Ginkgo Bioworks fyrer opp sitt biostøperi for å ta på seg milliard-dollar enzymmarkedet

Ginkgo Bioworks gjør seg klar for enda et år med å forstyrre hele bioteknologiske industrimodellen med sin allsidige meny av biologiingeniørtjenester. Som en fullstack-leverandør av syntetisk biologi gjør Ginkgo alt: fra å utvikle nye smaker og dufter å konstruere hele organismer for avlingsbehandlinger og levende medisiner. I løpet av det siste året har Ginkgo flyttet inn BioPharma, og nå har de annonsert en ny Enzym intelligens service. Jeg pratet nylig med Jason Kelly, en av Ginkgos medgründere og nåværende administrerende direktør, som skal snakke på SynBioBeta 2023, for å få mer informasjon om selskapets siste tilbud.

Bevegelsen til enzymer er ikke overraskende: med applikasjoner fra biofarma til landbruk er enzymer en flere milliarder dollar marked. Disse molekylene er bittesmå biologiske maskiner som kan utføre allsidige funksjoner – fra å holde kroppen i gang til å katalysere reaksjoner i massiv skala i den kjemiske industrien. Bare i menneskekroppen er det over 2,700 enzymer og mange av disse er mål for behandling av sykdom. For kjemisk industri er enzymer viktige verktøy som lager og bryter kjemiske bindinger. Og for bioøkonomien er de viktige drivere for å bygge en bærekraftig fremtid.

Uavhengig av bruksområde – det være seg mat, farma, hudpleie, tekstiler, kjemikalier eller noe annet som kan bygges med biologi – er enzymer biologiens arbeidshester som omdanner bærekraftige råvarer til verdifulle produkter. Men hvert spesifikt produkt eller program innebærer utvikling og perfeksjon av tilpassede enzymer for optimal ytelse. Denne prosessen, kalt "enzyme engineering", krever omfattende FoU: fra å utvikle beregningsalgoritmer som foreslår hvilket enzym som kan fungere best for oppgaven for hånden, til å finne ut hvilken vertsorganisme som skal brukes til produksjonen. Tidslinjene for utvikling av hvert nye enzym er uutholdelig lange, og resultatene rettferdiggjør ikke alltid forhåndsinvesteringen.

Ginkgo Bioworks sier – dropp alt det: «Det er det store skiftet vi prøver å skape i markedet. Vi vil at folk skal slutte å gjøre sin egen interne FoU og utnytte plattformene våre, mener Kelly. "Vi kan ta deg hele veien til et kommersielt enzym fra et konsept." Dette kan være et attraktivt forslag for mange selskaper som kanskje ikke ønsker å investere i egen FoU-innsats og rett og slett trenger jobben gjort. Ginkgo lover ikke bare å ta det arbeidet fra hendene, men å gjøre det bedre og raskere.

Lage flere enzymer, raskere

Enzymteknikk og kommersiell produksjon har eksistert en stund. Men det som har endret seg det siste tiåret er industriens etterspørsel etter disse molekylene. Tidligere kunne akademiske laboratorier og selskaper bruke år på å finpusse et enkelt enzym, men nå legger bioproduksjon press på enzymingeniører for å levere disse biokatalysatorene i dag slik at vi kan oppfylle morgendagens bærekraftsmål.

Å utvikle gode enzymer krevde både kompetanse og infrastruktur. Avhengig av oppgaven kan det hende at noen enzymer må optimaliseres for økt ytelse eller forbedret stabilitet under tøffe reaksjonsforhold; andre prosjekter kan kreve utvikling av et nytt enzym for å utføre en unik reaksjon som det ikke finnes tilsvarende i naturen for; og noen ganger er alt du trenger å skalere opp produksjonen av et allerede eksisterende enzym. Uansett mål, kan Ginkgo ta seg av alt fra design til produksjonsprosessoptimalisering.

For eksempel, under pandemien, samarbeidet Ginkgo med Aldevron for å forbedre produksjonen av vaccinia-capping-enzymet, en kritisk komponent som brukes i produksjonen av COVID-19 mRNA-vaksinene. Selskapet oppdaget raskt denne potensielle flaskehalsen for vaksineproduksjon og arbeidet med å forbedre vertsstammen for enzymproduksjon og optimalisere fermenteringsforholdene. Takket være Ginkgos forbedringer kunne Aldevron gjøre det 10 ganger mer enzym per batch enn med forrige prosess.

