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Biologie beginnt mit einer technologischen Überarbeitung

BOSTON — Zwei weiß gekleidete Labortechniker, die an Arbeitsplätzen in einer Ecke sitzen, sind den Maschinen zahlenmäßig weit überlegen. Roboterarme kalibrieren Flüssigkeiten in Mikrotropfen. Kleine Tabletts mit jeweils 96 winzigen Vertiefungen bewegen sich auf magnetischen Spuren durch das Labor. Zentrifugen surren. Gensequenzer summen.

Das hochmechanisierte Labor – betrieben von Ginkgo Bioworks, einem schnell wachsenden Start-up in Boston – ist ein Maschinenraum der synthetischen Biologie, einem aufstrebenden Gebiet, das die Werkzeuge der Ingenieurs- und Computertechnik anwendet, um völlig neue Organismen herzustellen oder bestehende genetisch zu beschleunigen.

Befürworter der synthetischen Biologie sagen, dass das Feld die Biologie umprogrammieren könnte, um die Nahrungsmittelproduktion zu steigern, Krankheiten zu bekämpfen, Energie zu erzeugen und Wasser zu reinigen. Die Realisierung dieses Potenzials liegt, wenn überhaupt, Jahrzehnte in der Zukunft. Aufgrund der Fortschritte in den letzten Jahren in Biologie, Informatik, Automatisierung und künstlicher Intelligenz ist es jedoch nicht mehr der Stoff für reine Science-Fiction.

Geld fließt ins Feld. Forschungsuniversitäten, staatliche Stellen und große Chemie- und Pharmakonzerne wie Bayer und Merck verfolgen Projekte in diesem Bereich. Aber auch kleinere Unternehmen wie Ginkgo.

Junge Unternehmen der synthetischen Biologie haben im vergangenen Jahr fast 8 Milliarden US-Dollar von Risikokapitalgebern und Börsengängen weltweit aufgebracht, mehr als doppelt so viel wie im Jahr 2019, so SynBioBeta, ein Branchennewsletter. In diesem Jahr könnte die Gesamtfinanzierung 30 Milliarden US-Dollar übersteigen, prognostiziert SynBioBeta.

Viele Unternehmen spezialisieren sich auf einen Teil des Gebiets; Dazu gehören Gensequenzer wie Illumina und Pacific Biosciences sowie DNA-Synthesizer wie Twist Bioscience und Codex DNA. Andere, wie Zymergen und Ginkgo, sind eher One-Stop-Shops.

„Es ist noch ein langer Weg, aber die Vision, die Biologie mit Hilfe von Technik schneller, billiger und zuverlässiger zu machen, wird langsam Realität – und ein großes Geschäft“, sagte John Cumbers, ein Molekularbiologe und Gründer von SynBioBeta.

Ginkgo, das am Freitag, 13 Jahre nach seiner Gründung, an die Börse gehen will, zeigt die Fortschritte und Herausforderungen dieser sich entwickelnden Branche.

Ginkgo hat mehr als 900 Millionen US-Dollar an Risikokapital von Investoren wie Bill Gates, General Atlantic, T. Rowe Price und Viking Global Investors aufgebracht. Aber es begann als fünf Personen mit der gemeinsamen Überzeugung, dass die Biologie mit wiederverwendbarem Code und Standardwerkzeugen eher zu Computern gemacht werden könnte als mit den maßgeschneiderten Experimenten der traditionellen Biologie.

„Das ultimative Ziel von Ginkgo ist es, das Programmieren einer Zelle so einfach wie das Programmieren eines Computers zu machen“, sagte einer der Gründer, Jason Kelly, CEO.

Aber im Gegensatz zu den elektronischen Bits der Computer ist der DNA-Code in Zellen physisch. Die biologischen Debugging-, Kompilierungs- und Testwerkzeuge erforderten Laborraum und -ausrüstung. Anfangs kauften sie sich zu Schnäppchenpreisen, als Biotech-Start-ups im Zuge der nationalen Finanzkrise zusammenbrachen.

