Наша способность читать и переписывать собственный жизненный код (ДНК) уже сегодня меняет наш подход к излечению болезней, производству вещей и способам питания.
Вы просыпаетесь и видите в окне лишь тонкие изменения в оттенках, поскольку встроенные в них белковые датчики приспосабливаются к восходящему солнцу. Надев брюки из искусственного паучьего шелка и обувь из искусственной кожи, вы ощутите аромат стейка шерстистого мамонта и искусственных яиц. Взяв кофе с молоком, вы сядете в машину, салон которой сделан из биопластика, а двигатель работает на биотопливе, полученном из газов, образующихся при ковке металла для ее корпусе.
По дороге вы улыбаетесь, зная, что принятое вами генное лекарство сдерживает болезнь Альцгеймера, которая присутствует в вашей семье. И это важный день: вы сегодня презентуете свой новых продукт, который делает возможным хранение огромных цифровых архивов данных, которые могут безопасно храниться на протяжении тысячелетий на устройстве размером с сахарный кубик, сделанный на основе ДНК.
Это не научная фантастика. Это недалеко, движимое синтетической биологией (синбио) – или тем, что многие называют эквивалентом вычислений этого столетия, учитывая их потенциал к изменению нашего мира. Как сказал Стив Джобс: «Самые большие инновации в 21 веке будут на стыке биологии и технологий. Наступает новая эра».
Чтение и переписывание кода жизни
Как Синбио воплощает в жизнь подобные инновации? Синбио – это междисциплинарная наука, которая использует инженерный подход к биологии для проектирования и построения функций в клетках.
В основе синбио лежат инструменты для чтения и записи ДНК – кода, который управляет клеточными операциями. Подход синбио также стандартизирует биологические части и системы для копирования, изменения и масштабирования генетических инноваций гораздо быстрее, чем унаследованные методы генной инженерии.
Что двигает развитие Synbio? Четыре технологических достижения:
- быстро снижающаяся стоимость и увеличивающаяся скорость расшифровки (секвенирования) и синтеза ДНК;
- способность машинного обучения обрабатывать данные для определения идеальных конфигураций ДНК для продуктов или процессов;
- инструменты редактирования, такие как кластерные короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами (CRISPR) , которые могут вырезать и комбинировать новые гены быстро, с хирургической точностью;
- возникающие государственные и частные «биофабрики», которые обеспечивают доступные, стандартизованные, готовые к работе генетические конструкции, которые можно копировать или настраивать для различных целей.
Для того, чтобы осознать скорость текущих изменений, вспомните, что первое секвенирование генома человека потребовало 13 лет и 3 миллиарда долларов США; сегодня на это уходит неделя и 600 долларов США.
Проект GP-Write, являющийся результатом проекта Human Genome Project, в котором участвуют сотни ученых, направлен на то, чтобы сделать нашу способность синтезировать (записывать) человеческие и другие крупномасштабные геномы такими же быстрыми, мощными и дешевыми, как наша способность читать (секвинировать) их.
Достижение этого ускорит прогресс в области здоровья человека и увеличит влияние синбио на многие отрасли экономики.
Скорость и масштаб демократизируют синбио.
Учащиеся старших классов уже проводят в классе эксперименты на основе CRISPR, используя учебные комплекты Синбио и участвуют в учебных лагерях, чтобы узнать, как использовать огромный потенциал этой области. Местные био-лаборатории, стремящиеся расширить доступ к синтетической биологии, организуют семинары по всему миру. Общественные лаборатории используют подход экономики совместного использования, предоставляя необходимые инструменты и инфраструктуру. Небольшие группы с небольшим бюджетом теперь могут создавать продукты с огромными возможностями, такие как мобильный комплект для тестирования на малярию, апробированный в Африке.
Новаторы не упускают возможности. Наш анализ показывает, что годовые частные инвестиции в Синбио достигли 4,4 млрд долларов США в 2019 году, что на 310% больше, чем в 2010 году.
Революционный бизнес-потенциал Синбио.
Приложения Синбио готовы в корне изменить такие крупнейшие отрасли промышленности мира, как здравоохранение, пищевая и химическая промышленность, а также решить проблемы с хроническими заболеваниями, изменением климата, продовольственной.
Индивидуальные методы лечения
Скорее всего, мы с недоверием оглянемся назад на современные стандартные методы лечения хронических заболеваний и генетических нарушений. Синбио обещает интеллектуальные, персонализированные приложения для здравоохранения, от редактирования генов кистозного фиброза до настройки бактерий в биоме кишечника для лечения метаболических заболеваний.