Bygge verdens største database med enzymsekvenser

Oppskalering er uten tvil viktig for å utnytte det fulle enzymmarkedspotensialet. Men den virkelige utfordringen i bransjen er å designe og konstruere nye enzymfunksjoner som ikke finnes i naturen. Designet er drevet av Ginkgos sofistikerte programvare bygget på maskinlæringsalgoritmer. Andre selskaper som Vugge, Biomatter -design, Kambrium, Arzedaog Basecamp Research bruker også kraften til maskinlæring og AI til å designe nye enzymer eller forbedre eksisterende. De analyserer gensekvenser fra offentlige og proprietære databaser og bruker prediktive modeller for å "skrive" nye enzymsekvenser.

Hvis du kan noe om modeller, kjenner du aksiomet om at modellen bare er like god som datasettet den har blitt trent på. Det er her Ginkgo Bioworks har en enorm fordel. Ginkgos kodebase, som selskapet omtaler som deres "biologiske portefølje", inneholder DNA-sekvenser som kan brukes til å trene maskinlæringsalgoritmene til å gjenkjenne funksjonene som inneholder de ønskede egenskapene for enzymteknologi: "Fordi vi driver laboratoriene våre som fabrikker," sier Kelly. "Vi genererer systematiserte data i en hastighet som ingen andre er, og det er derfor modellene våre er så gode."

Ginkgo har investert tungt i både den digitale og fysiske infrastrukturen. I løpet av de siste årene har Ginkgo gjennomgått en imponerende vekst og har nå nærmere 1,200 ansatte etter nylig oppkjøp av Zymergen. Zymergen-oppkjøpet var som en hekkende dukke for å bygge kapasitet: ikke så lenge før fusjonen hadde Zymergen kjøpt opp Radiant Genomics som hadde utviklet en industriell plattform for oppdagelse av naturlige produkter og gener. Zymergen hadde også kjøpt et annet selskap kalt Lodo Therapeutics som hadde samlet en enorm samling av miljømessig mikrobiell DNA.

Disse anskaffelsene har vært en del av en bevisst innsats for å kurere den beste genomdatabasen der ute. I 2019 investerte Ginkgo i kjøp Warp Drive Bio for deres plattform for genomgruvedrift, med mikrobielle samlinger samlet fra farmaselskaper: «Det har sannsynligvis blitt utført fem eller seks av disse proprietære store mikrobielle sekvenseringsarbeidene, og vi har kjøpt tre av dem. Så når vi sier at vi har en stor proprietær genomikkdatabase, mener vi det, ler Kelly.

Ginkgo sier at databasen for øyeblikket inneholder nærmere 1 milliard sekvenser, og at all den mengde genetisk informasjon er tilgjengelig for kundene deres: "Det er bare en tjenestekontrakt unna alle som ønsker å utvikle et produkt," sier Kelly.

Fra unnfangelse til produksjon under ett tak

Biologi er utrolig kompleks, så hver modellgenererte sekvens må fortsatt testes i laboratoriet. Codebase er bare "drivstoffet for designmotoren". De faktiske fysiske kraftsentrene der de datagenererte enzymkonseptene bygges og testes er Ginkgo's Foundries. Støperiene er laboratorier med høy ytelse som inneholder den nyeste automatiseringen, programvaren og analysene – som inkluderer sin egen DNA-synteseplattform og toppmoderne fermentorer – for å kunne produsere og screene tusenvis av stammer og oppdage de beste enzymene .

Som en oppstart – eller til og med en internasjonal gigant på flere milliarder dollar Merck – du har et valg: å bygge all den infrastrukturen selv eller sette ut. Kelly mener det er en enkel sak: "Du kan komme og sette ut et stort prosjekt til oss, og det vil ta en stor belastning av deg."

«Det vi virkelig ønsker å drive hjem til kundene våre, er at du ikke trenger å gjøre det selv – vi har investert en halv milliard dollar i infrastruktur og automatisering, slik at du ikke trenger det,» sier Kelly. "Vi lykkes når kundene våre lykkes" er filosofien Ginkgo bygger på.

Takk til Katia Tarasava for ytterligere forskning og rapportering om denne artikkelen. Jeg er grunnleggeren av SynBioBeta og noen av selskapene jeg skriver om, for eksempel Ginkgo Bioworks, er sponsorer av SynBioBeta konferanse og ukentlig fordøyelse.