La rivoluzione della biofonderia: programmare la vita come una fabbrica

Il passaggio dalla chimica alle fabbriche biologiche

Come il codice digitale sta sostituendo le sostanze chimiche sintetiche

Non appena i primi scienziati iniziarono a comprendere che il mondo materiale che li circondava era costituito da componenti puri e separati, si dedicarono a studiarlo più a fondo. Gli sforzi dei primi alchimisti aprirono la strada agli scienziati dell'Illuminismo e dell'inizio dell'età moderna, quando scoprirono gli elementi separati e i principi fondamentali della biologia: cellule, DNA, ecc.

Contemporaneamente, l'industria chimica stava dando vita alla prima industria farmaceutica, utilizzando farmaci chimici sintetici per modificare i processi biologici nei pazienti, come ad esempio l'acido salicilico (aspirina) per abbassare la febbre.

Nel corso del tempo, le sostanze chimiche utilizzate in medicina e nell'industria sono diventate sempre più complesse. Tuttavia, in larga misura, più una molecola è complessa, più diventa difficile sintetizzarla con metodi chimici artificiali. E diventa addirittura impossibile per le proteine ​​o i composti biochimici più complessi.

In seguito, la bioingegneria ha permesso la produzione, tramite microrganismi geneticamente modificati, di insulina, ormone della crescita, anticorpi e altre sostanze a basso costo e sicure, creando il campo delle biotecnologie come settore correlato, ma distinto, da quello farmaceutico.

Si trattò di una vera e propria rivoluzione in biochimica e medicina, che rese improvvisamente disponibili e a basso costo composti che in precedenza erano estremamente costosi o impossibili da ottenere.

Oggi, numerose nuove tecnologie (big data, intelligenza artificiale, automazione, ingegneria genetica di precisione, analisi avanzate, ecc.) stanno convergendo per inaugurare una nuova era delle bioscienze: la rivoluzione delle biofonderie.

Oltre la natura: riprogettare gli organismi per l'industria

L'era delle biotecnologie è stata caratterizzata dall'uso di modifiche genetiche artificiali per indurre i microrganismi a produrre biomolecole di interesse, solitamente prodotti medicali. Ciò si è rivelato straordinariamente redditizio, poiché molte di queste molecole sono salvavita o prodotti di alto valore che in precedenza potevano essere ottenuti solo in piccole quantità con metodi costosi.

Tuttavia, questo approccio presenta il limite intrinseco di poter replicare solo ciò che già esiste negli organismi viventi. Ma ancora oggi, la produzione di molti materiali e molecole utili dipende da sostanze chimiche prodotte artificialmente, utilizzando metodi tossici o che emettono carbonio.

Pertanto, sebbene la trasformazione del nostro sistema energetico attraverso veicoli elettrici, batterie ed energie rinnovabili sia importante, trovare alternative più ecocompatibili alla produzione chimica è altrettanto fondamentale per risolvere la maggior parte dei problemi del mondo moderno: inquinamento da plastica, cambiamenti climatici, agricoltura sostenibile, produzione industriale non inquinante, biosicurezza, malattie incurabili, medicina rigenerativa, trattamenti per la longevità, ecc.

E a tutti questi problemi si sta ora proponendo una soluzione: il modello della biofonderia.

Come funziona il modello Biofoundry: una convergenza tecnologica

Multiomica, CRISPR e l'ascesa della "biocodifica"

Negli ultimi anni, la comprensione della biologia e della genetica ha fatto enormi progressi. I risultati chiave si basano su alcune tecnologie innovative.

La prima è il sequenziamento e la genomica, che sono diventati abbastanza economici da poter essere eseguiti di routine per meno di 1,000 dollari per organismo.

Ora è combinato con molte altre “-omiche” (trascrittomica, proteomica, metabolomica, epigenomica, microbiomica, biologia spaziale) per creare multiomicauna comprensione olistica di tutti i molteplici livelli di complessità presenti negli organismi viventi.