Один из основных направлений работы связан с усилиями по лечению рака – согласно нашему анализу, ежегодное количество патентов на синбио, посвященных онкологическим заболеваниям, выросло в пять раз в период с 2013 по 2018 год.
Поступающие на рынок препараты для лечения CAR-T-клетками генетически модифицируют Т-клетки пациента, чтобы распознавать и атаковать специфические раковые клетки пациента.
Биотехнологический стартап Humane Genomics работает над терапией, которая определяет уникальные характеристики опухоли каждого пациента, а затем генетически адаптирует вирус, чтобы заразить и убить его.
Исследователи из Стэнфордской медицины разработали терапевтический подход, называемый перенаправлением аберрантной передачи сигналов на высвобождение эффектора (RASER), который перестраивает раковые клетки, поэтому гиперактивные белки, способствующие росту опухоли, вместо этого убивают раковые клетки, потенциально устраняя или снижая затраты и вредные побочные эффекты химиотерапии.
Подобная персонализированная генная терапия кардинально меняет потоки информации и материалов в сфере здравоохранения. Там, где сегодня лекарства перемещаются от фабрики к пациентам для массового лечения, завтрашние индивидуализированные генетические методы лечения перейдут от пациента (клеточный материал) к фабрике (персонализация) и обратно к пациенту (введение) в процессе, который некоторые эксперты называют «от биопсии к постели больного». Это потребует от фармацевтической цепочки поставок новых способов сотрудничества без сбоев при обеспечении конфиденциальности данных пациентов.
Ответ на COVID-19
Подходы Синбио быстро развертываются в ответ на COVID-19. Когда разразилась пандемия, несколько компаний Синбио отказались от разработки вакцин против других вирусов и сосредоточились на новом коронавирусе. Их биоинженерные инструменты и подход уже позволили некоторым из них выдвинуть кандидатуры вакцины и антител против COVID-19 быстрее и с большей потенциальной функциональностью, чем классические подходы, которые включают создание ослабленной или нейтрализованной формы вируса.
Поскольку эти синбио-вакцины не предполагают культивирования вируса в какой-либо форме, для их производства требуется гораздо меньше места, дозы занимают меньший объем, а масштабирование производства может происходить быстрее. Если компания из сферы Синбио станет первой или одной из первых в гонке за прекращение этой пандемии, это станет важным подтверждением инженерного подхода к биологии и ярким дебютом для широкой публики.
Биосенсоры
Датчики с питанием от Синбио открывают новые возможности для выявления заболеваний и других рисков для организма и окружающей среды по мере их возникновения.
- Одна компания недавно выпустила чип CRISPR на основе графена, который обнаруживает генные мутации в ДНК. Хотя его первое применение было медицинским, позже его можно было использовать для обнаружения ДНК в окружающей среде; портативное устройство, например, могло бы идентифицировать вредителей на поле фермы.
- Ученые в Великобритании разработали бумажные биосенсоры для тестирования на инфекционные заболевания, такие как Эбола.
- Команда Массачусетского технологического института работает над «переносной лабораторией» с использованием Синбио, чтобы расширить отслеживание за пределами физиологических данных до измерения гормонов, геномов и микробиомов.
- Пакистанская группа IGEM получила приз за разработку генетически модифицированной «рыбы-репортера», которая меняет цвет в присутствии загрязнения тяжелыми металлами в воде
Устойчивое производство
Эра Синбио уже здесь для эффективного производства на основе биологических материалов, предлагая гораздо более устойчивые способы создания или улучшения одежды, продуктов питания, лекарств, энергии, химикатов, потребительских товаров и строительных материалов.
Генетически отредактированные микроорганизмы или клетки делают возможным производство химикатов и белков для продуктов питания, одежды или строительных материалов способами, не встречающимися в природе. Подумайте о ферментации с помощью генетически отредактированных или модифицированных дрожжей, бактерий или других микроорганизмов – микробиом – это рабочая лошадка синбио.
Некоторые ароматы и ароматизаторы уже производятся таким образом; то же самое касается лечения малярии артемизинином и большинством инсулинов. Теперь этот подход используется для производства белков молока и яиц, материалов, подобных коже, полимеров для биопластиков, мономеров для биокаучука и топлива из промышленных отходящих газов.
Компании по метаболической инженерии и пищевой промышленности, выполняющие эту работу, получили в 2019 году 634 миллиона долларов США, что на 314% больше за пять лет.
