Biologia sintética está prestes a interromper sua indústria

It may be a phenomenon without a commonly accepted appellation, but synthetic biology—or syn-bio, as we call it—has become a disruptive force that is birthing the Bio Economy. Biology is usually defined as the study of living things and life itself, but syn-bio has turned the science into the manufacturing paradigm of the future. Microorganisms can, in theory, make many of the things that industrial processes currently manufacture, so syn-bio—the design and engineering of biological systems to create and improve processes and products—offers new ways of producing almost everything that human beings consume, from flavors and fabrics to foods and fuels.

Supply might no longer be constrained by the availability of raw materials. Companies can engineer and manufacture an infinite quantity of things, cell by cell, from scratch. Half a gram of cattle muscle could create as much as 4.4 billion pounds of beef—more than Mexico consumes in a year. Already, syn-bio has spawned an industry of science-based start-ups that are trying to alter conventional products and processes, transforming the material world as we know it.

Assim como a organização de zeros e outros permitiu que todos os tipos de informações fossem comunicados digitalmente, alterando o código genético - A, T, C e G, que representam adenina, timina, citosina e guanina, os quatro nucleotídeos que formam sistemas biológicos de DNA. Novas tecnologias de edição de genoma, como o CRISPR-CAS9, estão ajudando a criação de novas combinações de DNA, reduzindo os custos da edição de DNA e aumentando o comprimento dos fios de DNA que podem ser replicados sem erro. A viabilidade da biologia livre de células melhorou, permitindo que as empresas usem processos celulares metabólicos que não precisam de células vivas e tornar os testes mais rapidamente usando biossensores. Como dados e computação em nuvem, a edição de DNA e DNA estão alimentando a criação de uma nova fronteira de produção.

By the end of the decade, syn-bio could be used extensively in Indústrias de manufatura Isso representa mais de um terço da produção global - uma sombra abaixo de US $ 30 trilhões em termos de valor - de acordo com um novo estudo da BHI. Para ter certeza, devido à coleta de dados em tempo real, Automation, e ai , algumas indústrias estão mais próximas de sentir o impacto do que outras. De acordo com nossas projeções, os titulares de setores como saúde e beleza, dispositivos médicos e eletrônicos serão desafiados pelos rivais da Syn-Bio-como as indústrias farmacêuticas e alimentares já foram-nos próximos cinco anos. Outras indústrias, como produtos químicos, têxteis, moda e água, que muitas startups já estão direcionando, enfrentarão a concorrência baseada em custos de alternativas do Syn-Bio no meio executado, seguidas a longo prazo por setores como mineração, eletricidade e até mesmo o outuoso. usar. Serão criados novos produtos e processos que soam como o material da ficção científica, mas estão prontos para serem mainstream. Além disso, as startups da Syn-Bio estão engenhando produtos mais sustentáveis ​​que consomem menos recursos, como terra e água, e não usam combustíveis fósseis e seus derivados. Esses produtos também são mais duráveis, geram menos desperdício após o uso e são mais saudáveis ​​para os seres humanos na maioria dos casos.

Syn-bio’s frontiers will continue to expand as the world’s knowledge of biology rises, the cost of DNA writing and editing falls, and synthesizing tools become even easier to use. New products and processes will be created that sound like the stuff of science fiction but are ripe to go mainstream. Moreover, the syn-bio start-ups are engineering more sustainable products that consume fewer resources, such as land and water, and don’t use fossil fuels and their derivatives. These products are also more durable, generate less waste after use, and are healthier for humans in most cases.

CEOs em todo o mundo devem vir a entender essa tecnologia fascinante imediatamente, especialmente porque os negócios e a ciência tendem a operar em esferas separadas até agora. Se as empresas esperam sobreviver, elas devem aprender a usar o Syn-Bio para obter uma vantagem competitiva, que é, em todos os sentidos do termo, sustentável. disciplina. Enquanto os engenheiros de hardware projetam novos circuitos e microprocessadores integrados com base nas propriedades físicas dos materiais, os biólogos podem criar sistemas Syn-Bio que ajudarão as empresas a alterar produtos, processos ou ambos. Assim, os pioneiros da Syn-Bio estão usando a ciência para atingir cinco objetivos diferentes:

Syn-Bio Is Transforming Products and Processes 

Just as synthesis changed chemistry and chip design altered computing in the last century, biologists have built on advances in molecular, cell, and systems biology to transform the science from an analytical to an engineering discipline. While hardware engineers design new integrated circuits and microprocessors based on materials’ physical properties, biologists can build syn-bio systems that will help companies change products, processes, or both. Thus, the syn-bio pioneers are using the science to attain five different objectives:

1. Crie produtos inovadores e processos novos. Os desafiantes podem vendê-los a preços premium, porque os produtos são mais sustentáveis ​​e são personalizados para cada aplicativo ou usuário. foi fundada há sete anos em Berkeley, CA, pela cardiologista Uma Valeti, oncologista Nicholas Genovese e Will Clem, que tem um doutorado em engenharia biomédica, para criar carnes syn-bio em escala. A start-up leva células-tronco de várias raças de frango e ovos, alimenta-lhes nutrientes como aminoácidos, carboidratos, minerais, gorduras e vitaminas e acelera o crescimento das células banquenas usando um biorreator. Isso não apenas mitiga o impacto ambiental da criação de animais para o consumo humano, mas também limita o risco de contaminação devido às condições estéreis nas quais as proteínas são fabricadas. Os alimentos de cabeça positiva cresceram frango, carne bovina e pato em seus biorreatores, e como o Eat Just, que lançou frango cultura celular nos restaurantes de Cingapura no ano passado, planeja vender carne de frango cultivada em laboratório em todos os EUA em um futuro próximo. A empresa Syn-Bio, com sede em Boston, Ginkgo Bioworks, usa engenharia genética para produzir bactérias que podem ser usadas em processos industriais. Ginkgo está reprogramando a ciência para interromper uma série de indústrias e criou um modelo de negócios conglomerado que chama de “Berkshire (Hathaway) para biotecnologia”. Many syn-bio start-ups have designed all-new products that require fewer natural resources to make than those they replace. The challengers can sell them at premium prices because the products are more sustainable and are customized to each application or user.

