Menulis Ulang Buku Resep Alam: Bagaimana Ginkgo Bioworks Siap Membuat Marah Hampir Setiap Industri yang Dapat Anda Pikirkan

Ginkgo Bioworks, yang berbasis di Boston, telah menjadi berita utama belakangan ini:

  • Ginkgo akan “membawa biodesign ke massa”. (Perusahaan Cepat.)
  • Ginkgo akan “meyakinkan Anda untuk mencintai GMO”. (Atlantik.)
  • Ginkgo adalah "DNA Cops" yang membantu "menghentikan kelas baru senjata biologis agar tidak tercipta". (Bloomberg.)
  • Ginkgo akan "menciptakan kembali Hukum Moore". (Forbes.)

Apa artinya semua ini? Bagaimana satu perusahaan dapat melakukan semua itu?

Baru-baru ini saya berbicara dengan salah satu pendiri Ginkgo Bioworks, Tom Knight dan Jason Kelly tentang masa depan manufaktur dan bagaimana rahasia biologi akan menjadi rahasia untuk membuka Revolusi Industri berikutnya.

Ginkgo Bioworks Lebih Dari Sebuah Perusahaan Biologi - Mereka sedang Merakit Instruksi Manual Untuk Seluruh Dunia Alami

Tl: dr: Biologi adalah nanoteknologi yang berfungsi.

Dinamai setelah pohon Ginkgo, Ginkgo Bioworks berusaha membawa efisiensi industri ke biologi dan efisiensi biologis ke industri dengan memikirkan kembali bagaimana hampir semua dibuat.

Jalur co-founder Tom Knight dari perangkat keras komputer ke biologi molekuler adalah legenda, dan sangat penting untuk memahami kisah Ginkgo. Knight memulai afiliasi selama puluhan tahun dengan MIT ketika dia masih di sekolah menengah, ketika dia mengambil beberapa kelas pemrograman komputer yang pertama dan menghabiskan musim panasnya di laboratorium kecerdasan buatan yang baru lahir. Dia akhirnya lulus melalui gelar PhD MIT ke fakultas MIT, di mana dia bekerja di ARPANET - versi yang sangat awal dari internet - dan ikut mendirikan startup untuk mengusahakan penemuan perangkat keras komputernya. Salah satu perusahaan yang ia dirikan bersama - Symbolics - memiliki nama domain .com pertama yang terdaftar dan akhirnya go public.

Saat mengajar kursus desain sirkuit terpadu, Knight menantang murid-muridnya untuk memprediksi akhir Hukum Moore - prinsip operasi bahwa daya komputasi akan berlipat ganda setiap dua tahun. Knight melihat bahwa akhir dari langkah peningkatan itu sangat dekat dan bertanya-tanya, 'Apa selanjutnya? Apa yang Anda lakukan tentang fakta bahwa teknologi inti, yang merupakan dasar dari komputasi kinerja tinggi, akan segera berakhir? '”

Dia mulai mencari jawabannya, dan menemukannya dalam biologi molekuler. Pada usia 50 tahun, dengan PhD dan puluhan tahun bekerja di tingkat tertinggi bidang teknik komputer, ia kembali ke sekolah, dimulai dengan kelas biologi molekuler tingkat dua. Dia akhirnya mendirikan laboratorium biologi molekuler di dalam departemen ilmu komputer di MIT, dan mulai menguji hipotesisnya tentang meningkatkan biologi untuk memecahkan masalah yang sebelumnya dia renungkan menggunakan silikon.

Mereka mengatakan keharusan adalah ibu dari penemuan, dan Knight bertabrakan dengan kebutuhan: untuk menjalankan eksperimennya pada bakteri yang diedit gen (lebih lanjut tentang itu nanti), ia pertama kali perlu menciptakan bakteri. Itu memakan waktu, pekerjaan yang berulang-ulang, dan otak tekniknya menghasilkan pencerahan: harus ada solusi rekayasa untuk membuat bakteri yang diedit gen dengan cara yang terukur dan efisien. Pada intinya, pencerahannya menunjuk ke sebuah pertanyaan kritis: apa yang memisahkan rekayasa bio dan genetika dari teknik fisik? Apa yang mungkin terjadi jika kita memikirkannya dengan cara yang sama?

Dekade Ksatria dalam bidang komputasi dan teknik yang diterapkan pada pendidikan yang relatif baru dalam biologi molekuler mengarah pada wawasan kritis: menerapkan pola pikir teknik pada proses penemuan - yang memungkinkan genom merekayasa lebih cepat dan dapat diprediksi - akan membawa mikrobiologi industri ke skala baru.

Kekuatan Bakteri

Ginkgo berfokus pada bakteri. Ternyata jika Anda memberikan instruksi yang benar pada prokariota kecil ini, mereka dapat membuat hampir semua hal yang dapat dilakukan biologi.