Как и сама природа, биопроизводство децентрализовано. Производство может осуществляться в соответствии со спросом с использованием местных биологических ресурсов. Это сокращает цепочки поставок, снижает потребление энергии, повышает устойчивость и снижает потребность в нефтехимических продуктах в качестве производственных ресурсов. Эффективность природы также снижает количество побочных продуктов и отходов, потому что она производит только то, что необходимо.
Армия США, например, изучает способы использования Синбио для производства основных химических веществ, таких как клей и моющее средство, на передовых операционных базах, а не в зависимости от заводов, использующих нефтехимию, в США за тысячи миль. Военные США вкладывают миллионы долларов в эти и другие инициативы по Синбио, например, в ткань с более высокой прочностью на разрыв и броню, которая может обнаруживать загрязнения.
Оптимизированное производство продуктов питания
Synbio не только производит продукты питания по-новому, но и повышает производительность и устойчивость традиционного сельского хозяйства. Если раньше агрономы проводили длительные селекционные программы, теперь с помощью CRISPR они могут быстро редактировать ДНК растения, чтобы оптимизировать продуктивность, размер, устойчивость к болезням, вкус, аромат, засухоустойчивость и другие важные характеристики. Некоторые культуры уже находятся в разработке, включая засухоустойчивую сою, кофейные зерна без кофеина, пшеницу с низким содержанием глютена и устойчивые к грибкам бананы.
Редактирование генов улучшит характеристики растительных белков в быстрорастущих овощах, которые используются для производства мяса, которое используют в вегетарианских версиях гамбургеров, колбас и других мясных продуктов.
И исследователи надеются коммерциализировать новые культуры с помощью CRISPR, которые уменьшат зависимость от трех культур, которые обеспечивают более половины мировых калорий из растений: риса, кукурузы и пшеницы. Также ведется работа по изменению микробиома почвы, чтобы уменьшить потребность в удобрениях, повысить устойчивость к засухе и свести к минимуму использование пестицидов
Что необходимо знать лидерам
Самая старая технология в мире – ДНК – станет одной из тех, которая обеспечит наиболее сильные изменения в течение следующего десятилетия, поскольку люди продолжают читать и писать операционную систему жизни. Хотя наука может показаться сложной, конец прост. Четвертая промышленная революция, описанная Клаусом Швабом из Всемирного экономического форума, предполагает синтез физического, цифрового и биологического, а Синбио – это последний кусок головоломки.
Правительства во всем мире признают синбио и как экономическую возможность, и как средство решения некоторых сложных проблем. Например, Китай, Сингапур и Великобритания рассматривают синбио как национальный промышленный приоритет. У Японии есть биоэкономическая стратегия, и в прошлом году она запустила глобальную биофабрику. США называют Synbio приоритетной отраслью для инноваций, занятости и устойчивого развития, хотя еще не сформулировали национальную стратегию. Точно так же ЕС поддерживает различные инициативы Synbio для достижения своих целей в области инноваций, биоэкономики и устойчивости, в то время как Индия видит необходимость в развитии потенциала Synbio для ускорения своих национальных приоритетов в области биотоплива и биофармацевтики. Что делать лидерам бизнеса, когда на карту поставлено так много и так быстро?
Подумайте о входах, продуктах, процессах или свойствах, которые synbio может оптимизировать или заменить. Каковы будут чистые выгоды с точки зрения цепочки поставок, устойчивости, климатических рисков и потребителей?
Используйте экосистемный подход, чтобы расширить свой кругозор.
Сканируйте конвейер инноваций, чтобы понять, какие новые продукты и возможности выходят на рынок. Расширьте свою инновационную экосистему с помощью исследователей, инвесторов и новаторов Synbio.
Не просто решайте сейчас и исследуйте следующее, а посвящайте время и инвестиции для создание тго, того, что за гранью воображения.
Как и в случае любой быстроразвивающейся технологии с потенциально серьезным воздействием, необходимо учитывать нормативные и этические проблемы, от безопасности здравоохранения и пищевых продуктов до этики генной инженерии человека, биологической войны и биобезопасности до потенциальных непредвиденных последствий в виде синбиоорганизмов.
Представители отрасли также обсуждают, как сбалансировать защиту интеллектуальной собственности с преимуществами широкого внедрения технологий и продуктов Синбио. Глобальный регуляторный ландшафт является неоднородным, различающимся в зависимости от географического положения и области применения и культурные традиции и нормы играют большую роль.
