Höhepunkte der synthetischen Biologie im Jahr 2020

The synthetic biology field had many highlights to celebrate in 2020. The Nobel Prize in Chemistry went to Dr. Emmanuelle Charpentier and Dr. Jennifer Doudna for the discovery of CRISPR for gene editing. Artificial intelligence became the backbone of proteomics, allowing for rapid structure determination from just primary sequences, as well as controllable de novo protein synthesis. Many research groups tackled sustainability. Genomatica pushed renewable materials forward yet again with a first-of-its-kind multiyear agreement with Aquafil to produce 50 million tons of plant-based synthetic nylon that helps reduce greenhouse gas emissions. Dr. Christina Smolke’s lab reprogrammed yeast cells and turned them into plant-based drug-producing machines to create tropane alkaloids that have previously been tough to manufacture at scale. A record-breaking 48 companies raised over $11B through IPOs. While there have been many more accomplishments for the field, here are the highlights:

Dem Smolke-Labor gelingt die Umprogrammierung von Hefe mit einem pflanzlichen biosynthetischen Stoffwechselweg
 

Das Labor von Dr. Christina Smolke an der Stanford University hat einen Weg gefunden, Backhefezellen umzuprogrammieren, um sie in Produktionsmaschinen für pflanzliche Arzneimittel zu verwandeln. In ihrem Nature-Artikel beschreibt Erstautor Prashanth Srinivasan, wie er jede der Organellen in der Hefezelle betrachtet und sie sich als Teile einer Fabrik vorgestellt hat. Mit einer Kombination aus funktioneller Genomik, Protein Engineering und Stammoptimierung rekapituliert das integrierte System von Srinivasan die räumliche Organisation des Stoffwechselweges der Tropan-Alkaloid-Biosynthese-Pflanze.

Tropan-Alkaloide stammen aus Nachtschattengewächsen und sind Neurotransmitter-Inhibitoren, die seit Jahrhunderten zur Behandlung neuromuskulärer Erkrankungen oder zur Vergiftung von Feinden eingesetzt werden. Heute werden sie verwendet, um die Herzfunktion während der Intubation im Zusammenhang mit COVID-19 aufrechtzuerhalten. Bisher war die Herstellung von Tropan-Alkaloiden aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen problematisch. Mit dieser neuen Technologie können diese Verbindungen jedoch in großem Maßstab hergestellt werden, um Engpässe in der Lieferkette zu beheben. Dr. Smolke hat ein Biotech-Startup mitbegründet, um diese Technologie zu lizenzieren, und erwartet eine vollständige Integration und Produktion in zwei Jahren.

Der Nobelpreis für Chemie geht an die CRISPR-Entdeckung

On October 7th, 2020, the Nobel Prize in Chemistry was awarded to Dr. Emmanuelle Charpentier from the Max Planck Unit for the Science of Pathogens, Berlin, Germany and Dr. Jennifer Doudna from the University of California, Berkeley, USA for the discovery of a method for genome editing: the clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 system.

In 2011, Dr. Charpentier discovered tracrRNA in Streptococcus pyogenes, a bacterial strain responsible for many human illnesses. This RNA class is part of the bacteria’s adaptive immune system consisting of CRISPR/Cas9 that cleaves and disarms viral DNA. Shortly after, Dr. Charpentier began a collaboration with Dr. Doudna and they successfully recreated these “molecular scissors” and even improved their efficiency. Although the CRISPR/Cas9 system naturally recognizes viral DNA, Dr. Charpentier’s and Dr. Doudna’s research groups reprogrammed them to target any DNA sequence. The implications of this gene editing technology are huge: researchers have used the CRISPR/Cas9 system to generate drought- and mold-resistant crops, as well as create new therapies for treating disorders. The CRISPR/Cas9 system has since been further modified by being able to direct transcriptional enhancers or repressors to a target sequence, allowing for unprecedented gene editing control.

