De Biofoundry-revolutie: Leven programmeren als een fabriek

De verschuiving van chemische naar biologische fabrieken

Hoe digitale codes synthetische chemicaliën vervangen

Zodra vroege wetenschappers begonnen te begrijpen dat de materiële wereld om hen heen was opgebouwd uit afzonderlijke, zuivere componenten, begonnen ze eraan te werken om deze beter te begrijpen. De vroege alchemistische inspanningen maakten de weg vrij voor wetenschappers uit de Verlichting en de vroegmoderne tijd, waarin de afzonderlijke elementen en de basisprincipes van de biologie werden ontdekt: cellen, DNA, enzovoort.

Tegelijkertijd legde de chemische industrie de basis voor de vroege farmaceutische industrie, door synthetische chemische geneesmiddelen te gebruiken om biologische processen bij patiënten te beïnvloeden, zoals het gebruik van salicylzuur (aspirine) om koorts te verlagen.

De chemicaliën die in de geneeskunde en industrie worden gebruikt, zijn geleidelijk aan steeds complexer geworden. Echter, hoe complexer een molecuul, hoe moeilijker het wordt om het te synthetiseren met kunstmatige chemische methoden. En voor de meest complexe eiwitten of biochemische verbindingen wordt het ronduit onmogelijk.

Vervolgens maakte bio-engineering de productie mogelijk van door genetisch gemodificeerde microben geproduceerde, goedkope en veilige insuline, groeihormoon, antilichamen, enzovoort, waardoor het vakgebied biotechnologie ontstond als een verwant, maar toch apart vakgebied van de farmaceutische industrie.

Dit was een enorme revolutie in de biochemie en de geneeskunde, waardoor verbindingen die voorheen extreem duur of onmogelijk te verkrijgen waren, plotseling in overvloed en goedkoop te produceren waren.

Tegenwoordig komen veel nieuwe technologieën (big data, AI, automatisering, precieze genetische manipulatie, geavanceerde analyses, enz.) samen om een ​​nieuw tijdperk in de biowetenschappen in te luiden: de biofoundry-revolutie.

Voorbij de natuur: Organismen herontwerpen voor de industrie

Het biotechnologische tijdperk werd gekenmerkt door het gebruik van kunstmatige genetische modificaties om micro-organismen biomoleculen van belang te laten produceren, meestal medische producten. Dit is buitengewoon winstgevend gebleken, aangezien veel van deze moleculen levensreddend zijn of waardevolle producten vertegenwoordigen die voorheen slechts in kleine hoeveelheden konden worden gewonnen met behulp van kostbare methoden.

Dit heeft echter de inherente beperking dat het alleen kan repliceren wat al in levende organismen voorkomt. Tot op de dag van vandaag is de productie van tal van materialen en nuttige moleculen afhankelijk van kunstmatig geproduceerde chemicaliën, met behulp van giftige of koolstofuitstotende methoden.

Hoewel het belangrijk is om ons energiesysteem te veranderen door middel van elektrische voertuigen, batterijen en hernieuwbare energiebronnen, is het vinden van meer groene alternatieven voor chemische productie net zo belangrijk voor het oplossen van de meeste problemen in de moderne wereld: plasticvervuiling, klimaatverandering, duurzame landbouw, niet-vervuilende industriële productie, bioveiligheid, ongeneeslijke ziekten, regeneratieve geneeskunde, behandelingen voor een langer leven, enzovoort.

En voor al deze problemen wordt nu een oplossing ingezet: het biofoundry-model.

Hoe het Biofoundry-model werkt: een technologische convergentie

Multiomics, CRISPR en de opkomst van 'biocodering'

De afgelopen jaren is ons begrip van biologie en genetica enorm vooruitgegaan. De belangrijkste onderdelen hiervan zijn gebaseerd op een aantal nieuwe technologieën.

De eerste is sequentiebepaling en genomica, wat zo goedkoop is geworden dat het routinematig kan worden uitgevoerd voor minder dan $1,000 per organisme.

Het wordt nu gecombineerd met vele andere "-omics" (transcriptomics, proteomics, metabolomics, epigenomics, microbiomics, ruimtelijke biologie) om te creëren multiomicaeen holistisch begrip van alle verschillende complexiteitsniveaus in levende organismen.