"Ketika kita memikirkan semua hal yang kita butuhkan di industri - penyimpanan energi, mengubah elektron menjadi bahan kimia, dll - ternyata ada banyak bakteri yang telah menyelesaikan masalah ini," kata Knight kepada saya.

Mari kita mulai dari awal: semua yang dibuat di dunia biologis mengikuti resep tertentu, seperti buku petunjuk. Peptida A plus protein B ditambah fosfolipid C ditambah asam nukleat D dan voila, Anda punya organisme (seperti tanaman), protein (seperti keratin, struktur utama yang membentuk rambut kita dan lapisan luar kulit kita), atau mekanisme pertahanan kimiawi (seperti kafein, yang merupakan cara tanaman membuat diri mereka tidak menarik bagi serangga, tetapi juga terjadi untuk meningkatkan kesadaran kita).

Membangun buku petunjuk untuk bakteri - ribuan di antaranya, dikembangkan oleh rekayasa cepat dan pembuatan prototipe generasi demi generasi dari bakteri yang diedit gen - adalah proses yang efisien, hemat biaya, dan dapat diskalakan untuk membuat bahan biologis. Ini adalah visi yang memotivasi untuk Ginkgo. Tom, Jason, dan tim mereka ingin menjadi semacam Foxconn untuk biologi, mampu membuat hampir semua hal di dunia dengan murah, cepat, dan dalam skala global.

Knight menawarkan analogi yang membuka mata: kegunaan rekayasa molekul biologis “sangat mirip dalam banyak hal dengan beberapa motivasi dasar untuk teknologi seperti silikon, di dunia semikonduktor. Di sana Anda memiliki teknologi dasar, dalam hal silikon kemampuan untuk merancang dan pola dan power-up perangkat semikonduktor, yang sangat kompleks. Teknologi ini agnostik untuk aplikasi: Anda bisa menggunakannya untuk membuat mikroprosesor atau untuk mobil. Anda dapat membuat pesawat televisi darinya. Anda dapat membuat iPhone. "

"Salah satu hal yang kami manfaatkan di sini di Ginkgo, adalah generalitas platform," tambah Kelly, "Kami sedang merancang molekul biologis tanpa aplikasi spesifik dalam pikiran, mengetahui bahwa kami akan menggunakan teknologi itu secara keseluruhan berbagai industri, ”jelas Kelly.

Platform umum Ginkgo akan melakukan untuk biologi apa yang dilakukan laboratorium fabrikasi untuk dunia semikonduktor: membuka jalan bagi produksi teknologi otomatis.

“Secara umum, Anda dapat mengambil biologi yang berlaku untuk hewan ternak dan menerapkannya pada tanaman. Anda dapat menggunakan teknologi yang sama yang dapat digunakan untuk menyeduh bir dan membuat antibodi dengannya, "jelas Kelly," karena semuanya berjalan pada sistem operasi yang sama - DNA. "

Tapi bagaimana dengan semua berita utama itu? Masa depan manufaktur? Tanda Biodesign? Bioweapons? Polisi DNA? Semua dari bakteri?

Itu benar, semua dari bakteri yang beroperasi sesuai dengan instruksi manual yang sangat khusus, dikembangkan pada skala sesuai dengan model unik untuk Ginkgo yang menerapkan pendekatan rekayasa teknologi untuk tugas tersebut. Lebih lanjut tentang model dalam sedikit, tetapi pertama-tama, Knight dan Kelly membawa saya melalui beberapa contoh tentang apa yang sedang dalam proses ..

Contoh # 1: Taman Jurassic Sedikit, Sedikit Fern Gully, Sedikit Chanel №5

Pernahkah Anda bertanya-tanya seperti apa bunga-bunga di Cretaceous? Apakah Anda membeli Eau de Fern Hancur Di Bawah Kaki Anda Selama Kambria?

Menggunakan sampel dari Harvard Herbarium, Ginkgo berharap untuk menghasilkan aroma baru untuk parfum. Dengan mengekstraksi DNA dari bunga yang telah punah selama ratusan tahun, menyandikan DNA dalam bakteri dan menumbuhkannya dalam ragi, mereka percaya mereka dapat membawa ke pasar wewangian yang tidak pernah tercium oleh manusia yang masih hidup.

Salah satu manfaat utama dari memindahkan produksi menjadi bakteri adalah kecepatan. Yang dalam industri tentu saja sama dengan biaya. Diperlukan berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun untuk menumbuhkan generasi tanaman, sedangkan generasi bakteri dapat diproduksi dalam waktu kurang dari 30 menit.