Un'altra nuova tecnologia è CRISPR, una nuova tecnica di modifica genetica scoperta nel 2012, che da allora è diventata il metodo più efficace per modificare i geni di tutti i tipi di organismi, compresa la cura di malattie rare.

Infine, l'avvento dei big data, dell'intelligenza artificiale e di altre forme di analisi avanzata ha fornito ai biologi gli strumenti per elaborare e dare un senso all'enorme quantità di dati generata dalla multiomica.

Mettendo insieme questi elementi, emerge una capacità completamente nuova.

La combinazione di tonnellate di dati provenienti da dati multiomici biologici reali con l'analisi dell'IA significa che l'intero processo di creazione di molecole complesse può essere mappato, modellato e persino completamente simulato in silicoCiò apre la possibilità di testare virtualmente migliaia di possibilità o di creare da zero proteine ​​completamente nuove con proprietà inedite.

E grazie a CRISPR, trasferire queste idee in microrganismi o piante reali non è mai stato così rapido, preciso e semplice, trasformandoli in fabbriche biologiche ben controllate, o "biofonderie", una sottosezione della biologia sintetica.

Poiché il DNA è essenzialmente un codice biologico, la facilità con cui si possono creare OGM e progettare nuovi biosistemi rende la biologia molto simile alla programmazione informatica.

«Pensate a una cellula. È una specie di piccola macchina che funziona con un codice digitale, molto simile a un computer, solo che in questo caso il codice, invece di zeri e uno, è composto da A, T, C e G. La biologia sintetica consiste quindi nel programmare le cellule come si programmano i computer, modificando il codice del DNA al loro interno. Siamo un po' come dei programmatori cellulari a pagamento. Il nostro lavoro è far sì che la cellula faccia ciò che i nostri clienti desiderano.»

Jason Kelly – CEO di Ginkgo Bioworks

Dalla plastica al profumo: cosa possono creare le biofonderie.

In teoria, molte sostanze chimiche attualmente prodotte dall'industria chimica potrebbero essere sostituite da prodotti di origine biologica. Sia con la stessa molecola prodotta da organismi viventi, sia con sostituti aventi proprietà simili.

Ad esempio, i microrganismi del suolo e le piante producono regolarmente in piccole quantità fertilizzanti, etanolo o etilene, tutte molecole attualmente prodotte in massa dall'industria chimica. Pertanto, una maggiore resa o una produzione più economica da parte di un organismo vivente potrebbe avere un impatto ambientale in termini di emissioni di carbonio molto inferiore.

Un altro obiettivo è ridurre la dipendenza dai combustibili fossili producendo polimeri, inclusi tessuti e materie plastiche (1,4-butandiolo, 1,3-propandiolo, poliidrossialcanoati, acido polilattico, ecc.) attraverso processi metabolici biologici.

Fragranze pregiate, amminoacidi, vitamine, seta, aromi come la vanillina e ingredienti cosmetici come lo squalano o l'acido ialuronico, potrebbero essere prodotti in massa in modo naturale a basso costo, almeno in teoria.

E naturalmente, molte molecole biologiche di nuova invenzione possono essere utilizzate per la produzione di vaccini sintetici, trattamenti antitumorali, fonti proteiche e alimentari alternative (carne coltivata, ecc.).

Infine, in questo modo è possibile produrre prodotti completamente nuovi. Ad esempio, il micelio dei funghi può rappresentare una valida alternativa alla pelle e ad altri tessuti. Oppure le emissioni di carbonio possono essere riciclate direttamente in prodotti utili prima ancora di raggiungere l'atmosfera.

Il modello di business "Ricerca come servizio"

Creare sinergie

Sebbene la tecnologia per farlo sia matura, in pratica non è così semplice riscrivere completamente il metabolismo di un essere vivente, mantenendolo al contempo produttivo.

Per questo motivo, si sta diffondendo sempre più la tendenza ad affidare questo compito a società specializzate che dispongono delle attrezzature, delle competenze e del materiale biologico adeguato per portarlo a termine. Questo modello "Research-as-a-Service", talvolta chiamato anche "organisms-on-demand", permette a diversi progetti e concetti di integrarsi e supportarsi a vicenda in ambiti differenti.