US-Regierung leiht Ginkgo Bioworks 1,1 Mrd. USD für die COVID-Behandlung und die zukünftige Infrastruktur

Das Biotechnologieunternehmen Ginkgo Bioworks erhielt ein Darlehen der US-Regierung in Höhe von 1,1 Mrd. USD zur Unterstützung der COVID-19-Tests und der Herstellung von Rohstoffen für Therapien zur Bekämpfung dieser und künftiger Pandemien. Zwei führende Impfstoffe zur Bekämpfung von SARS-CoV-2, dem Virus, das COVID-19 verursacht, sind mRNA-Impfstoffe, die von Pfizer/BioNTech und Moderna entwickelt wurden. Obwohl Pfizer/BioNTech und Moderna ihre eigenen unabhängigen Produktionspläne haben, kann Ginkgo Bioworks jetzt die Produktion von Nukleinsäuren und anderen Rohstoffen für jede zukünftige Pandemie steigern. Laut Jason Kelly, CEO von Ginkgo Bioworks, kann das Unternehmen mit diesem Geld zum Aufbau einer globalen Biosicherheitsinfrastruktur beitragen. 

Google kündigt AlphaFold 2 für die Vorhersage der KI-basierten Proteinstruktur an

Bei dem Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) 2020 Wettbewerb war Googles AlphaFold2 der Spitzenreiter bei der Vorhersage der Proteinstruktur auf Basis künstlicher Intelligenz (KI). Bei diesem Wettbewerb werden verschiedene Forschungsgruppen aufgefordert, ihre KI-Netzwerke zu verwenden, um die 3D-Struktur eines Proteins anhand seiner primären Aminosäuresequenz vorherzusagen. Normalerweise wird dies experimentell unter Verwendung der zeitaufwändigeren Röntgenbeugungs-, Kernspinresonanz(NMR)- oder kryogenen Elektronenmikroskopie(Kryo-EM)- Techniken durchgeführt, die alle stark auf Geräten im Wert von mehreren Millionen Dollar und Versuchen nach dem Trial-and-Error-Prinzip beruhen.

This breakthrough result will accelerate research into protein structure and drug discovery by potentially decades. For example, Andrei Lupas, an evolutionary biologist at the Max Planck Institute for Developmental Biology in Tübingen, Germany, has been researching the structure of a protein using X-ray diffraction for ten years. AlphaFold2 came up with the structure in 30 minutes. The accuracy of AlphaFold2’s prediction to experimental results scored a median of 92,4 on the Global Distance Test (GDT) 100-point scale, compared with other teams that hovered around 75, indicating that AlphaFold2 can predict with high accuracy. This result will revolutionize the field. Some researchers have dedicated years to this problem. Now that AlphaFold2 can do this in significantly shorter time, researchers can use structural data to focus on topics like protein evolution and drug discovery. Read more about this work in our recent blog post: Protein Predictions.

Salesforce gibt ProGen für KI-basiertes Proteindesign bekannt

Während das Verständnis der Struktur eines Proteins Hinweise auf seine Funktion geben kann, müssten Wissenschaftler normalerweise auf die Evolution warten, um neue, nützliche Proteine hervorzubringen. Mit dem KI-basierten generativen Protein-Design-Modell ProGen von Salesforce Research können jetzt Proteinsequenzen generiert werden, die strukturell und funktionell realisierbar sind. Diese neue Technologie wird die Bereiche Protein Engineering, synthetische Biologie, Materialwissenschaften und andere erweitern. Ziel ist es, die gewünschten Eigenschaften eines Proteins zu spezifizieren und mit ProGen eine lebensfähige Proteinsequenz genau zu erstellen.

Entscheidend ist, dass diese Sequenzen vom KI-Modell generiert werden – sie sind in den für das Training verwendeten Daten nicht enthalten. ProGen erhielt 280 Millionen Proteinsequenzen und zugehörige Metadaten, um mehr über natürliche Proteine zu erfahren, die durch Evolution ausgewählt werden. ProGen verwendete diese Daten dann, um auf der Grundlage gewünschter Eigenschaften wie der molekularen Funktion, der zellulären Komponente, dem biologischen Prozess usw. kontrollierbar einzigartige funktionelle Proteine zu erzeugen. 

