Ginkgo Bioworks avvia la sua fonderia biologica per conquistare il mercato miliardario degli enzimi

Ginkgo Bioworks si sta preparando per un altro anno di sconvolgimento dell'intero modello di industria biotecnologica con il suo versatile menu di servizi di ingegneria biologica. In qualità di fornitore di servizi di biologia sintetica full-stack, Ginkgo fa tutto: dallo sviluppo di nuovi sapori e profumi ingegnerizzare interi organismi per trattamenti colturali ed medicine viventi. Nell'ultimo anno, Ginkgo si è mosso BioPharma, e ora ne hanno annunciato uno nuovo Intelligenza enzimatica servizio. Di recente ho parlato con Jason Kelly, uno dei co-fondatori di Ginkgo e attuale CEO, che parlerà a SynBioBeta 2023, per ottenere maggiori dettagli sull'ultima offerta dell'azienda.

Il passaggio agli enzimi non è sorprendente: con applicazioni dal biofarmaceutico all'agricoltura, gli enzimi sono a multimiliardario mercato. Queste molecole sono minuscole macchine biologiche in grado di svolgere funzioni versatili: dal mantenere in funzione i nostri corpi alla catalizzazione di reazioni su vasta scala nell'industria chimica. Solo nel corpo umano, ci sono finiti 2,700 enzimi e molti di questi sono bersagli per il trattamento delle malattie. Per l'industria chimica, gli enzimi sono strumenti importanti che creano e rompono i legami chimici. E per la bioeconomia, sono motori essenziali per costruire un futuro sostenibile.

Indipendentemente dall'area di applicazione, che si tratti di cibo, farmaceutica, cura della pelle, tessile, chimica o qualsiasi altra cosa che può essere costruita con la biologia, gli enzimi sono i cavalli di battaglia della biologia che convertono input sostenibili in prodotti di valore. Ma ogni prodotto o applicazione specifica comporta lo sviluppo e il perfezionamento di enzimi personalizzati per prestazioni ottimali. Questo processo, chiamato "ingegneria enzimatica", richiede un'ampia attività di ricerca e sviluppo: dallo sviluppo di algoritmi computazionali che suggeriscano quale enzima potrebbe funzionare meglio per il compito da svolgere per capire quale organismo ospite utilizzare per la sua produzione. Le tempistiche per lo sviluppo di ogni nuovo enzima sono estremamente lunghe e i risultati non sempre giustificano l'investimento iniziale.

Ginkgo Bioworks sta dicendo – lascia perdere tutto questo: “Questo è il grande cambiamento che stiamo cercando di creare nel mercato. Vogliamo che le persone smettano di svolgere attività di ricerca e sviluppo interne e sfruttino le nostre piattaforme", pensa Kelly. "Possiamo portarti fino a un enzima commerciale da un concetto." Questa potrebbe essere una proposta allettante per molte aziende che potrebbero non voler investire nei propri sforzi di ricerca e sviluppo e hanno semplicemente bisogno che il lavoro venga svolto. Ginkgo promette non solo di togliersi quel lavoro dalle mani, ma di farlo meglio e più velocemente.

Produrre più enzimi, più velocemente

L'ingegneria enzimatica e la produzione commerciale esistono da un po' di tempo. Ma ciò che è cambiato nell'ultimo decennio è la domanda di queste molecole da parte dell'industria. In passato, i laboratori accademici e le aziende potevano impiegare anni a modificare un singolo enzima, ma ora la bioproduzione sta esercitando pressioni sugli ingegneri enzimatici affinché forniscano questi biocatalizzatori oggi in modo da poter raggiungere gli obiettivi di sostenibilità di domani.

Lo sviluppo di grandi enzimi richiedeva sia esperienza che infrastrutture. A seconda dell'attività da svolgere, potrebbe essere necessario ottimizzare alcuni enzimi per migliorare le prestazioni o migliorare la stabilità in condizioni di reazione difficili; altri progetti possono richiedere lo sviluppo di un nuovo enzima per eseguire una reazione unica per la quale non esiste un equivalente in natura; e a volte tutto ciò di cui hai bisogno è aumentare la produzione di un enzima già esistente. Indipendentemente dall'obiettivo, Ginkgo può occuparsi di tutto, dalla progettazione all'ottimizzazione del processo di produzione.

Ad esempio, durante la pandemia, Ginkgo ha collaborato con Aldevron per migliorare la produzione del suo enzima capping vaccinia, un componente fondamentale utilizzato nella produzione dei vaccini mRNA COVID-19. L'azienda ha rapidamente riconosciuto questo potenziale collo di bottiglia per la produzione di vaccini e ha lavorato per migliorare il ceppo ospite di produzione degli enzimi e ottimizzare le condizioni di fermentazione. Grazie ai miglioramenti di Ginkgo, Aldevron potrebbe fare 10 volte più enzima per lotto rispetto al processo precedente.