Ad esempio, un microrganismo precedentemente sviluppato per l'assorbimento delle emissioni di carbonio può anche utilizzare quel carbonio per produrre etilene, un precursore chiave per innumerevoli reazioni di sintesi chimica. Tuttavia, un'azienda focalizzata sui crediti di carbonio non avrebbe un utilizzo immediato né esperienza con l'etilene, mentre un'azienda chimica potrebbe non avere una fonte di carbonio a portata di mano. Ma utilizzando lo stesso fornitore di biofonderia, le due aziende possono sviluppare sinergie e rendere il processo più efficiente.

Analogamente, un nuovo metodo ottimizzato per le modifiche genetiche può essere impiegato per decine di applicazioni diverse, ammortizzando i costi di ricerca e sviluppo su una gamma più ampia di progetti.

Ginkgo Bioworks: il “DNA” della biologia sintetica

Nessuna azienda è stata più all'avanguardia nel campo degli "organismi su richiesta" di Ginkgo Bioworks. Dalla sua fondazione nel 2008 da parte di cinque scienziati del MIT, l'azienda si è dedicata alla produzione di batteri OGM per applicazioni industriali, con la biotecnologia, solitamente al centro di tali attività, considerata solo in un secondo momento.

Ginkgo è stata la prima azienda biotecnologica ad aderire al famoso programma di accelerazione per startup Y Combinator nel 2014. L'azienda si è quotata in borsa nel 2021 tramite una fusione SPAC ed è riuscita ad ottenere il ticker DNA del NYSE, precedentemente detenuto dal pioniere delle biotecnologie Genentech (prima della sua acquisizione da parte di Roche).

Da allora, Gingko Bioworks si è affermata come partner chiave di numerose aziende industriali, farmaceutiche e agricole.

Fonte: Ginkgo Bioworks

Ad esempio, ha sviluppato nuovi organismi per diversi programmi di ricerca:

• Microrganismi programmabili per le malattie intestinali.
• Biorisanamento delle microplastiche.
• Terapie e vaccini a base di RNA.
• Riciclaggio di rifiuti e contaminanti.
• Controllo delle principali malattie della soia in Brasile.
• Sostituire i fertilizzanti azotati con i batteri
• Cannabinoidi.
• Produzione ottimizzata di prodotti biologici e peptidi
• Produzione di principi attivi farmaceutici (API) tramite biocatalisi e fermentazione su scala industriale.
• Soluzioni di diagnostica molecolare, grazie a un database enzimatico proprietario e a progettisti enzimatici esperti.
• Terapia cellulare e modifica genetica.

La svolta di Gingko: vendere soluzioni di biosicurezza per laboratori autonomi.

Vendere l'attività nel settore della biosicurezza

Durante la pandemia di COVID, Gingko ha rapidamente ampliato la sua attività nel settore della biosicurezza, un'attività che monitora i rischi biologici, principalmente per conto dei governi. Successivamente si è evoluta in una piattaforma bioradar completa.

Questa attività ha fornito vantaggi inestimabili durante la pandemia attraverso i nostri programmi di test statali e nazionali, generando un fatturato annuo di picco superiore a 300 milioni di dollari. Siamo stati orgogliosi di contribuire all'apertura di oltre 5,000 scuole in tutto il Paese.

Tuttavia, questa attività è relativamente scollegata dal resto dei progetti di Gingko Bioworks. Pertanto, il management dell'azienda ha deciso di cederla a un consorzio di investitori, creando una nuova entità privata indipendente denominata Tower Biosecurity, e Gingko manterrà comunque una partecipazione azionaria del 20%.

