Momentos más importantes en la biología sintética durante 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:

El laboratorio Smolke reprograma la levadura con una vía biosintética vegetal
 

La Dra. Christina Smolke de la Universidad de Stanford descubrió una vía para reprogramar las células de la levadura de panadero con el fin de convertirlas en máquinas vegetales productoras de fármacos. En su artículo en Nature, el primer autor, Prashanth Srinivasan, estudió cada uno de los orgánulos de las células de la levadura y los imaginó como partes de una fábrica. Mediante una combinación de genómica funcional, ingeniería de proteínas y optimización de cepas, el sistema integrado de Srinivasan recapitula la organización espacial de la vía vegetal de biosíntesis de alcaloides del tropano. 

Los alcaloides del tropano provienen de la planta belladona y son inhibidores de los neurotransmisores que se han utilizado durante siglos para tratar trastornos neuromusculares o para envenenar adversarios. Ahora, se utilizan para mantener la función cardíaca durante la intubación relacionada con la COVID-19. La producción de alcaloides del tropano era un problema por motivos económicos y medioambientales. Sin embargo, con esta nueva tecnología, estos compuestos pueden producirse a escala con el fin de ayudar a aliviar la escasez en la cadena de suministro. La Dra. Smolke ha cofundado una empresa biotecnológica emergente para obtener la licencia para esta tecnología y espera una integración a escala completa y la producción en dos años.

El Premio Nobel de Química va para el descubrimiento de las CRISPR

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.

El gobierno estadounidense presta a Ginkgo Bioworks 1100 millones de dólares para el tratamiento de la COVID e infraestructuras futuras

La empresa de biotecnología Ginkgo Bioworks ha recibido un préstamo de 1100 millones de dólares del gobierno estadounidense como ayuda con las pruebas contra la COVID-19 y la producción de materias primas para los tratamientos de esta pandemia y otras futuras. Dos vacunas líderes contra el SARS-CoV-2, el virus que provoca la COVID-19, son vacunas de ARNm desarrolladas por Pfizer/BioNTech y Moderna. Aunque Pfizer/BioNTech y Moderna han implementado sus propios planes de fabricación, ahora, Ginkgo Bioworks puede aumentar la producción de ácidos nucleicos y otras materias primas para cualquier otra pandemia futura. El director ejecutivo de Ginkgo Bioworks, Jason Kelly, afirma que, con este dinero, pueden ayudar a construir una infraestructura de bioseguridad global. 

Google anuncia AlphaFold 2 para la predicción de estructuras proteicas basada en IA

En el reto de evaluación crítica de la predicción de estructuras (CASP) de 2020, AlphaFold2 de Google fue el mejor predictor de estructuras proteicas basado en inteligencia artificial (IA). Este reto solicita a los diferentes grupos de investigación que utilicen sus redes de IA para predecir una estructura proteica 3D a partir de su secuencia de aminoácidos primaria. Normalmente, esto se realiza de forma experimental mediante las laboriosas técnicas de difracción de rayos X, resonancia magnética nuclear (RMN) o microscopia electrónica criogénica (MEC), y todas ellas necesitan equipos que cuestan varios millones de dólares y experimentos de prueba y error.

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: Predicciones de proteínas.

Salesforce anuncia ProGen para el diseño de proteínas basado en IA

Aunque la comprensión de la estructura de una proteína nos puede dar claves sobre su función, los científicos normalmente deben esperar a que la evolución proporcione proteínas nuevas y útiles. Sin embargo, ahora, con el modelo generativo de diseño de proteínas basado en IA de Salesforce Research, ProGen, pueden generarse secuencias de proteínas estructural y funcionalmente viables. Esta nueva tecnología expandirá los campos de la ingeniería de proteínas, la biología sintética, la ciencia de los materiales y otros. El objetivo es especificar las propiedades deseadas de una proteína y utilizar ProGen para crear con precisión un secuencia de proteínas viable.

La clave es que estas secuencias las genera un modelo de IA: no existen en los datos usados para la formación. Se suministraron 280 millones de secuencias de proteínas y metadatos asociados a ProGen para obtener información sobre las proteínas naturales seleccionadas por la evolución. Entonces, ProGen utiliza dichos datos para generar de forma controlada proteínas funcionales únicas basadas en las características deseadas, como la función molecular, los componentes celulares, el proceso biológico, etc. 

En su artículo, el equipo de investigación evaluó el rendimiento de ProGen con respecto a las proteínas con una estructura y función conocidas. Tras conservar las secuencias de proteínas de ProGen, proporcionaron a ProGen la secuencia inicial y las “etiquetas” adecuadas, como proliferación, supervivencia, migración y diferenciación celulares, y se pidió a ProGen que generara el resto de la secuencia. Mediante sustituciones de aminoácidos, evaluaron la energía de las secuencias previstas: las proteínas funcionales prefieren tener baja energía. También analizaron la energía con ciertas mutaciones para ver los efectos en las estructuras proteicas. Una vez más, todo esto se genera de novo.

El boom de la OPV de la biotecnología

A finales de 2020, 65 compañías biotecnológicas sumaron un total de más de 13 000 millones de USD en OPV este año, con lo que se sobrepasa los totales de años anteriores en más del doble. El tamaño medio de la oferta de 196,2 millones de USD también fue fácilmente el mayor de los últimos años. Casi todas han aumentado espectacularmente su precio desde el inicio. Por ejemplo, CureVac, una socia de Eli Lilly, debutó a 16 USD. Alcanzó un pico de 136,27 USD el 9 de diciembre de 2020 y sigue con tendencia al alza. Los miles de millones de dólares que entran en estas compañías les permiten expandirse y, por lo tanto, aumentando el valor. Todo esto sin que las compañías se vean forzadas a firmar acuerdos, lo que favorece un mercado de vendedores.

Genomatica produce la primera tonelada del mundo de bionailon y planea una gran expansión de la tecnología

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. 

Ahora, Genomatica ha firmado un acuerdo por varios años con Aquafil para expandir esta tecnología y construir un centro a escala de demostración con el fin de producir la cantidad más grande de bionailon-6. El espera que el primer ciclo de producción genere 50 millones de toneladas para uso precomercial. Esto sustituirá el nailon tradicional que genera más de 60 millones de toneladas de emisiones de gases invernadero cada año. 

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!