Een andere nieuwe technologie is CRISPR, een nieuwe manier van genbewerking die in 2012 werd ontdekt en sindsdien de krachtigste methode is geworden om de genen van alle soorten organismen te bewerken, ook voor de behandeling van zeldzame ziekten.

Ten slotte gaf de opkomst van big data, AI en andere vormen van geavanceerde analyses biologen de instrumenten om de enorme hoeveelheid data die multiomics heeft gegenereerd te verwerken en te interpreteren.

Wanneer ze samengebracht worden, ontstaat er een geheel nieuwe mogelijkheid.

De combinatie van enorme hoeveelheden data uit echte biologische multiomics met AI-analyse betekent dat het hele proces voor het creëren van complexe moleculen in kaart kan worden gebracht, gemodelleerd en zelfs volledig gesimuleerd. in siliciumDit biedt de mogelijkheid om vrijwel duizenden mogelijkheden te testen of om volledig nieuwe eiwitten met nieuwe eigenschappen te creëren.

En dankzij CRISPR is het implementeren van deze ideeën in echte micro-organismen of planten nog nooit zo snel, nauwkeurig en gemakkelijk geweest, waardoor ze zijn omgevormd tot goed gecontroleerde biologische fabrieken, ofwel "biofoundries", een onderdeel van de synthetische biologie.

Omdat DNA in wezen een biologische code is, brengt het gemak waarmee GGO's gemaakt kunnen worden en nieuwe biosystemen ontworpen kunnen worden de biologie heel dicht bij computerprogrammering.

“Stel je een cel voor. Het is een soort kleine machine die werkt op digitale code, vergelijkbaar met een computer, alleen bestaat de code in dit geval niet uit nullen en enen, maar uit A's, T's, C's en G's. Synthetische biologie programmeert cellen dus net zoals we computers programmeren, door de DNA-code erin te veranderen. We zijn als het ware ingehuurde celprogrammeurs. Onze taak is om de cel te laten doen wat onze klanten willen.”

Jason Kelly – CEO van Ginkgo Bioworks

Van plastic tot parfum: wat biofabrieken kunnen bouwen

Veel chemicaliën die momenteel door de chemische industrie worden geproduceerd, zouden in theorie kunnen worden vervangen door biologisch geproduceerde stoffen. Ofwel door hetzelfde molecuul dat door levende organismen wordt geproduceerd, ofwel door vervangende stoffen met vergelijkbare eigenschappen.

Zo produceren bodemmicroorganismen en planten bijvoorbeeld routinematig kleine hoeveelheden meststoffen, ethanol of ethyleen, moleculen die tegenwoordig op grote schaal door de chemische industrie worden geproduceerd. Een hogere opbrengst of goedkopere productie door een levend organisme zou dus een veel lagere CO2-uitstoot kunnen hebben.

Een ander doel is het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen door de productie van polymeren, waaronder textiel en kunststoffen (1,4-butaandiol, 1,3-propaandiol, polyhydroxyalkanoaten, polymelkzuur, enz.), via biologische metabolische processen.

Hoogwaardige geurstoffen, aminozuren, vitaminen, zijde, aroma's zoals vanilline en cosmetische ingrediënten zoals squalaan of hyaluronzuur zouden in theorie ook op grote schaal en tegen lage kosten geproduceerd kunnen worden.

En natuurlijk kunnen veel nieuw ontwikkelde biologische moleculen gebruikt worden voor synthetische vaccins, kankerbehandelingen, alternatieve eiwit- en voedselbronnen (kweekvlees, enz.).

Ten slotte kunnen op deze manier compleet nieuwe producten worden gemaakt. Zo kan paddenstoelmycelium bijvoorbeeld een geschikt alternatief vormen voor leer en andere textielsoorten. Of koolstofemissies kunnen direct worden gerecycled tot nuttige producten voordat ze de atmosfeer bereiken.

Het Research-as-a-Service-bedrijfsmodel

Synergieën creëren

Hoewel de technologie hiervoor voldoende ontwikkeld is, is het in de praktijk niet zo eenvoudig om het metabolisme van een levend organisme volledig te herschrijven en tegelijkertijd de productiviteit te behouden.