Costruire il più grande database al mondo di sequenze enzimatiche

La scalabilità è, senza dubbio, importante per sfruttare l'intero potenziale del mercato degli enzimi. Ma la vera sfida nel settore è la progettazione e l'ingegnerizzazione di nuove funzioni enzimatiche che non esistono in natura. Il design è alimentato dal sofisticato software di Ginkgo basato su algoritmi di apprendimento automatico. Altre società come Culla, Disegni di biomateria, Cambrio, Arzedae Ricerca sul campo base utilizzano anche il potere dell'apprendimento automatico e dell'intelligenza artificiale per progettare nuovi enzimi o migliorare quelli esistenti. Analizzano sequenze geniche da database pubblici e proprietari e utilizzano modelli predittivi per "scrivere" nuove sequenze enzimatiche.

Se sai qualcosa sui modelli, conosci l'assioma secondo cui il modello è valido solo quanto il set di dati su cui è stato addestrato. È qui che Ginkgo Bioworks ha un enorme vantaggio. Base di codice di Ginkgo, che l'azienda definisce il loro "portafoglio biologico", contiene sequenze di DNA che possono essere utilizzate per addestrare gli algoritmi di apprendimento automatico a riconoscere le caratteristiche che contengono le qualità desiderate per l'ingegneria enzimatica: "Perché gestiamo i nostri laboratori come fabbriche", afferma Kelly. "Stiamo generando dati sistematizzati a una velocità che nessun altro fa ed è per questo che i nostri modelli sono così validi."

Ginkgo ha investito molto nell'infrastruttura digitale e fisica. Negli ultimi anni, Ginkgo ha registrato una crescita impressionante e ora ha quasi 1,200 dipendenti dopo la recente acquisizione di Zymergen. L'acquisizione di Zymergen è stata come una bambola da nidificazione per costruire capacità: non molto tempo prima della fusione, Zymergen aveva acquisito Radiant Genomics che aveva sviluppato una piattaforma industriale per la scoperta di prodotti naturali e geni. Zymergen aveva anche acquistato un'altra società chiamata Lodo Terapeutica che aveva compilato una vasta collezione di DNA microbico ambientale.

Queste acquisizioni hanno fatto parte di uno sforzo deliberato per curare il miglior database del genoma disponibile. Nel 2019 Ginkgo ha investito nell'acquisto Biografia del motore a curvatura per la loro piattaforma di estrazione del genoma, con raccolte microbiche raccolte da aziende farmaceutiche: “Probabilmente sono stati fatti cinque o sei di questi grandi sforzi proprietari di sequenziamento microbico e ne abbiamo acquisiti tre. Quindi, quando diciamo di avere un grande database proprietario di genomica, lo intendiamo sul serio", ride Kelly.

Ginkgo afferma che il suo database contiene attualmente quasi 1 miliardo di sequenze e tutta quella ricchezza di informazioni genetiche è a disposizione dei propri clienti: "È solo un contratto di servizio per chiunque desideri sviluppare un prodotto", afferma Kelly.

Dall'ideazione alla produzione sotto lo stesso tetto

La biologia è incredibilmente complessa, quindi ogni sequenza generata dal modello deve ancora essere testata in laboratorio. Il Codebase è solo "il carburante per il motore di progettazione". Le vere e proprie centrali elettriche dove vengono costruiti e testati i concetti di enzimi generati dal computer sono le Ginkgo's Foundries. Le fonderie sono laboratori ad alto rendimento che contengono l'automazione, il software e l'analisi più recenti, che includono la propria piattaforma di sintesi del DNA e fermentatori all'avanguardia, per essere in grado di produrre e vagliare migliaia di ceppi e scoprire i migliori enzimi .

Come una startup, o anche un gigante internazionale multimiliardario come Merck – hai una scelta: costruire tutta quell'infrastruttura da solo o esternalizzare. Kelly pensa che sia un gioco da ragazzi: "Puoi venire a esternalizzare un grande progetto a noi e questo ti toglierà un grosso carico".

"Quello che vogliamo veramente portare a casa ai nostri clienti è che non è necessario farlo da soli: abbiamo investito mezzo miliardo di dollari in infrastrutture e automazione in modo che non sia necessario", afferma Kelly. "Abbiamo successo quando i nostri clienti hanno successo" è la filosofia su cui punta Ginkgo.

Grazie a voi Katia Tarasava per ulteriori ricerche e rapporti su questo articolo. Sono il fondatore di SynBioBeta e alcune delle aziende di cui scrivo, come Ginkgo Bioworks, sono sponsor del Conferenza SynBioBeta ed digest settimanale.