Da fornitore di servizi a partner di alto valore

L'attività di "organismi su richiesta" rappresenta attualmente il fulcro del business dell'azienda, con i segmenti più importanti costituiti da quello alimentare e agricolo e da quello farmaceutico e biotecnologico. Tuttavia, tra il quarto trimestre del 2024 e il quarto trimestre del 2025 si è registrato un calo dei ricavi, dovuto a una generale diminuzione degli investimenti in biotecnologie in questo periodo.

Fonte: Ginkgo Bioworks

Questo segmento ha risentito di una relativa incertezza riguardo al suo modello di business. Inizialmente, Gingko aveva pianificato di fornire la capacità di ricerca come un puro servizio, con un prezzo fisso e un obiettivo ben definito. Questo ha reso Gingko estremamente popolare come partner di ricerca.

Tuttavia, ciò significava anche che non c'erano royalties residue o entrate extra una volta completato il progetto, il che significava che Gingko era intrappolata in un ciclo infinito di nuovi progetti, con la competenza tecnologica che non si traduceva realmente in profitti.

Da allora, ha iniziato a sviluppare nuovi organismi con una struttura di partnership. Ad esempio, Il raggiungimento di un importante traguardo in un progetto con Merck, che porterà a un pagamento di 9 milioni di dollari nel quarto trimestre del 2024. e pagamenti più consistenti in seguito, nella seconda fase del progetto.

La necessità di una ristrutturazione per generare maggiori flussi di cassa è stata presa seriamente dall'azienda, che si è impegnata a fondo per ridurre il consumo di liquidità, diminuito del 73% nell'ultimo anno. Inoltre, l'azienda non ha debiti significativi, il che riduce ulteriormente i rischi finanziari.

Fonte: Ginkgo Bioworks

L'ascesa del laboratorio di robotica modulare e autonoma

Se in passato l'ingegneria cellulare rappresentava il fulcro dell'azienda, il suo futuro risiede ora nell'utilizzo dell'intelligenza artificiale e dei propri laboratori automatizzati per ridurre i costi e migliorare la creazione di nuove biofonderie.

Laboratori automatizzati Si tratta di una tecnologia su cui Gingko lavora da tempo, poiché ancora oggi gran parte del lavoro nei laboratori biologici consiste in compiti manuali ripetitivi e noiosi, che spesso assorbono la maggior parte del tempo di personale con lauree magistrali e dottorati di ricerca.

Per cambiare questo metodo, è stata creata una piattaforma modulare automatizzata, in grado di eseguire senza intervento umano attività di laboratorio come la coltura cellulare, il trasferimento di sostanze chimiche, l'analisi microscopica, ecc.

Fonte: Ginkgo Bioworks

La caratteristica più importante di questo progetto è la sua modularità. Ciascun modulo può infatti essere collegato agli altri per creare una sorta di "catena di montaggio" per esperimenti scientifici e bioanalisi.

Questa soluzione è abbinata a un'offerta software, creando una soluzione flessibile che può essere adattata e modificata in pochi giorni o ore, rispetto alle infrastrutture di ricerca più rigide che richiedono mesi di costose riconfigurazioni per i nuovi progetti.

Fonte: Ginkgo Bioworks

Questa combinazione offre sia la flessibilità necessaria per la ricerca (rispetto alla produzione di massa), sia l'automazione necessaria per accelerare la ricerca e ridurre i costi, poiché il laboratorio automatizzato può lavorare più velocemente di un essere umano e 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

Gingko prevede di offrire questa tecnologia in due formati:

• Con la formula "Crea il tuo laboratorio", l'azienda produce e fornisce assistenza per i moduli di laboratorio automatizzati, ma la gestione quotidiana e la proprietà rimangono al cliente.
• Accedi al laboratorio autonomo di frontiera di Ginkgo tramite la stipula di un contratto diretto per il servizio.

Dato di fatto: Generazione di 10,000 esperimenti in poche settimane

Mentre la soluzione di automazione genera i dati biologici, Datapoint li elabora trasformandoli in informazioni utili.

L'elemento chiave è la rapida generazione di dati in grado di guidare ulteriori ipotesi e la rapida iterazione di nuovi esperimenti per continuare ad andare avanti.