Daarom is er een groeiende trend om deze taak uit te besteden aan gespecialiseerde bedrijven die beschikken over de apparatuur, expertise en het juiste biologische materiaal om dit te realiseren. Dit "onderzoek-als-een-dienst"-model, ook wel "organismen-op-aanvraag" genoemd, maakt het mogelijk dat verschillende projecten en concepten elkaar over verschillende domeinen heen ondersteunen.

Een micro-organisme dat bijvoorbeeld is ontwikkeld voor de absorptie van koolstofemissies, kan die koolstof ook gebruiken om ethyleen te produceren, een belangrijke grondstof voor talloze chemische synthesereacties. Een bedrijf dat zich richt op koolstofkredieten heeft echter geen directe toepassing of ervaring met ethyleen, terwijl een chemisch bedrijf mogelijk geen koolstofbron voorhanden heeft. Door echter dezelfde biofoundry-aannemer in te schakelen, kunnen beide bedrijven synergieën ontwikkelen en het proces efficiënter maken.

Op dezelfde manier kan een nieuwe, geoptimaliseerde methode voor genetische modificaties worden ingezet voor tientallen verschillende toepassingen, waardoor de kosten van onderzoek en ontwikkeling over een breder scala aan projecten worden verdeeld.

Ginkgo Bioworks: Het "DNA" van de synthetische biologie

Geen enkel bedrijf heeft zo'n voortrekkersrol gespeeld in de ontwikkeling van "organismen op aanvraag" als Ginkgo Bioworks. Sinds de oprichting in 2008 door vijf wetenschappers van MIT, heeft het bedrijf zich volledig gericht op de productie van genetisch gemodificeerde bacteriën voor industriële toepassingen, waarbij biotechnologie, normaal gesproken de focus van dergelijke activiteiten, slechts een ondergeschikte rol speelde.

Ginkgo was het eerste biotechnologiebedrijf dat zich in 2014 aansloot bij het befaamde Y Combinator-programma voor start-ups. Het bedrijf ging in 2021 naar de beurs via een SPAC-fusie en wist het tickersymbool DNA op de NYSE te bemachtigen, dat voorheen in handen was van biotechpionier Genentech (vóór de overname door Roche).

Sindsdien is Gingko Bioworks uitgegroeid tot een belangrijke partner van vele industriële, farmaceutische en agrarische bedrijven.

Bron: Gingko Biofabriek

Het ontwikkelde bijvoorbeeld nieuwe organismen voor diverse onderzoeksprogramma's:

• Programmeerbare microben voor darmaandoeningen.
• Bioremediatie van microplastics.
• RNA-therapieën en -vaccins.
• Recycling van afval en verontreinigende stoffen.
• Het bestrijden van ernstige sojaboonziekten in Brazilië.
• Het vervangen van stikstofmeststoffen door bacteriën
• Cannabinoïden.
• Geoptimaliseerde productie van biologische producten en peptiden
• Productie van actieve farmaceutische ingrediënten (API's) door middel van opgeschaalde biocatalyse en fermentatie.
• Moleculaire diagnostische oplossingen, via een eigen enzymdatabase en deskundige enzymontwerpers.
• Celtherapie en genbewerking.

Gingko's koerswijziging: Biosecurity verkopen aan autonome laboratoria

De bioveiligheidsbranche verkopen

Tijdens de COVID-pandemie breidde Gingko zijn activiteiten op het gebied van bioveiligheid, waarbij biologische risico's worden gemonitord, voornamelijk voor overheden, snel uit. Dit ontwikkelde zich vervolgens tot een compleet bioradarplatform.

Die bedrijfsactiviteit leverde tijdens de pandemie onschatbare voordelen op via onze testprogramma's op staats- en nationaal niveau en resulteerde in een jaarlijkse omzetpiek van meer dan $300 miljoen. We waren er trots op dat we hebben bijgedragen aan de heropening van meer dan 5,000 scholen in het hele land.

Deze activiteit staat echter relatief los van de overige projecten van Gingko Bioworks. Daarom heeft het management van het bedrijf besloten deze af te stoten aan een consortium van investeerders, waarmee een nieuwe, zelfstandige particuliere entiteit genaamd Tower Biosecurity wordt opgericht. Gingko behoudt hierbij een aandelenbelang van 20%.

