Biyofabrika Devrimi: Yaşamı Bir Fabrika Olarak Programlamak

Kimya’dan Biyolojik Fabrikalara Geçiş

Sentetik Kimyasalların Yerini Dijital Kod Nasıl Alıyor

İlk bilim insanları, etraflarındaki maddi dünyanın ayrı, saf bileşenlerden oluştuğunu anlamaya başladıkları anda, onu daha iyi anlamak için çalışmaya başladılar. Erken dönem simya çabaları, aydınlanma çağı bilim insanlarına ve erken modern döneme yol açtı; bu dönemde ayrı elementler ve biyolojinin temelleri: hücreler, DNA vb. keşfedildi.

Aynı zamanda, kimya endüstrisi, sentetik kimyasal ilaçları kullanarak hastalardaki biyolojik süreçleri değiştiren erken dönem farmasötik endüstrisini yaratıyordu, örneğin ateşi düşürmek için salisilik asit (aspirin) kullanmak gibi.

Giderek, tıpta ve endüstride kullanılan kimyasallar giderek daha karmaşık hale geldi. Ancak, büyük ölçüde, bir molekül ne kadar karmaşıksa, yapay kimyasal yöntemlerle sentezlenmesi de o kadar zorlaşır. Ve en karmaşık proteinler veya biyokimyasal bileşikler için bu tamamen imkansız hale gelir.

Daha sonra, biyomühendislik, ucuz ve güvenli insülin, büyüme hormonu, antikor vb. üretimi için GDO’lu mikroorganizmalarla üretime olanak sağladı ve biyoteknolojiyi, farmasötiklerle ilgili ancak ayrı bir alan olarak yarattı.

Bu, biyokimya ve tıpta devasa bir devrimdi, daha önce son derece pahalı veya elde edilmesi imkansız olan bileşikleri bol ve ucuz üretilebilir hale getirdi.

Bugün, birçok yeni teknoloji (büyük veri, yapay zeka, otomasyon, hassas genetik mühendisliği, ileri analitikler vb.) bir araya gelerek biyobilimlerin başka bir çağını açıyor: biyofabrika devrimi.

Doğanın Ötesinde: Endüstri İçin Organizmaları Yeniden Tasarlamak

Biyoteknoloji çağı, genellikle tıbbi ürünler olan ilgi çekici biyomolekülleri üretmek için mikroorganizmaları yapay genetik modifikasyonlarla kullanmakla karakterize edildi. Bu, olağanüstü derecede karlı olduğunu kanıtladı, çünkü bu moleküllerin birçoğu ya hayat kurtarıcı ya da daha önce yalnızca yüksek maliyetli yöntemlerle küçük miktarlarda hasat edilebilen yüksek değerli ürünler.

Ancak, bunun doğal sınırlaması, yalnızca canlı organizmalarda zaten var olanı kopyalayabilmektir. Ancak günümüze kadar, birçok malzeme ve faydalı molekülün üretimi, toksik veya karbon salınımlı yöntemler kullanılarak yapay olarak üretilen kimyasallara bağımlıdır.

Bu nedenle, enerji sistemimizi EV’ler, piller ve yenilenebilir enerjiler aracılığıyla değiştirmek önemliyken, modern dünyanın çoğu sorununu çözmek için kimyasal üretime daha yeşil alternatifler bulmak da eşit derecede önemlidir: plastik kirliliği, iklim değişikliği, sürdürülebilir tarım, kirletmeyen endüstriyel üretim, biyogüvenlik, tedavi edilemez hastalıklar, rejeneratif tıp, uzun ömür tedavileri vb.

Ve tüm bu sorunlara şimdi bir çözüm uygulanıyor: biyofabrika modeli.

Biyofabrika Modeli Nasıl Çalışır: Bir Teknoloji Yakınsaması

Multiomikler, CRISPR ve “Biyo-Kodlama”nın Yükselişi

Son yıllarda, biyoloji ve genetik anlayışı muazzam ilerleme kaydetti. Kilit kısımlar birkaç yeni teknolojiye dayanıyor.

Birincisi, organizma başına 1.000 dolardan daha az bir maliyetle rutin olarak yapılabilecek kadar ucuz hale gelen dizileme ve genomiktir.

