10 najważniejszych innowacji biotechnologicznych dla przemysłu R&D 2024

Co klasyfikujemy jako „innowacje biotechnologiczne”?

W przypadku tej listy najlepszych innowacji biotechnologicznych „innowacja biotechnologiczna” to technologia wykorzystująca systemy biologiczne i żywe organizmy do opracowywania lub tworzenia różnych produktów. Przykładami procesów wykorzystujących biotechnologię są warzenie piwa i pieczenie chleba, ponieważ oba wykorzystują drożdże, żywy organizm do tworzenia produktu.

Zastosowania biotechnologii obejmują terapie i diagnostykę szeregu chorób, bioremediację, przetwarzanie odpadów, zrównoważoną produkcję energii i genetycznie modyfikowane uprawy w celu poprawy rolnictwa i produkcji żywności.

(Bardzo) krótka historia biotechnologii

Jednym z najwcześniejszych przykładów biotechnologii jest selektywna hodowla roślin uprawnych w celu zwiększenia korzystnych cech. Takich jak plony, wartość odżywcza, odporność na choroby, suszę i szkodniki. Tradycyjne metody hodowli roślin pozwoliły stworzyć arbuzy bez pestek, pomidory winogronowe i brokuły.

Biotechnologia wyrosła z niemieckiej dziedziny zymotechnologii, która rozpoczęła się jako poszukiwanie lepszego zrozumienia fermentacji przemysłowej na podstawie znanych procesów fermentacji w produkcji żywności i napojów. Przemysł zymotechnologiczny rozkwitł podczas I wojny światowej wraz ze zwiększonym popytem na produkty takie jak pasza dla zwierząt i kwas mlekowy, zamiennik płynu hydraulicznego.

Węgier Károly Ereky ukuł słowo biotechnologia na Węgrzech w 1919 roku. Aby opisać technologię, która przekształcała surowce w bardziej użyteczny produkt. Inne kamienie milowe w historii biotechnologii obejmują masową produkcję penicyliny w latach czterdziestych XX wieku przy użyciu procesu fermentacji opracowanego w Ameryce.

Od 1945 r. dziedzina biotechnologii koncentrowała się na wykorzystaniu inżynierii genetycznej i tworzeniu nowych leków, takich jak szczepionki, oraz masowej produkcji innych, takich jak insulina. W 1994 roku genetycznie modyfikowane uprawy zostały po raz pierwszy wprowadzone w USA. Obecnie na całym świecie dostępnych jest komercyjnie 13 odmian roślin modyfikowanych genetycznie.

Przemysł biotechnologiczny wykazuje szybki wzrost od lat siedemdziesiątych XX wieku. Globalny rynek biotechnologiczny jest obecnie wyceniany na 752,8 miliarda euro. Firmy biotechnologiczne na całym świecie osiągnęły łączną wartość 2,0 bln USD.

Jaka przyszłość czeka innowacje biotechnologiczne?

Przed branżą biotechnologiczną stoi wiele wyzwań. Z opracowywaniem innowacji biotechnologicznych i związanymi z tym badaniami oraz zapewnieniem pokrycia kosztów poprzez patenty i umowy licencyjne wiąże się wysoki poziom ryzyka. Wraz ze wzrostem wykorzystania genetyki w biotechnologii pojawia się wiele kwestii etycznych. Od ochrony prywatności pacjentów po obawy społeczne. Takie jak kontrowersje związane z uprawami GMO i GMO.

Pomimo tych wyzwań, rozwój przełomowych inicjatyw zdrowotnych opartych na innowacjach biotechnologicznych zmieni naszą przyszłość. Gdy stawimy czoła globalnym wyzwaniom, w tym zdrowiu, medycynie i rolnictwu. Firma Labiotech przeprowadziła niedawno wywiad z Billem Coyle’em, dyrektorem ZS, na temat jego przewidywań dotyczących trendów i priorytetów w biotechnologii w 2023 roku. Bill wymienił raka, oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe i sepsę jako obszary o największym potencjale rozwoju w 2023 r.. Ale wspomniał również o zastosowaniach biotechnologii w szeregu obszarów badawczych niezwiązanych z naukami przyrodniczymi, w tym zmianach klimatu i bezpieczeństwie żywnościowym.