Fonte: Ginkgo Bioworks

Grazie a questo servizio, Ginkgo può fornire dati che appartengono interamente al cliente, il che rappresenta un vantaggio competitivo nelle partnership con altre aziende biotecnologiche o farmaceutiche.

È possibile generare dati in sole 3 settimane, con oltre 10,000 perturbazioni chimiche e genetiche in vitro per ciascun tipo di cellula e un'ampia scelta di metodi analitici disponibili per studiare i risultati.

Lo stesso sistema può essere utilizzato per la generazione rapida di nuovi anticorpi, un tipo di molecola che sta rapidamente diventando un farmaco chiave in oncologia e in altri campi medici. Ginkgo può analizzare fino a 2,400 anticorpi diversi in parallelo, grazie a un'infrastruttura di laboratorio automatizzata del valore di 1 miliardo di dollari.

Ricerca biologica basata sull'intelligenza artificiale

Gingko ha stretto una partnership con OpenAI per utilizzare ChatGPT 5 nel contesto della ricerca biologica, riscontrando un netto miglioramento della produttività.

"L'azienda afferma che il sistema ha ridotto i costi della reazione di sintesi proteica acellulare del 40% rispetto allo stato dell'arte, eseguendo al contempo 36,000 condizioni sperimentali in sei cicli iterativi."

Il coinvolgimento umano si è limitato principalmente alla preparazione dei reagenti, al carico e scarico e alla supervisione del sistema, mentre la progettazione sperimentale, l'esecuzione, l'interpretazione dei dati e la generazione di ipotesi sono state gestite dal laboratorio autonomo guidato da GPT-5.

Il modello utilizzato è stato rilasciato come open source e La miscela di reazione acellulare migliorata dall'intelligenza artificiale può essere ordinata dalla comunità scientificatrasformando Gingko in un importante strumento di ricerca open source per gli scienziati di tutto il mondo.

Anche il Ginkgo era Assegnati 47 milioni di dollari dal governo degli Stati Uniti per lo sviluppo di una grande struttura di ricerca per il Missione Genesis, un sito di 32,000 piedi quadrati noto come il Capacità di fenotipizzazione molecolare microbica (M2PC)Ospiterà oltre 100 strumenti analitici automatizzati e si prevede che sarà pienamente operativo per i ricercatori di tutto il mondo entro il 2030.

"Il team sfrutterà l'intelligenza artificiale avanzata per decifrare la funzione delle proteine ​​e delle vie metaboliche, automatizzare la generazione e la raccolta dei dati e integrare i sistemi sperimentali e di supercalcolo del Dipartimento dell'Energia con aziende biotecnologiche e di intelligenza artificiale."

Prospettive a lungo termine: il Ginkgo è finalmente redditizio?

Da creatrice del modello di business delle biofonderie e attore di primo piano nel settore della biosicurezza, Gingko si sta ora reinventando come leader nell'automazione della ricerca biologica e partner chiave nelle tecnologie di ricerca e sviluppo basate sull'intelligenza artificiale.

Con l'incontro tra biologia e intelligenza artificiale, molti processi industriali saranno progressivamente sostituiti da alternative biotecnologiche più ecocompatibili, a impatto zero in termini di emissioni di carbonio, non tossiche e più economiche. In questa visione del futuro, le forme di vita saranno programmabili come un codice informatico, ma con un impatto ancora maggiore sul mondo reale.

Ciò rappresenta un'enorme opportunità per Gingko Bioworks, sia per il progetto a cui sta già lavorando, sia per la possibilità che il suo design di laboratorio automatizzato diventi uno standard per la maggior parte dei team di ricerca a lungo termine.

Insieme al miglioramento del suo modello di business di ingegneria cellulare (con maggiori royalty e contratti di ripartizione dei ricavi più equi), questo dovrebbe contribuire a rendere Gingko redditizia nei prossimi anni.

(Puoi anche leggere di più su altre aziende di biologia sintetica in “Le 5 migliori società pubbliche di biologia sintetica")

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