Van dienstverlener naar waardevolle partnerschappen

De activiteit "organismen op aanvraag" vormt momenteel de kern van de bedrijfsactiviteiten, waarbij de grootste segmenten voedsel & landbouw en farmacie & biotechnologie zijn. De omzet hiervan is echter gedaald tussen het vierde kwartaal van 2024 en het vierde kwartaal van 2025, als gevolg van een algemene afname van investeringen in biotechnologie gedurende deze periode.

Bron: Gingko Biofabriek

Dit segment heeft te kampen gehad met relatieve onzekerheid over het bedrijfsmodel. Aanvankelijk was Gingko van plan om de onderzoekscapaciteit puur als een dienst aan te bieden, met een vaste prijs en een duidelijk eindpunt. Dit maakte Gingko extreem populair als onderzoekspartner.

Dit betekende echter ook dat er geen resterende royalty's of extra inkomsten waren zodra het project was afgerond, waardoor Gingko vastzat in een eindeloze cyclus van nieuwe projecten, waarbij technologische bekwaamheid zich niet echt vertaalde in inkomsten.

Sindsdien is men begonnen met het ontwikkelen van nieuwe organismen, meer in een samenwerkingsverband. Bijvoorbeeld: Het behalen van een belangrijke mijlpaal in een project met Merck, wat leidt tot een uitbetaling van $9 miljoen in het vierde kwartaal van 2024. en grotere betalingen later in fase 2 van het project.

De noodzaak tot herstructurering om de cashflow te verbeteren werd door het bedrijf serieus genomen, met een sterke focus op het terugdringen van de cashburn, die het afgelopen jaar met 73% is gedaald. Daarnaast heeft het bedrijf geen noemenswaardige schulden, wat de financiële risico's verder beperkt.

Bron: Gingko Biofabriek

De opkomst van het modulaire, autonome robotlaboratorium

Als celtechnologie in het verleden de kernactiviteit van het bedrijf was, ligt de toekomst nu in het gebruik van AI en eigen geautomatiseerde laboratoria om kosten te verlagen en de ontwikkeling van nieuwe biofabrieken te verbeteren.

Geautomatiseerde laboratoria Dit is een technologie waar Gingko al een tijdje aan werkt, omdat het meeste werk in biolaboratoria tot op de dag van vandaag bestaat uit repetitieve en saaie handmatige taken, die vaak het grootste deel van de tijd in beslag nemen van medewerkers met een master- of doctoraatstitel.

Om deze methode te veranderen, heeft het bedrijf een geautomatiseerd modulair platform ontwikkeld dat in staat is om zonder menselijke tussenkomst laboratoriumtaken uit te voeren, zoals het kweken van cellen, het overbrengen van chemicaliën, microscopische analyses, enzovoort.

Bron: Gingko Biofabriek

Het belangrijkste kenmerk van dit ontwerp is de modulariteit. Elk onderdeel kan vervolgens met een ander worden verbonden om een ​​soort 'assemblageketen' te vormen voor wetenschappelijke experimenten en bioanalyses.

Deze oplossing wordt gecombineerd met een software-aanbod. Hierdoor ontstaat een flexibele oplossing die binnen enkele dagen of uren kan worden aangepast en gewijzigd. Daarentegen is er bij nieuwe projecten vaak sprake van rigide onderzoeksinfrastructuren waarbij maandenlange, kostbare herconfiguraties nodig zijn.

Bron: Gingko Biofabriek

Deze combinatie biedt zowel de flexibiliteit die nodig is voor onderzoek (in vergelijking met massaproductie), als de automatisering die nodig is om onderzoek te versnellen en kosten te verlagen, aangezien het geautomatiseerde laboratorium sneller kan werken dan een mens en 24/7 beschikbaar is.

Gingko is van plan deze technologie in twee varianten aan te bieden:

• "Bouw je eigen lab", waarbij het bedrijf de geautomatiseerde labmodules produceert en onderhoudt, maar de dagelijkse werkzaamheden en het eigendom bij de klant blijven.
• Krijg toegang tot Ginkgo's eigen autonome grensverleggende laboratorium door de service rechtstreeks af te nemen.

Datapoint: 10,000 experimenten genereren in enkele weken

Terwijl de automatiseringsoplossing de biologische gegevens genereert, verwerkt Datapoint deze tot bruikbare inzichten.

De sleutelelementen zijn het snel genereren van gegevens die als basis kunnen dienen voor verdere hypothesen en het snel uitvoeren van nieuwe experimenten om vooruitgang te blijven boeken.