Genetycznie modyfikowane rośliny odporne na stres środowiskowy

Naskórek korzeni roślin ma długie włoski, które zwiększają ich powierzchnię do wchłaniania wody i składników odżywczych. Fosforany są kluczowym składnikiem odżywczym dla wzrostu roślin i fotosyntezy. Jednak niskie stężenie fosforanów w glebie utrudnia ich wchłanianie i może powodować stres pokarmowy u roślin.

Badacze biotechnologii z University of Pennsylvania odkryli, że nadekspresja genu GRP8 zwiększa produkcję włośników. A tym samym zwiększa powierzchnię wchłaniania wody i składników odżywczych. Stwierdzono również, że nadekspresja tego bogatego w glicynę białka wiążącego RNA poprawia tolerancję roślin na głód fosforanowy. Zwiększając odporność na stres środowiskowy i zmniejszając zapotrzebowanie na nawozy.

Bezkomórkowa platforma produkcji białek

Bezkomórkowa synteza białek (CFPS) prowadzi do produkcji białek przy użyciu biologicznych procesów transkrypcji i translacji bez konieczności stosowania żywych komórek. Zamiast tego metoda ta wykorzystuje lizat zawierający wszystkie niezbędne makrocząsteczki. Które ułatwiają syntezę biologiczną, jednak przygotowanie lizatu jest czasochłonne i kosztowne, dlatego istnieje potrzeba udoskonalenia metod CFPS.

Naukowcy z Australian National University opracowali nowatorską metodę wytwarzania zamkniętych struktur komórkowych (eCells) na bazie lizatu E. coli do stosowania w CFPS. Ten przełom w biotechnologii umożliwia wydajną i opłacalną produkcję eCells, które z kolei mogą być wykorzystywane do syntezy bioproduktów o wysokiej wartości handlowej i znaczeniu przemysłowym.

Nanocząsteczki pochodzenia bakteryjnego do selektywnego leczenia przeciwdrobnoustrojowego

Wzrost oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe stanowi globalne zagrożenie, szczególnie w środowiskach szpitalnych, gdzie infekcje mogą prowadzić do zagrażających życiu powikłań. Obecne metody leczenia często eliminują zarówno szkodliwe, jak i pożyteczne bakterie, zaburzając mikrobiom i sprzyjając oporności.

SynCell Biotechnology, spinout z Northeastern University, stawia czoła temu wyzwaniu. Dzięki opracowaniu nanocząsteczek selenu z bakterii MRSA i włączeniu ich do opatrunków na rany, infekcje MRSA mogą być selektywnie zwalczane przy jednoczesnym zachowaniu pożytecznych bakterii. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod leczenia, technologia SynCell oferuje dostosowane, wolne od antybiotyków rozwiązanie bez ryzyka oporności. Technologia ta może być wykorzystywana do leczenia bakteryjnych infekcji skóry lub szerszych zastosowań przeciwdrobnoustrojowych, a zespół poszukuje partnerów do inwestycji i rozwoju.

Nowy szczep bakterii E. Coli do syntezy biodegradowalnych tworzyw sztucznych najwyższej jakości

W związku z ponad dwukrotnym wzrostem ilości odpadów z tworzyw sztucznych na świecie w ciągu ostatnich 20 lat, biodegradowalne tworzywa sztuczne stają się coraz bardziej poszukiwane. Jedną z klas obiecujących biodegradowalnych tworzyw sztucznych są polihydroksyalkaniany (PHA), które są wytwarzane przez przemysł biotechnologiczny w procesie fermentacji mikrobiologicznej.

Ponieważ monomery PHA są wytwarzane przez mikroby, ich ostateczny skład może być trudny do kontrolowania w jednolity sposób. Co wpływa na ogólne właściwości fizyczne materiału. Teraz jednak naukowcy ze State University of New York opracowali nowy szczep bakterii E. coli. Który syntetyzuje kopolimery PHA z dostosowanymi kombinacjami monomerów, umożliwiając w ten sposób dostosowanie właściwości fizycznych do każdego zastosowania.

