Ginkgo Bioworks uruchamia swoją bioodlewnię, aby wejść na warty miliard dolarów rynek enzymów

Ginkgo Bioworks przygotowuje się na kolejny rok zakłócania całego modelu przemysłu biotechnologicznego dzięki wszechstronnemu menu usług inżynierii biologicznej. Jako kompleksowy dostawca usług w zakresie biologii syntetycznej, Ginkgo robi wszystko: od opracowywania nowych smaki i zapachy do inżynierii całych organizmów zabiegi na uprawę i żywe lekarstwa. W ciągu ostatniego roku Ginkgo wprowadzało się biofarma, a teraz ogłosili nowy Inteligencja enzymatyczna usługa. Niedawno rozmawiałem z Jasonem Kelly, jednym ze współzałożycieli Ginkgo i obecnym dyrektorem generalnym, który będzie przemawiał na SynBioBeta 2023, aby uzyskać więcej informacji na temat najnowszej oferty firmy.

Przejście do enzymów nie jest zaskakujące: dzięki zastosowaniom od biofarmaceutyki po rolnictwo enzymy są wielomiliardowe rynek. Cząsteczki te to maleńkie maszyny biologiczne, które mogą pełnić różnorodne funkcje – od utrzymywania naszego ciała w ruchu po katalizowanie reakcji na masową skalę w przemyśle chemicznym. W samym ludzkim ciele jest ich ponad 2,700 enzymy a wiele z nich jest celem leczenia chorób. Dla przemysłu chemicznego enzymy są ważnymi narzędziami, które tworzą i rozbijają wiązania chemiczne. A dla biogospodarki są one niezbędnymi czynnikami napędzającymi budowanie zrównoważonej przyszłości.

Niezależnie od obszaru zastosowania – czy to żywność, farmacja, pielęgnacja skóry, tekstylia, chemikalia, czy cokolwiek innego, co można zbudować za pomocą biologii – enzymy są końmi roboczymi biologii, które przekształcają zrównoważony wkład w wartościowe produkty. Ale każdy konkretny produkt lub aplikacja wymaga opracowania i udoskonalenia niestandardowych enzymów w celu uzyskania optymalnej wydajności. Ten proces, zwany „inżynierią enzymów”, wymaga szeroko zakrojonych prac badawczo-rozwojowych: od opracowania algorytmów obliczeniowych, które sugerują, który enzym najlepiej sprawdzi się w danym zadaniu, po ustalenie, jakiego organizmu żywiciela należy użyć do jego produkcji. Ramy czasowe opracowania każdego nowego enzymu są potwornie długie, a wyniki nie zawsze uzasadniają początkową inwestycję.

Ginkgo Bioworks mówi – porzuć to wszystko: „To wielka zmiana, którą próbujemy wprowadzić na rynku. Chcemy, aby ludzie przestali zajmować się własnymi pracami badawczo-rozwojowymi i korzystali z naszych platform” — myśli Kelly. „Możemy zabrać Cię aż do komercyjnego enzymu od koncepcji”. Może to być atrakcyjna propozycja dla wielu firm, które mogą nie chcieć inwestować we własne wysiłki badawczo-rozwojowe i po prostu potrzebują wykonać swoją pracę. Ginkgo obiecuje nie tylko zdjąć z nich tę pracę, ale zrobić to lepiej i szybciej.

Wytwarzanie większej ilości enzymów, szybciej

Inżynieria enzymów i produkcja komercyjna istnieją już od jakiegoś czasu. Ale to, co zmieniło się w ostatniej dekadzie, to zapotrzebowanie przemysłu na te molekuły. W przeszłości laboratoria akademickie i firmy mogły spędzać lata na ulepszaniu pojedynczego enzymu, ale teraz bioprodukcja wywiera presję na inżynierów enzymów, aby dostarczali te biokatalizatory już dziś abyśmy mogli osiągnąć cele zrównoważonego rozwoju jutra.

Opracowanie doskonałych enzymów wymagało zarówno specjalistycznej wiedzy, jak i infrastruktury. W zależności od wykonywanego zadania niektóre enzymy mogą wymagać optymalizacji w celu zwiększenia wydajności lub poprawy stabilności w trudnych warunkach reakcji; inne projekty mogą wymagać opracowania nowego enzymu w celu przeprowadzenia unikalnej reakcji, dla której nie ma odpowiednika w przyrodzie; a czasami wszystko, czego potrzebujesz, to zwiększyć skalę produkcji już istniejącego enzymu. Niezależnie od celu, Ginkgo może zająć się wszystkim, od projektu po optymalizację procesu produkcyjnego.

Na przykład podczas pandemii firma Ginkgo współpracowała z firmą Aldevron w celu udoskonalenia produkcji enzymu blokującego krowiankę, kluczowego składnika stosowanego w produkcji szczepionek mRNA COVID-19. Firma szybko rozpoznała to potencjalne wąskie gardło w produkcji szczepionek i pracowała nad ulepszeniem szczepu żywiciela wytwarzającego enzym oraz optymalizacją warunków fermentacji. Dzięki ulepszeniom Ginkgo Aldevron mógł dokonać 10 razy więcej enzymu na partię niż w przypadku poprzedniego procesu.

