Les grands moments de la biologie de synthése en 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:

Le laboratoire Smolke reprogramme la levure avec une voie de biosynthèse à base de plantes
 

Le laboratoire du Dr Christina Smolke à l’Université de Stanford a découvert un moyen de reprogrammer les cellules de levure de boulangerie pour en faire des machines à produire des médicaments d’origine végétale. Dans leur article publié dans Nature, le premier auteur Prashanth Srinivasan a étudié chacun des organites de la cellule de levure et les a imaginés comme les pièces d’une usine. Grâce à une combinaison de génomique fonctionnelle, d’ingénierie des protéines et d’optimisation des souches, le système intégré de Srinivasan récapitule l’organisation spatiale de la voie végétale de biosynthèse des alcaloïdes de tropane. 

Les alcaloïdes du tropane proviennent des plantes de la morelle et sont des inhibiteurs de neurotransmetteurs qui ont servi pendant des siècles à traiter les troubles neuromusculaires ou à empoisonner des adversaires. Aujourd’hui, ils sont utilisés pour maintenir la fonction cardiaque pendant l’intubation liée au COVID-19. La production d’alcaloïdes de tropane s’est avérée problématique pour des raisons économiques et environnementales. Toutefois, grâce à cette nouvelle technologie, ces composés peuvent être produits à grande échelle, afin de remédier aux pénuries de la chaîne d’approvisionnement. Le Dr Smolke a cofondé une startup de biotechnologie en vue de l’obtention d’une licence pour cette technologie et prévoit une intégration et une production à grande échelle dans deux ans.

Le prix Nobel de chimie est attribué à la découverte de 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.

Le gouvernement américain prête 1,1 milliard de dollars à Ginkgo Bioworks pour le traitement du COVID et les infrastructures futures

La société de biotechnologie Ginkgo Bioworks a reçu un prêt de 1,1 milliard de dollars du gouvernement américain pour financer le test COVID-19 et la production de matières premières pour les thérapies destinées à lutter contre cette pandémie et les pandémies futures. Les deux principaux vaccins permettant de lutter contre le SARS-CoV-2, le virus responsable du COVID-19, sont des vaccins à ARNm mis au point par Pfizer/BioNTech et Moderna. Bien que Pfizer/BioNTech et Moderna aient mis en place leurs propres plans de fabrication indépendants, Ginkgo Bioworks peut désormais augmenter la production d’acides nucléiques et d’autres matières premières pour toute future pandémie. Jason Kelly, PDG de Ginkgo Bioworks, affirme qu’avec cet argent, l’entreprise peut contribuer à la mise en place d’une infrastructure mondiale de biosécurité. 

Google présente AlphaFold 2 qui permet de prédire la structure des protéines grâce à l’IA

Lors de l’édition 2020 du concours CASP (Critical Assessment of Structure Prediction), AlphaFold2 de Google a obtenu les meilleurs résultats en matière de prédiction de la structure des protéines par l’intelligence artificielle (IA). Ce programme invite différents groupes de recherche à faire appel à leurs réseaux d’IA pour prédire la structure 3D d’une protéine à partir de sa séquence primaire d’acides aminés. Normalement, cette prédiction s’effectue de manière expérimentale au moyen de techniques plus longues telles que la diffraction des rayons X, la résonance magnétique nucléaire (RMN) ou la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM), qui reposent toutes sur des équipements de plusieurs millions de dollars et sur des essais et erreurs expérimentaux.

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: Les prédictions des protéines

Salesforce présente ProGen pour la conception de protéines basée sur l’IA

Bien que la compréhension de la structure d’une protéine puisse donner des indications sur sa fonction, les scientifiques doivent normalement attendre que l’évolution donne naissance à de nouvelles protéines exploitables. Mais désormais, grâce au modèle génératif de conception de protéines basé sur l’IA de Salesforce Research, ProGen, il est possible de générer des séquences de protéines viables sur le plan structurel et fonctionnel. Cette nouvelle technologie va élargir les domaines de l’ingénierie des protéines, de la biologie de synthèse, de la science des matériaux, etc. Le principe consiste à définir les propriétés souhaitées d’une protéine et à utiliser ProGen pour créer avec précision une séquence protéique viable.

Il faut bien préciser que ces séquences sont générées par le modèle d’IA, elles n’existent pas dans les données qui servent à la formation. ProGen a reçu 280 millions de séquences de protéines ainsi que les métadonnées associées pour apprendre à connaître les protéines naturelles sélectionnées au cours de l’évolution. ProGen a ensuite exploité ces données pour générer de manière contrôlée des protéines fonctionnelles uniques en fonction des caractéristiques souhaitées, telles que la fonction moléculaire, le composant cellulaire, le processus biologique, etc. 

Dans son article, l’équipe de recherche a évalué les performances de ProGen par rapport à des protéines dont la structure et la fonction sont connues. Sans communiquer les séquences de protéines, les membres de l'équipe ont donné à ProGen la séquence de départ et les « étiquettes » associées telles que la prolifération, la survie, la migration et la différenciation des cellules, et leur ont demandé de générer le reste de la séquence. Grâce aux substitutions d’acides aminés, ils ont évalué l’énergie des séquences prédites constatant que les protéines fonctionnelles ont tendance à avoir une faible énergie. Ils ont également analysé l’énergie avec certaines mutations pour voir les effets sur la structure des protéines. Encore une fois, tout ceci est généré de novo !

Boom des introductions en bourse dans les biotechnologies

Jusqu’à la fin de 2020, 65 entreprises de biotechnologie ont levé un total de plus de 13 milliards de dollars en introductions en bourse cette année, soit plus de deux fois le total des années précédentes. La valeur moyenne des offres, 196,2 millions de dollars, était également la plus élevée de ces dernières années. Le cours de presque toutes ces sociétés a grimpé en flèche depuis leur lancement. Par exemple, CureVac, un partenaire d’Eli Lilly, a débuté à 16 dollars. Il a atteint un pic de 136,27 dollars le 9 décembre 2020 et continue de grimper. Les milliards de dollars qui se déversent dans ces entreprises leur donnent des possibilités d’expansion et font ainsi grimper leur valorisation. Tout cela sans que les entreprises soient obligées de conclure des accords, ce qui favorise un marché de vendeurs.

Genomatica produit la première tonne de bio-nylon au monde et prévoit une expansion considérable de sa technologie.

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. 

Genomatica est désormais engagée dans un accord pluriannuel avec Aquafil pour développer cette technologie et construire une installation de démonstration à grande échelle permettant de produire la plus grande quantité de bio-nylon-6. Le premier cycle de production devrait générer 50 millions de tonnes pour une utilisation pré-commerciale. Cela remplacera le nylon traditionnel qui génère plus de 60 millions de tonnes d’émissions de gaz à effet de serre par an. 

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!