Nowe narzędzie do produkcji białek z wiązaniami dwusiarczkowymi w bakteriach

Wiązania dwusiarczkowe są wykorzystywane w wielu białkach w celu zapewnienia stabilności i funkcji, ale ich produkcja na dużą skalę stanowi wyzwanie. Obecne metody często wymagają złożonego ponownego składania lub drogich systemów komórek ssaków, co ogranicza skalowalność i wydajność.

Aby temu zaradzić, naukowcy z Uniwersytetu w Oulu opracowali system oparty na plazmidzie z katalizatorami fałdowania białek, który umożliwia aktywną produkcję białek w cytoplazmie bakterii. Innowacja ta eliminuje potrzebę ponownego składania, działa z dowolnymi szczepami E. coli i zapewnia znaczny wzrost wydajności białka. Zastosowania obejmują opracowywanie leków, produkcję enzymów i diagnostykę, oferując opłacalne rozwiązanie do produkcji białek dla przemysłu. Zespół z Uniwersytetu w Oulu poszukuje partnerów do licencjonowania i wspólnego rozwoju.

Nowe metody kontroli ekspresji genów w biotechnologii rolniczej

Rosnąca populacja i stale zmieniający się klimat na świecie otworzyły drzwi do niezliczonych wyzwań. Które wpływają na źródła żywności w skali globalnej. W związku z tym przemysł biotechnologiczny przyspieszył potrzebę generowania szybszych i bardziej precyzyjnych technologii. Aby naprawdę wywierać pozytywny wpływ na globalne źródła żywności. Jednym z takich ograniczeń w rozwoju nowych źródeł żywności jest rutynowe wdrażanie endogennych promotorów podczas ekspresji genów roślinnych. Których stosowanie utrudnia kontrolowanie i dostrajanie wspomnianej ekspresji genów. A tym samym opóźnia, a nawet wstrzymuje produkcję nowych i ulepszonych gatunków roślin. Które mogą być wykorzystywane jako źródła żywności.

Zespół badawczy z Lawrence Berkeley National Laboratory opracował nową, trójpunktową strategię syntetycznej produkcji regulatorów transkrypcji. Wykorzystując kluczowe elementy gatunków drożdży i roślin. Wykorzystanie tych elementów pozwala na objęcie procesem zróżnicowanej biblioteki regulatorów transkrypcji w celu kontrolowania transkrypcji eukariotycznej. Technologia ta zapewni branży agrotechnicznej skuteczny sposób koordynowania ekspresji wielu genów w sposób ukierunkowany. Reagujący na środowisko i specyficzny dla tkanki, dając drogę do rozwoju nowych i dostępnych produktów spożywczych na skalę globalną.

Platforma dla myszy z w pełni funkcjonalnym ludzkim układem odpornościowym

Ponieważ wiele badań medycznych opiera się w dużej mierze na modelach zwierzęcych lub niekompletnych systemach ludzkich. Istnieje zapotrzebowanie na w pełni funkcjonalne humanizowane myszy w celu przyspieszenia badań biomedycznych. Poprzednie modele nie sprawdziły się ze względu na niski wskaźnik wszczepiania i upośledzoną odpowiedź immunologiczną, co ogranicza ich zastosowanie.

Naukowcy z UT Health San Antonio opracowali nowy szczep myszy z ludzkim układem odpornościowym. Wykorzystując ludzkie komórki macierzyste CD34+ z krwi pępowinowej. Podając β-estradiol (żeński hormon płciowy), osiągnęli do 95% wszczepienia ludzkich komórek. Co doprowadziło do powstania w pełni funkcjonalnego ludzkiego układu odpornościowego. Rozwój ten umożliwia szybkie generowanie przeciwciał, wspiera badania patogenów specyficznych dla ludzi i usprawnia badania przesiewowe leków. Technologia ta ma potencjał, aby przyspieszyć badania przedkliniczne i oferuje nowy wgląd w choroby. Które wcześniej były utrudnione przez nieodpowiednie modele. Technologia jest otwarta na licencjonowanie i partnerstwa w zakresie wspólnego rozwoju.