Budowanie największej na świecie bazy danych sekwencji enzymów

Zwiększenie skali jest bez wątpienia ważne dla pełnego wykorzystania potencjału rynku enzymów. Jednak prawdziwym wyzwaniem w branży jest projektowanie i konstruowanie nowych funkcji enzymów, które nie istnieją w naturze. Projekt jest oparty na zaawansowanym oprogramowaniu Ginkgo opartym na algorytmach uczenia maszynowego. Inne firmy np Kolebka, Wzory Biomatter, Kambr, Arzeda, Badania bazowe wykorzystują również możliwości uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji do projektowania nowych enzymów lub ulepszania istniejących. Analizują sekwencje genów z publicznych i zastrzeżonych baz danych i wykorzystują modele predykcyjne do „pisania” nowych sekwencji enzymów.

Jeśli wiesz cokolwiek o modelach, znasz aksjomat, że model jest tak dobry, jak zestaw danych, na którym został przeszkolony. W tym miejscu Ginkgo Bioworks ma ogromną przewagę. Baza kodów Ginkgo, które firma określa jako „portfolio biologiczne”, zawiera sekwencje DNA, które można wykorzystać do trenowania algorytmów uczenia maszynowego w celu rozpoznawania cech, które zawierają pożądane cechy inżynierii enzymów: „Ponieważ prowadzimy nasze laboratoria jak fabryki”, mówi Kelly'ego. „Generujemy usystematyzowane dane w tempie, którego nie osiąga nikt inny, i dlatego nasze modele są tak dobre”.

Ginkgo dużo zainwestowało zarówno w infrastrukturę cyfrową, jak i fizyczną. W ciągu ostatnich kilku lat Ginkgo odnotowało imponujący wzrost i obecnie zatrudnia blisko 1,200 pracowników po niedawne przejęcie firmy Zymergen. Przejęcie Zymergen było jak lalka do budowania zdolności: niedługo przed fuzją Zymergen przejął firmę Radiant Genomics, która opracowała platformę przemysłową do odkrywania produktów naturalnych i genów. Zymergen kupił również inną firmę o nazwie Terapia Lodo który zgromadził ogromną kolekcję DNA drobnoustrojów środowiskowych.

Przejęcia te były częścią celowego wysiłku mającego na celu stworzenie najlepszej dostępnej bazy danych genomu. W 2019 roku Ginkgo zainwestowało w zakup Biografia napędu warp dla ich platformy eksploracji genomu, z kolekcjami drobnoustrojów zebranymi od firm farmaceutycznych: „Prawdopodobnie wykonano pięć lub sześć takich zastrzeżonych dużych prób sekwencjonowania drobnoustrojów, a my nabyliśmy trzy z nich. Kiedy więc mówimy, że mamy dużą, zastrzeżoną bazę danych genomiki, mamy to na myśli” – śmieje się Kelly.

Ginkgo twierdzi, że jego baza danych zawiera obecnie blisko 1 miliard sekwencji, a całe to bogactwo informacji genetycznych jest dostępne dla ich klientów: „To tylko umowa serwisowa z dala od każdego, kto chce opracować produkt” — mówi Kelly.

Od koncepcji do produkcji pod jednym dachem

Biologia jest niezwykle złożona, więc każda sekwencja wygenerowana przez model nadal musi zostać przetestowana w laboratorium. Codebase to po prostu „paliwo dla silnika projektowego”. Prawdziwymi fizycznymi elektrowniami, w których budowane i testowane są generowane komputerowo koncepcje enzymów, są Ginkgo's Foundries. Odlewnie to laboratoria o dużej przepustowości, wyposażone w najnowszą automatyzację, oprogramowanie i narzędzia analityczne — w tym własną platformę do syntezy DNA i najnowocześniejsze fermentory — umożliwiające produkcję i badania przesiewowe tysięcy szczepów oraz odkrywanie najlepszych enzymów .

Jako startup – lub nawet wielomiliardowy międzynarodowy gigant Merck – masz wybór: zbudować całą tę infrastrukturę samodzielnie lub zlecić to na zewnątrz. Kelly uważa, że ​​to oczywiste: „Możesz przyjść i zlecić nam duży projekt, a to zdejmie z ciebie duży ciężar”.

„To, co naprawdę chcemy przekazać naszym klientom, to to, że nie musisz tego robić sam – zainwestowaliśmy pół miliarda dolarów w infrastrukturę i automatyzację, więc nie musisz tego robić” — mówi Kelly. „Uda nam się, gdy nasi klienci odniosą sukces” to filozofia, na której opiera się Ginkgo.

Dziękuję Katia Tarasawa w celu uzyskania dodatkowych badań i raportów na temat tego artykułu. Jestem założycielem SynBioBeta, a niektóre z firm, o których piszę, takie jak Ginkgo Bioworks, są sponsorami Konferencja SynBioBeta i cotygodniowe podsumowanie.