Şimdi, canlı organizmalardaki tüm çoklu karmaşıklık seviyelerinin bütünsel bir anlayışı olan multiomikler oluşturmak için diğer birçok “-omik” (transkriptomik, proteomik, metabolomik, epigenomik, mikrobiyomik, uzamsal biyoloji) ile birleştiriliyor.

Bir diğer yeni teknoloji ise 2012’de keşfedilen ve o zamandan beri nadir hastalıkları tedavi etmek de dahil olmak üzere her tür organizmanın genlerini düzenlemenin en güçlü yolu haline gelen yeni bir gen düzenleme yolu olan CRISPR‘dır.

Son olarak, büyük veri, yapay zeka ve diğer ileri analitik formlarının ortaya çıkışı, biyologlara multiomiklerin yarattığı veri selini işlemek ve anlamlandırmak için araçlar verdi.

Bir araya getirildiğinde, tamamen yeni bir yetenek ortaya çıkar.

Gerçek biyolojik multiomiklerden gelen tonlarca verinin yapay zeka analizi ile birleşimi, karmaşık moleküller oluşturmak için tüm sürecin haritalanabileceği, modellenebileceği ve hatta tamamen in silico simüle edilebileceği anlamına gelir. Bu, binlerce olasılığı sanal olarak test etme veya sıfırdan yeni özelliklere sahip tamamen yeni proteinler yaratma fırsatını açar.

Ve CRISPR sayesinde, bu fikirleri gerçek mikroorganizmalara veya bitkilere koymak hiç olmadığı kadar hızlı, hassas veya kolay hale gelerek, onları sentetik biyolojinin bir alt bölümü olan iyi kontrollü biyolojik fabrikalara veya “biyofabrikalara” dönüştürür.

DNA esasen bir biyolojik kod olduğundan, GDO’lar yapmanın ve yeni biyosistemler tasarlamanın kolaylığı, biyolojiyi bilgisayar kodlamasına çok yakın hale getirir.

“Bir hücre düşünün. Bir bilgisayara çok benzeyen, dijital kodla çalışan küçük bir makine gibi, ancak bu durumda kod—sıfırlar ve birler yerine, A’lar, T’ler, C’ler ve G’ler. Yani sentetik biyoloji, hücrelerin içindeki DNA kodunu değiştirerek, tıpkı bilgisayarları programladığımız gibi hücreleri programlamaktır. Biz bir nevi kiralık hücre programcılarıyız. İşimiz, hücrenin müşterilerimizin istediğini yapmasını sağlamak.”

Jason Kelly – Ginkgo Bioworks CEO’su

Plastikten Parfüme: Biyofabrikalar Neler İnşa Edebilir

Kimya endüstrisi tarafından halihazırda üretilen birçok kimyasal, teoride biyolojik olarak üretilen araçlarla değiştirilebilir. Ya canlı organizmalar tarafından üretilen aynı molekülle, ya da benzer özelliklere sahip ikamelerle.

Örneğin, toprak mikroorganizmaları ve bitkiler rutin olarak küçük miktarlarda gübre, etanol veya etilen üretirler; bunların tümü halihazırda kimya endüstrisi tarafından seri üretilen moleküllerdir. Dolayısıyla, bir canlı organizma tarafından daha yüksek verim veya daha ucuz üretim, çok daha düşük bir karbon etkisine sahip olabilir.

Bir diğer hedef, polimerlerin (dokular ve plastikler dahil: 1,4-Butandiol, 1,3-Propanediol, polihidroksialkanoatlar, polilaktik vb.) biyolojik metabolik yollar aracılığıyla üretilerek fosil yakıtlara bağımlılığı azaltmaktır.

Yüksek değerli kokular, amino asitler, vitaminler, ipek, vanilin gibi aromalar ve skualan veya hyaluronik asit gibi kozmetik bileşenlerin tümü de teoride en azından, ucuz bir maliyetle doğal olarak seri üretilebilir.

Ve elbette, birçok yeni icat edilmiş biyolojik molekül, sentetik aşılar, kanser tedavileri, alternatif protein ve gıda kaynakları (kültürlenmiş et vb.) oluşturabilir.