Jason Kelly, rechts, CEO von Ginkgo, und Tom Knight, Mitgründer des Bostoner Unternehmens. Kredit. . . Simon Simard für die New York Times

Vier der Gründer waren frischgebackene Doktoranden des Massachusetts Institute of Technology – drei in Bioingenieurwesen, einer in Informatik. Die anfängliche Finanzierung kam vom fünften Gründer, Tom Knight, der 150.000 US-Dollar bereitstellte.

Herr Knight ist ein renommierter Computeringenieur, der zu einem der Gründungspioniere der synthetischen Biologie wurde. Bei M. I. T. entwarf er Hard- und Software für Timesharing, Betriebssysteme, künstliche Intelligenz und Vernetzung auf dem Vorläufer des Internets.

Aber in seinen 40ern entschied Mr. Knight, dass die nächste offene Grenze für technische Innovationen bei Zellen lag, mehr noch als bei Silizium. So verbrachte er Jahre damit, Biologie zu studieren.

1998 gründete Mr. Knight mit Unterstützung des Forschungszweigs des Pentagons ein Labor am M. I. T. in dem, was er synthetische Biologie nannte.

Es dauerte Jahre nach seiner Gründung, bis Ginkgo ein Unternehmen wurde. Bevor private Investoren kamen, stützte sich das Start-up auf 10 Millionen US-Dollar aus bundesstaatlichen Wissenschaftsprogrammen, die vielversprechende Forschung unterstützen.

„Ginkgo würde heute ohne das Kapital der Regierung für die translationale Forschung nicht existieren“, sagte Kelly.

Ginkgo hat 2014 seinen ersten zahlenden Kunden gewonnen. Heute hat das Unternehmen Dutzende von Kunden aus einer Vielzahl von Branchen, darunter Lebensmittel, Landwirtschaft und Pharmazie. Seine Arbeit variiert je nach Kunde. Es kann Know-how, Enzyme oder komplette Zellen liefern. Während der Pandemie hat es zum Beispiel Projekte mit schnellen Turnarounds übernommen, wie die Unterstützung von Moderna bei der Optimierung der Enzymproduktion, um die Herstellung seines Covid-19-Impfstoffs zu beschleunigen.

Die meisten Ginkgo-Projekte sind jedoch längerfristige Initiativen, die darauf abzielen, die Effizienz oder Geschwindigkeit eines gewünschten biochemischen Prozesses in einer Zelle erheblich zu steigern.

Die Wissenschaftler des Unternehmens untersuchen zunächst seine internen und öffentlichen DNA-Datenbanken, um beispielsweise ein leistungsfähigeres Enzym zu entwickeln. Enzyme sind die Katalysatoren für chemische Reaktionen in Zellen.

Sie könnten mit 100.000 ähnlichen Enzymen beginnen und dann die 5.000 vielversprechenderen auswählen, um sie herzustellen. Die 5.000 Proben werden dann in den Ginkgo-Labors getestet.

Das resultierende Enzym ist oft zehnmal besser in der Erzielung der gewünschten Wirkung als das Enzym, mit dem der Kunde begonnen hat, sagt das Unternehmen.

Die automatisierten Labore von Ginkgo umfassen mehr als 100.000 Quadratfuß und haben bisher etwa 500 Millionen US-Dollar gekostet. Das Unternehmen bezeichnet seine Labore zusammen als seine Gießerei, eine Anspielung auf den Namen, der für Auftragnehmer zur Herstellung von Computerchips verwendet wird.

Die Labore von Ginkgo machen sein High-Volume-Schnellexperiment-Modell möglich.

„Es ist nicht so, dass wir Genies sind“, sagte Mr. Knight, ein leitender Wissenschaftler und Stratege des Unternehmens. „Das ist eine Maßstabssache. ”

Ein Cluster von Gensequenzierungsmaschinen bei Ginkgo. Der Bau der Labore kostete etwa eine halbe Milliarde Dollar. Kredit. . . Simon Simard für die New York Times

Michael Miille war Agrarwissenschaftler bei Bayer und suchte nach Wegen, die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten, als er auf Ginkgo stieß.