In ihrem Paper verglichen die Wissenschaftler die Leistung von ProGen mit der Leistung von Proteinen mit bekannter Struktur und Funktion. Nachdem sie die Proteinsequenzen von ProGen zurückgehalten hatten, versorgten sie ProGen mit der Anfangssequenz und den damit verbundenen „Tags“ wie Zellproliferation, Überleben, Migration und Differenzierung und forderten ProGen auf, den Rest der Sequenz zu generieren. Durch Aminosäuresubstitutionen bewerteten sie die Energie vorhergesagter Sequenzen – funktionelle Proteine bevorzugen eine niedrige Energie. Sie analysierten auch die Energie mit bestimmten Mutationen, um die Auswirkungen auf die Proteinstruktur zu ermitteln. All dies wurde im De-novo-Design generiert!

Börsengänge bei Biotechnologieunternehmen boomen

Bis Ende 2020 haben 65 Biotechnologieunternehmen in diesem Jahr insgesamt über 13 Milliarden US-Dollar durch Börsengänge beschafft und damit die Vorjahreszahlen um mehr als das Zweifache übertroffen. Außerdem war die durchschnittliche Angebotsgröße von 196,2 Mio. US-Dollar mit Abstand die größte in den letzten Jahren. Fast alle von ihnen sind seit ihrem Börsengang im Preis gestiegen. Beispielsweise gab CureVac, ein Partner von Eli Lilly, beim Börsengang die Aktie für 16 US-Dollar an die Investoren aus. Der Aktienwert erreichte am 9. Dezember 2020 einen Höchststand von 136,27 US-Dollar. Tendenz steigend. Die Milliarden von Dollar, die in diese Unternehmen fließen, geben ihnen die Möglichkeit, zu expandieren und damit ihren Marktwert zu steigern – und zwar ohne dass Unternehmen gezwungen sind, Geschäfte abzuschließen, was den Verkäufermarkt begünstigt.

Genomatica produziert die weltweit erste Tonne Bio-Nylon und plant einen enormen Ausbau der Technik

Genomatica is a clean manufacturing leader harnessing synthetic biology to remake materials for everyday products, using plants and waste as opposed to fossil fuels. They teamed up with Novamont, a bioplastics leader, and opened the world’s first commercial plant for bio-based 1,4- butanediol (BDO), used in compostable shopping bags and coffee capsules, which halves the greenhouse gas emissions compared to petroleum. They also produced BrontideTM natural butylene glycol, used in cosmetics and other consumer care products, reducing greenhouse emissions by 51% compared to traditional manufacturing. They were recognized last year by TIME Magazine’s Best Innovations for developing a sustainable bio-nylon precursor made from plant-based sugars. They won the EPA Green Chemistry Challenge Award three times. Earlier this year, together with Aquafil, they produced the world’s first ton of 100% renewable bio-nylon-6 precursor, made from plants instead of crude oil. 

Kürzlich hat Genomatica einen mehrjährigen Vertrag mit Aquafil unterzeichnet, um diese Technologie zu erweitern und eine Demonstrationsanlage für die Herstellung der größten Menge an Bio-Nylon-6 zu errichten. Der erste Produktionslauf soll 50 Millionen Tonnen für den vorkommerziellen Einsatz erzeugen. Dies wird das traditionelle Nylon ersetzen, das jährlich mehr als 60 Millionen Tonnen Treibhausgas verursacht. 

The synthetic biology field has had many highlights in 2020 and Twist is proud to help support these remarkable researchers at Writing the Future.  Learn more about our Synthetic Biology tools: Genes, Oligo Pools and Variant Libraries and how they might support your efforts. We can’t wait to see what 2021 will bring!