Son olarak, tamamen yeni ürünler bu şekilde üretilebilir. Örneğin, mantar miselyumu deri ve diğer dokulara uygun bir alternatif yaratabilir. Veya karbon emisyonları, atmosfere ulaşmadan önce doğrudan faydalı ürünlere dönüştürülebilir.

Araştırma-Hizmet-Olarak İş Modeli

Sinergiler Oluşturmak

Bunu yapacak teknoloji olgunlaşmış olsa da, pratikte gerçek bir canlının metabolizmasını tamamen yeniden yazarken, onu aynı zamanda üretken tutmak o kadar basit değildir.

Bu nedenle, bu görevi, bunu başaracak ekipmana, uzmanlığa ve doğru biyolojik materyale sahip uzmanlaşmış şirketlere devretmek giderek artan bir eğilimdir. Bu “Araştırma-Hizmet-Olarak” modeli, bazen “talep üzerine organizmalar” olarak da adlandırılır, farklı projelerin ve konseptlerin alanlar arasında birbirine yardım etmesine olanak tanır.

Örneğin, daha önce karbon emisyonlarının emilimi için geliştirilmiş bir mikroorganizma, o karbonu sayısız kimyasal sentez reaksiyonunun kilit bir öncüsü olan etilen üretmek için de kullanabilir. Ancak karbon kredisi odaklı bir şirketin etilenle acil bir kullanımı veya deneyimi olmazken, bir kimya şirketinin elinde hazır bir karbon kaynağı olmayabilir. Ancak aynı biyofabrika yüklenicisini kullanarak, iki şirket sinerji geliştirebilir ve süreci daha verimli hale getirebilir.

Benzer şekilde, genetik modifikasyonlar için yeni optimize edilmiş bir yöntem, onlarca farklı uygulama için devreye alınabilir ve Ar-Ge maliyeti daha geniş bir proje yelpazesinde amorti edilebilir.

Ginkgo Bioworks: Sentetik Biyolojinin “DNA”sı

“Talep üzerine organizmalar” konusunda Ginkgo Bioworks’ten daha ön saflarda olan başka bir şirket olmamıştır. 2008 yılında beş MIT bilim insanı tarafından kuruluşundan itibaren, şirket endüstriyel uygulamalar için GDO’lu bakteri üretmeye adanmıştı; bu tür bir faaliyetin genellikle odağı olan biyoteknoloji ise ikinci plandaydı.

Ginkgo, 2014 yılında ünlü Y Combinator start-up hızlandırıcı programına katılan ilk biyoteknoloji şirketiydi. Şirket 2021 yılında bir SPAC birleşmesi yoluyla halka açıldı ve daha önce biyoteknoloji öncüsü Genentech (Roche tarafından satın alınmadan önce) tarafından tutulan NYSE sembolü DNA’yı güvence altına almayı başardı.

O zamandan beri, Gingko Bioworks birçok endüstriyel, farmasötik ve tarım şirketinin kilit ortaklarından biri haline geldi.

Kaynak: Gingko Bioworks

Örneğin, çeşitli araştırma programları için yeni organizmalar geliştirdi:

• Bağırsak hastalıkları için programlanabilir mikroplar.
• Mikroplastik biyoremediasyonu.
• RNA terapötikleri & aşıları.
• Atık ve kirleticilerin geri dönüşümü.
• Brezilya’da kritik soya hastalıklarını kontrol etme.
• Azotlu gübreleri bakteri ile değiştirme
• Kannabinoidler.
• Biyolojikler & peptitlerin optimize edilmiş üretimi
• Ölçeklendirilmiş biyokataliz ve fermentasyon yoluyla aktif farmasötik bileşenlerin (API) üretimi.
• Tescilli bir enzim veritabanı ve uzman enzim tasarımcıları aracılığıyla moleküler tanı çözümleri.
• Hücre tedavisi & gen düzenleme.

Gingko’nun Dönüşümü: Otonom Laboratuvarlar İçin Biyogüvenlik Satmak

Biyogüvenlik İşini Satmak

COVID pandemisi sırasında, Gingko biyogüvenlik işini, çoğunl