Bayer, zu dessen landwirtschaftlichen Interessen Monsanto und das Saatgutgeschäft von Dekalb zählen, suchte einen Technologiepartner zur Herstellung stickstofffixierender Mikroben. Im Erfolgsfall könnten solche Mikroben den Einsatz von chemischem Dünger eindämmen, den Energieverbrauch bei der Düngemittelproduktion einsparen und die Wasserverschmutzung durch den Abfluss von Feldern reduzieren.

„Ginkgo hatte Technologie, die sonst niemand hatte, und sie waren auf dem Vormarsch“, sagte Herr Miille, CEO von Joyn Bio, einem 2017 gegründeten Joint Venture mit Ginkgo.

Joyn Bio habe in den letzten 18 Monaten „erhebliche Fortschritte“ gemacht, sagte er und plant, innerhalb eines Jahres mit kommerziellen Studien zu beginnen.

Ginkgo ermutigt neue Biotech-Start-ups, seine Technologie zu nutzen, so wie Technologie-Start-ups Amazon Web Services nutzen, um ihre zugrunde liegenden Computer und Datenspeicher bereitzustellen. Die 2018 gegründete Motif Foodworks ist eine davon. Es stellt Zutaten für pflanzliche Alternativen zu Fleisch- und Milchprodukten her und verlässt sich auf Ginkgo, um Hefestämme bereitzustellen, die den Geschmack oder die Textur verbessern.

Ginkgo sammelt Geld auf unterschiedliche Weise, einschließlich Nutzungsgebühren, Lizenzgebühren und Beteiligungen, je nach Kunde. Der Umsatz des Gießereigeschäfts stieg im ersten Halbjahr 2021 um 40 Prozent und wird für das Jahr voraussichtlich 100 Millionen US-Dollar erreichen. Bis Ende letzten Jahres hatten die Ginkgo-Labors insgesamt 74 Zellprojekte abgeschlossen oder bearbeiteten diese. Allein in diesem Jahr sind sie auf dem besten Weg, 30 weitere hinzuzufügen.

„Das Geschäftsmodell beginnt sich zu beweisen“, sagte Kelly.

In einer Einreichung für Investoren sagte Ginkgo, dass sein Gießereigeschäft bis 2024 oder 2025 die Gewinnschwelle erreichen sollte, obwohl dies die Renditen auf Kapitalanlagen und Lizenzgebühren ausschließt, die beginnen, einzufließen.

Ginkgo ist nach allen Angaben ein innovativer Marktführer in der synthetischen Biologie. „Es verkörpert die Vision des Fachgebiets – die Biologie zu industrialisieren“, sagte Herr Cumbers von SynBioBeta.

Während Ginkgo darauf abzielt, weite Teile der Biologie zu automatisieren, ist das Feld immer noch weitgehend Handarbeit. Schätzungsweise 33 Milliarden US-Dollar wurden im vergangenen Jahr weltweit von Universitäten, staatlichen Labors, Biotech-Unternehmen und großen Konzernen für die Zelltechnologieforschung ausgegeben. Mehr als 60 Prozent der Ausgaben entfielen auf Arbeit, der Rest auf Ausrüstung, Reagenzien und andere Materialien. Der Arbeitsanteil für Ginkgo-Projekte liege bei etwa 30 Prozent, so das Unternehmen.

Die Frage ist, wie groß die Nachfrage nach Ginkgos computerbasierter Technologieplattform sein wird und wie schnell. Das Unternehmen und seine Investoren wetten, dass der Moment gekommen ist. Ginkgo sammelt mehr als 1 US-Dollar. 6 Milliarden Euro, um seine automatisierte Biologie-Gießerei durch den Börsengang über eine spezielle Akquisitionsgesellschaft weiter auszubauen.

Der SPAC-Markt war in letzter Zeit volatil. Die Investoren sind jedoch zuversichtlich, dass sich der Deal, der Ginkgo mit etwa 15 Milliarden US-Dollar bewertet, langfristig sowohl für das Unternehmen als auch für seine Unterstützer als gut erweisen wird.

„Das Ginkgo-Team hat Jahre damit verbracht, diese Technologie aufzubauen“, sagte Bill Ford, CEO von General Atlantic, der Investmentfirma und Ginkgo-Unterstützer. „Es hat einen Vorsprung, und wir stecken in den Kinderschuhen der synthetischen Biologie. ”

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