplir sans intervention humaine des tâches de laboratoire telles que la culture de cellules, le transfert de produits chimiques, l’analyse microscopique, etc.

Source: Gingko Bioworks

La caractéristique la plus importante de ce design est sa modularité. Chaque module peut ainsi être connecté à un autre afin de créer une sorte de « chaîne d’assemblage » pour les expériences scientifiques et les bio‑analyses.

Cette solution est combinée à une offre logicielle, créant une solution flexible qui peut être adaptée et modifiée en quelques jours ou heures, comparée aux infrastructures de recherche plus rigides nécessitant des mois de reconfiguration coûteuse pour de nouveaux projets.

Source: Gingko Bioworks

Cette combinaison offre à la fois la flexibilité nécessaire à la recherche (par rapport à la production de masse), mais aussi l’automatisation requise pour accélérer la recherche et réduire les coûts, le laboratoire automatisé pouvant travailler plus rapidement qu’un humain et 24 h/24.

Ginkgo prévoit d’offrir cette technologie sous deux formats:

• “Construisez votre propre laboratoire”, où elle fabrique et entretient les modules de laboratoire automatisés, mais les opérations quotidiennes et la propriété reviennent au client.
• Accédez au laboratoire autonome de pointe de Ginkgo via un contrat direct du service.

Datapoint: générer 10 000 expériences en quelques semaines

Alors que l’offre d’automatisation génère les données biologiques, Datapoint les transforme en informations utiles.

L’élément clé est la génération rapide de données pouvant guider de nouvelles hypothèses, ainsi que l’itération rapide de nouvelles expériences pour continuer d’avancer.

Source: Ginkgo Bioworks

Avec ce service, Ginkgo peut fournir des données qui appartiennent entièrement au client, ce qui constitue un avantage concurrentiel dans les partenariats avec d’autres entreprises de biotechnologie ou pharmaceutiques.

Les données peuvent être générées en aussi peu que 3 semaines, avec plus de 10 000 perturbations chimiques et génétiques in vitro pour chaque type cellulaire, et un large choix de méthodes analytiques disponibles pour étudier les résultats.

Le même système peut être utilisé pour la génération rapide de nouveaux anticorps, un type de molécule devenant rapidement un médicament clé en oncologie et dans d’autres domaines médicaux. Ginkgo peut dépister jusqu’à 2 400 anticorps différents en parallèle, grâce à une infrastructure de laboratoire humide automatisée d’une valeur de 1 milliard de dollars.

Recherche biologique propulsée par l’IA

Ginkgo a établi un partenariat avec OpenAI pour utiliser ChatGPT 5 dans le contexte de la biorecherche. Il a signalé une amélioration drastique de la productivité.

« L’entreprise rapporte que le système a réduit les coûts des réactions de synthèse protéique sans cellules de 40 % par rapport à l’état de l’art, tout en exécutant 36 000 conditions expérimentales à travers six cycles itératifs. »

L’implication humaine était principalement limitée à la préparation des réactifs, au chargement et déchargement, et à la supervision du système, tandis que la conception expérimentale, l’exécution, l’interprétation des données et la génération d’hypothèses étaient gérées par le laboratoire autonome piloté par GPT‑5.

Le modèle utilisé a été publié en open source, et le mélange de réaction cell‑free amélioré par IA peut être commandé par la communauté scientifique, faisant de Ginkgo un outil de recherche open source important pour les scientifiques du monde entier.

Ginkgo a également reçu 47 M $ du gouvernement américain pour développer une grande installation de recherche pour la Mission Genesis, un site de 32 000 pieds carrés connu sous le nom de Microbial Molecular Phenotyping Capability (M2PC). Il abritera plus de 100 instruments analytiques automatisés et devrait être pleinement opérationnel pour les chercheurs mondiaux d’ici 2030.

« L’équipe exploitera l’IA avancée pour déchiffrer la fonction des protéines et des voies, automatiser la génération et la collecte de données, et intégrer les systèmes expérimentaux et de supercalcul du DOE avec les entreprises de biotechnologie et d’IA. »

Perspectives à long terme: Ginkgo est‑il enfin rentable ?

Du créateur du modèle commercial des biofabriques et acteur important de la biosécurité, Ginkgo se réinvente aujourd’hui comme leader de l’automatisation de la recherche biologique et partenaire clé de la technologie R&D pilotée par l’IA.

À mesure que la biologie rencontre l’IA, de nombreux processus industriels seront progressivement remplacés par des alternatives bioprocessus plus vertes, neutres en carbone, non toxiques et moins chères. Dans cette vision du futur, les formes de vie sont programmables comme le code informatique, mais avec un impact encore plus réel sur le monde.

Cela représente une opportunité massive pour Ginkgo Bioworks, que ce soit pour le projet sur lequel elle travaille déjà, ou pour que la conception de son laboratoire automatisé devienne une norme pour la plupart des équipes de recherche à long terme.

Associé à une amélioration de son modèle commercial d’ingénierie cellulaire (avec davantage de redevances et des contrats de partage de revenus plus équitables), cela devrait aider Ginkgo à devenir rentable dans les années à venir.

(Vous pouvez également en savoir plus sur d’autres entreprises de biologie synthétique dans « Top 5 des entreprises publiques de biologie synthétique »)

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