Bron: Ginkgo Bioworks

Met deze dienst kan Ginkgo gegevens leveren die volledig eigendom zijn van de klant, wat een concurrentievoordeel oplevert bij samenwerkingen met andere biotech- of farmaceutische bedrijven.

Gegevens kunnen al binnen 3 weken worden gegenereerd, met meer dan 10,000 in vitro chemische en genetische verstoringen in elk celtype, en een ruime keuze aan analysemethoden om de resultaten te bestuderen.

Hetzelfde systeem kan worden gebruikt voor de snelle productie van nieuwe antilichamen, een type molecuul dat snel een belangrijk medicijn wordt in de oncologie en andere medische vakgebieden. Ginkgo kan tot 2,400 verschillende antilichamen parallel screenen, dankzij een geautomatiseerde wetlab-infrastructuur ter waarde van $ 1 miljard.

AI-gestuurd bio-onderzoek

Gingko heeft een samenwerking met OpenAI opgezet om ChatGPT 5 te gebruiken in de context van bio-onderzoek. Het bedrijf meldde een drastische verbetering van de productiviteit.

"Het bedrijf meldt dat het systeem de kosten van celvrije eiwitsynthesereacties met 40% heeft verlaagd ten opzichte van de huidige stand van de techniek, terwijl er 36,000 experimentele omstandigheden zijn getest in zes iteratieve cycli."

De menselijke tussenkomst was voornamelijk beperkt tot het voorbereiden, laden en lossen van reagentia en het toezicht op het systeem, terwijl het experimenteel ontwerp, de uitvoering, de data-interpretatie en het formuleren van hypothesen werden afgehandeld door het door GPT-5 aangestuurde autonome laboratorium.

Het gebruikte model is als open source vrijgegeven, en De door AI verbeterde celvrije reactiemix kan door de wetenschappelijke gemeenschap worden besteld.waardoor Gingko een belangrijk open-source onderzoeksinstrument is geworden voor wetenschappers wereldwijd.

Ginkgo was er ook een bedrag van 47 miljoen dollar toegekend door de Amerikaanse overheid. voor de ontwikkeling van een grote onderzoeksfaciliteit voor de Genesis Missie, een terrein van 32,000 vierkante voet, bekend als de Mogelijkheid tot moleculaire fenotypering van micro-organismen (M2PC)Het zal meer dan 100 geautomatiseerde analyse-instrumenten huisvesten en naar verwachting in 2030 volledig operationeel zijn voor onderzoekers wereldwijd.

"Het team zal geavanceerde AI inzetten om de functie van eiwitten en signaalroutes te ontcijferen, het genereren en verzamelen van gegevens te automatiseren en de experimentele en supercomputersystemen van het Amerikaanse ministerie van Energie te integreren met biotechnologie- en AI-bedrijven."

De langetermijnvooruitzichten: is ginkgo eindelijk winstgevend?

Gingko, de bedenker van het biofoundry-bedrijfsmodel en een belangrijke speler op het gebied van bioveiligheid, herdefinieert zichzelf nu als leider in de automatisering van biologisch onderzoek en als belangrijke partner in AI-gestuurde R&D-technologie.

Naarmate biologie en AI elkaar ontmoeten, zullen veel industriële processen geleidelijk worden vervangen door groenere, biotechnologische alternatieven die koolstofneutraal, niet-toxisch en goedkoper zijn. In die toekomstvisie zijn levensvormen net zo programmeerbaar als computercode, maar hebben ze een nog grotere impact op de echte wereld.

Dit biedt een enorme kans voor Gingko Bioworks, zowel voor het project waaraan ze al werken, als voor het feit dat hun geautomatiseerde laboratoriumontwerp op de lange termijn de standaard wordt voor de meeste onderzoeksteams.

In combinatie met een verbetering van het bedrijfsmodel voor celtechnologie (met hogere royalty's en eerlijkere winstdelingscontracten) zou dit Gingko de komende jaren winstgevend moeten maken.

(U kunt ook meer lezen over andere bedrijven in de synthetische biologie in “Top 5 overheidsbedrijven op het gebied van synthetische biologie")

Laatste Gingko Biofabriek (DNA) Aandelennieuws en ontwikkelingen