Precyzyjna kontrola ekspresji białek za pomocą terapii RNA

Istnieje rosnące zapotrzebowanie na ukierunkowane terapie chorób, które wynikają z braku równowagi w produkcji białek. Podejścia oparte na RNA, takie jak szczepionki mRNA i oligonukleotydy antysensowne (ASO), pojawiły się ostatnio jako obiecujące rozwiązania. Jednak kluczowym wyzwaniem nadal pozostaje precyzyjne modulowanie ekspresji białek za pomocą tych metod.

Naukowcy z University of Rochester opracowali metodę precyzyjnej kontroli ekspresji białek za pomocą ASO. Celując w określone mRNA, mogą one zwiększać lub tłumić produkcję białek, oferując nowe narzędzie do rozwoju terapeutycznego. Innowacja naukowców okazała się skuteczna w zwierzęcych modelach niewydolności serca. Otwierając drzwi do leczenia chorób takich jak przerost serca i zwłóknienie narządów. Zapewniając skuteczne i ukierunkowane leczenie, technologia ta może potencjalnie poprawić leczenie innych schorzeń. W tym zaburzeń neurogeneracyjnych i rzadkich chorób genetycznych. Zespół poszukuje partnerów do wdrożenia tej technologii w ramach wyłącznej licencji.

Uniwersalna modyfikacja genów roślin dla bardziej wydajnego wzrostu

Wzrost populacji ludzkiej i zmiany klimatyczne wywierają coraz większą presję na produkcję roślin uprawnych o zwiększonej wydajności wykorzystania azotu. Do celów żywieniowych w rolnictwie i sekwestracji dwutlenku węgla w środowisku. Wykazano, że ekspresja i znaczenie genów wczesnej noduliny (ENOD) są niezbędne do tworzenia wiążących azot guzków. Zostały zastosowane w celu zwiększenia efektywności wykorzystania azotu. Jednakże, ponieważ naukowcy nie w pełni zrozumieli. W jaki sposób ENOD zmienia wzrost, cechy i rozwój roślin, nie był on skutecznie wykorzystywany.

Na Uniwersytecie Australii Zachodniej naukowcy zidentyfikowali rolę genu ENOD93 w komórkach roślinnych. Umożliwiając ukierunkowane dostrajanie i manipulowanie ENOD93 w roślinach w określonych fazach ich cyklu życia. Biotechnologia ta pozwoli kontrolować rozwój pożądanych cech roślin (np. efektywność wykorzystania azotu, szybkie kwitnienie, odporność, płodność, wzrost i biomasę). W celu ekonomicznego i zrównoważonego zaspokojenia rosnących wymagań w zakresie produkcji roślinnej.

Naturalnie występujące, biokompatybilne białka do przestrajalnego przewodzenia protonów

Materiały przewodzące proton mają zasadnicze znaczenie dla technologii energii odnawialnej i bioelektroniki. Wiele nowoczesnych urządzeń opiera się na transporcie protonów, od ogniw paliwowych i tranzystorów po biosensory i implanty medyczne. Materiałom przewodzącym protony na bazie białek poświęcono znacznie mniej uwagi niż innym materiałom wytworzonym przez człowieka. Mimo że oferują one większy potencjał w zakresie modułowości, przestrajalności i przetwarzalności.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine stworzyli biokompatybilny i wszechstronny materiał przewodzący proton z naturalnie występujących białek strukturalnych występujących u głowonogów. Te przewodzące protonowo białka głowonogów („PCCP”) są odporne na ciepło i kwasowość. Mogą być modyfikowane przy użyciu technik inżynierii genetycznej w celu dostrojenia wynikowych właściwości elektrycznych do różnych specyfikacji. Umożliwiając łatwą integrację z systemami przepływu protonów.