Bahkan jika Anda tidak menyukai aroma era Victoria, kemampuan untuk menghasilkan aroma melalui manipulasi genetik bakteri memiliki konsekuensi penting. Tanpanya, jika seorang pewangi ingin membeli molekul wewangian, mereka harus bergantung pada petani untuk memanen seluruh tanaman. Satu ons Chanel Nomor 5 membutuhkan lebih dari seribu bunga. Ekstrapolasi bahwa di setiap produk di setiap industri bergantung pada aroma - dari air mawar hingga deterjen ke lotion, dan ya, parfum - dan itu banyak tanaman. Mengandalkan seluruh tanaman untuk molekul aroma adalah boros dan mahal bagi lingkungan, dan, mari kita hadapi itu, kedengarannya begitu abad ke-20, bukan?

Ginkgo ingin menghidupkan kembali tanaman kuno untuk parfum langka. 1 ons Chanel membutuhkan sekitar 1.012 bunga!

“Terkadang tanaman itu tidak bekerja karena alasan tertentu selama tahun tertentu. Jadi jika Anda seorang pembuat parfum dan Anda bergantung pada hasil panen itu, itu bisa menjadi masalah serius, ”kata Knight.

Tetapi jika Anda mengambil instruksi manual bahan kimia yang harum, memasukkannya ke dalam bakteri, dan mencetak bahan kimia yang dipesan lebih dahulu - kuno, modern, atau bahkan mungkin baru - sesuai permintaan, Anda baru saja merevolusi industri bernilai miliaran dolar dan menghilangkan kebutuhan akan tanaman air dan hasrat luar angkasa.

Contoh # 2: Kita Dapat Membuat Semua Tanaman Menjadi Tanaman Pemupukan Sendiri

Mari kita berpikir lebih besar. Menyelamatkan-planet kita lebih besar.

Salah satu proyek utama Ginkgo, Joyn Bio, adalah perusahaan patungan dengan Bayer untuk merekayasa kelas bakteri pengikat nitrogen baru yang akan mengikat akar jagung dan gandum dan sangat mengurangi kebutuhan mereka akan pupuk.

Idenya adalah untuk mentransfer keterampilan mikroba dari satu spesies (katakanlah, kedelai, yang dapat menjebak nitrogen mereka sendiri melalui bakteri yang hidup di akar mereka) ke spesies tanaman lain (gandum dan jagung, yang tidak dapat memerangkap nitrogen mereka sendiri), menerjemahkan buku petunjuk dari satu spesies ke spesies lainnya.

Jika berhasil, tanaman jagung dan gandum akan segera dapat membuahi diri mereka sendiri dan mengisi kembali tanah, sangat mengurangi jumlah energi yang dibutuhkan dan gas rumah kaca yang dikeluarkan untuk mempertahankan pasokan pangan dunia.

Contoh # 3: Biosecurity Memenuhi Keamanan Nasional

Sebagai efek samping sebagai perancang DNA terbesar di dunia, Ginkgo memiliki basis data internal besar DNA yang dirancang, yang memberi mereka perpustakaan sekuens untuk membandingkan setiap sekuens baru yang tidak diketahui dalam sel, organisme, virus, atau patogen. Sebagai bagian dari grup dalam kemitraan dengan IARPA, Ginkgo berharap dapat menjawab pertanyaan tentang organisme atau untai DNA baru yang mungkin ditemui oleh pemerintah atau sektor kesehatan, termasuk apakah itu mungkin bersifat patogen (yaitu penyebab penyakit), apakah atau bukan "buatan manusia" atau apakah itu berbahaya atau tidak dengan cara lain.

Contoh # 4: Perjalanan Fantastis ke Tubuh yang Dapat Merevolusi Kedokteran

Gagasan yang sama - bertukar buku petunjuk - di belakang produksi wewangian adat atau kuno dan mikroba tanah yang dimodifikasi dapat diterapkan untuk membuat obat-obatan juga. Ginkgo, dalam kemitraan dengan Synlogic, sedang mengeksplorasi bagaimana bakteri usus dapat memodulasi gangguan pada tubuh dan pikiran. Seperti proyek Joyn Bio adalah tentang rekayasa mikroba yang hidup dengan tanaman, yang satu ini adalah tentang rekayasa mikroba yang hidup di usus. Ginkgo suatu hari nanti bisa mengubah bakteri usus kita menjadi pabrik farmasi - mampu mencetak obat apa pun, dengan harga murah, sesuai permintaan, dari dalam tubuh.

"Kami mungkin dapat melakukannya dengan, sekali lagi, menyalin apa yang mungkin diekstraksi dari pabrik dan memindahkan kemampuan produksi itu ke ragi atau bakteri," kata Knight.

Insinyur fermentasi Ginkgo Bioworks Kar Mun Neoh bekerja di Bioworks2. Kredit gambar: Ginkgo Bioworks

Perbedaan Ginkgo

Kemungkinannya luar biasa. Demikian juga model Ginkgo yang mengubah potensi menjadi kenyataan. Sangat membantu untuk memahami bagaimana mereka berbeda dari perusahaan biotek biasa.

Proses standar industri berjalan seperti ini: pertama, menandatangani kontrak untuk membuat senyawa tertentu, untuk tujuan tertentu. Kemudian, sewalah sepasukan ahli biologi molekuler dan tempatkan mereka di bangku laboratorium tempat mereka merancang dan menguji jalur genetik. Jika Anda mempekerjakan ahli biologi molekuler yang sangat baik, mereka mungkin dapat dengan cepat merancang, merakit, dan menguji setengah lusin jalur untuk menemukan satu atau dua yang bekerja untuk tujuan spesifik yang mereka cari.

Ginkgo mengubah proses itu, berkat pola pikir rekayasa Tom dan Jason. Ginkgo bekerja lebih seperti di dunia silikon - mereka memperlakukan biologi sebagai teknologi hasil-agnostik, bukan sebagai taktik tujuan-spesifik terbatas.

Jadi pada waktu tertentu, tim Ginkgo sedang mengerjakan puluhan proyek, menghasilkan jalur dan organisme yang dapat diterapkan pada sejumlah tujuan tertentu. Ingat bagaimana silikon itu agnostik untuk apakah itu menyalakan iphone atau mobil? Sama disini. Platform dasar bakteri, diinstruksikan dengan cara yang tak terhitung jumlahnya, sama agnostiknya dengan apakah itu memberi obat atau aroma atau akar pengikat nitrogen? Inilah bagaimana Ginkgo memiliki perpustakaan DNA yang luas yang saya jelaskan dalam contoh # 3. Ini adalah pabrik bakteri.

Ketika Ginkgo mendapatkan proyek baru, mereka tidak perlu menyewa tim PhD untuk duduk di meja lab. Sebagai gantinya, mereka membentuk tim internal untuk melibatkan pabrik untuk merancang jalur dengan cepat, melakukan pengeditan gen, menerapkannya pada generasi bakteri atau ragi, dan menguji dan menganalisisnya. Jika organisme yang dirancang menghasilkan senyawa yang mereka cari, mereka dialihkan ke fasilitas yang menghasilkannya dalam skala besar. Jika tidak, mereka dapat dengan cepat mengulangi prosesnya.

“Jadi sepanjang jalan itu, ada satu set tim yang tidak spesifik proyek tetapi lebih spesifik teknologi dengan cara yang persis sama yang akan Anda temukan di fasilitas fabrikasi semikonduktor di mana Anda memiliki orang-orang yang pandai merancang topeng dan kemudian orang-orang yang pandai membuat kue silikon dan satu set orang yang pandai memotong kue itu dan mengemasnya, ”kata Knight.

Kelly menambahkan, “Sekarang perhatikan bahwa tim pada setiap tahap produksi baik pada apa yang mereka bertanggung jawab, dan tidak ada bedanya apakah mereka membuat silikon untuk mobil atau ponsel. Urutan hal-hal yang dilakukan persis sama, terlepas dari apa produk akhirnya. "

Tim Ginkgo telah membuat bioengineering "rekayasa nyata" - seperti yang Tom harapkan.

Ginkgo sedang Merancang Masa Depan

Saya meminta Knight untuk berpikir sedikit fiksi ilmiah. Seperti apa masa depan nanti, dengan Ginkgo Bioworks yang bertanggung jawab?

Knight membayangkan pertumbuhan di bidang biologi prediksi, di mana desainnya bisa lebih efisien dengan mensimulasikan apakah manual instruksi yang berbeda akan bekerja, di mana organisme, dan kapan.

Di luar tubuh kita sendiri yang mencetak obat-obatan yang kita butuhkan, menyuburkan sendiri tanaman, atau membangkitkan wewangian, apa yang mungkin kita bayangkan? Pohon-pohon desainer yang cetak biru strukturalnya telah diprogram ulang untuk tumbuh menjadi bentuk-bentuk rumah dan bukan bentuk-bentuk kayu? (Aku masuk. Aku ingin tinggal di rumah pohon raksasa.) Jalan yang terbuat dari beton yang menyembuhkan diri ?? Hampir semua bahan kimia dan energi dunia dibuat di silo besar, ramah lingkungan, tenang, dan bersih di tengah Amerika?

Seperti yang dicatat Knight, "Mengajukan pertanyaan tentang apa yang akan terjadi untuk biologi sintetis seperti bertanya pada Bardeen, penemu transistor untuk 'tolong perkirakan iPhone' pada tahun 1948. Anda tidak dapat memprediksinya. Anda dapat menebak apa yang penting hari ini tetapi kami tidak memiliki petunjuk untuk masa depan. ”

Dengan kata lain, langit ... dan tanah, laut, dan kemanusiaan ... pada dasarnya, dunia, adalah batasnya.