Consider, for example, the synthetic meat industry, where more than 70 start-ups with idealistic names—such as Impossible Foods, Beyond Meat, Innocent Meat, New Age Meats, Change Foods, Eat Just, Good Chicken, and Upside Foods—are growing like wildfire.

Upside Foods was founded seven years ago in Berkeley, CA, by cardiologist Uma Valeti, oncologist Nicholas Genovese and Will Clem, who has a doctorate in biomedical engineering, to create syn-bio meats at scale. The start-up takes stem cells from several breeds of chicken and eggs, feeds them nutrients such as amino acids, carbohydrates, minerals, fats, and vitamins, and speeds the growth of the feasting cells using a bioreactor. This not only mitigates the environmental impact of raising animals for human consumption, but also limits the risk of contamination because of the sterile conditions in which the proteins are manufactured. Upside Foods has grown chicken, beef, and duck in its bioreactors, and like Eat Just, which launched cell-culture chicken in Singapore’s restaurants last year, it plans to sell lab-grown chicken meat all over the US in the near future.

Syn-bio’s innovations extend to processes as well. Boston-based syn-bio company Ginkgo Bioworks uses genetic engineering to produce bacteria that can be used in industrial processes. Ginkgo is reprogramming the science to disrupt a range of industries and has created a conglomerate business model that it calls “Berkshire (Hathaway) for biotech.”

Cinco anos atrás, a Ginkgo Bioworks estabeleceu uma joint venture com a Bayer, o fabricante alemão de produtos farmacêuticos, produtos de saúde, produtos químicos agrícolas e sementes. Chamado Joyn Bio, o novo empreendimento sintetiza micróbios que permitirão culturas como milho, trigo e arroz usarem fertilizantes com mais eficiência, reduzindo assim a quantidade necessária. As plantas requerem nitrogênio para crescimento e fotossíntese, mas não podem acessá -lo diretamente do ar. Eles devem confiar no solo, bem como bactérias e archaea em suas raízes, que convertem nitrogênio molecular do ar em amônia. A Joyn Bio espera mudar isso por engenharia produtos microbianos que, quando introduzidos no solo, ajudam as plantas de milho, trigo e arroz a converter nitrogênio em formas que podem usar. E como bônus, os micróbios também protegerão as plantas de pragas e doenças.

However, many cereal crops can’t access enough bacteria, so farmers must use nitrogenous fertilizers to ensure that plants grow. Joyn Bio is hoping to change that by engineering microbial products that, when introduced to the soil, will help corn, wheat, and rice plants convert nitrogen into forms they can use. And as a bonus, the microbes will also protect plants from pests and diseases.

2. Melhorar o desempenho de produtos ou processos existentes. Os processos baseados em células também geralmente aumentam a produção, pois os cientistas podem projetar as cepas de microorganismos que fornecerão os rendimentos máximos. Many syn-bio firms are redesigning traditional processes, developing new ways of manufacturing familiar things that are more environmentally sustainable than existing ones, which tend to rely on petrochemicals, their derivatives, or other ecologically hazardous chemicals. Cell-based processes also often boost output, since scientists can engineer those strains of microorganisms that will deliver the maximum yields.

O Indústria de mineração, Por exemplo, usa a lixiviação de heap no local para extrair metais como cobre, urânio e ouro de minérios extraídos. O processo usa produtos químicos para extrair metais de depósitos subterrâneos, desencadeando uma série de reações para absorver minerais específicos e, posteriormente, separá-los de outros materiais. O problema é que as empresas de mineração tradicionalmente usaram cianeto alcalino para tratar minérios esmagados, o que gera toxinas. Também produz muito desperdício. Extrair o ouro necessário para formar um anel de casamento, por exemplo, pode gerar até 20 toneladas de desperdício. Esses processos Syn-Bio extraem metais como cobre, zinco, chumbo, arsênico, antimônio, níquel, molibdênio, ouro, prata e cobalto de sulfeto concentrados usando materiais como água, ar e, crucialmente, microorganismos vivos. Os microorganismos catalisam a oxidação de sulfetos de ferro para criar sulfato férrico e ácido sulfúrico. O primeiro oxida o sulfeto de cobre e o cobre é lixiviado pelo ácido sulfúrico que se forma. Pode ser usado para substituir parte do esmagamento e retificação, reduzindo custos e consumo de energia na mineração. Mesmo níveis baixos de concentração de minério não representam um desafio; As bactérias geralmente ignoram os resíduos que envolvem o metal e garantem rendimentos de extração de mais de 90%. O processo é mais amigável do que a extração tradicional de minério, causando menos danos à paisagem. Além disso, as bactérias se reproduzem dentro das minas, para que possam ser recicladas com salvaguardas para evitar derramamentos. Isso cria uma economia circular, onde subprodutos ou resíduos são usados ​​como insumos para o mesmo ou outros processos. Das 18.000 toneladas métricas de sabor de baunilha produzidas anualmente, menos de 1% agora vem de feijão.

Instead, several mining companies—such as Rio Tinto in Spain, BHP Cerro Colorado in Chile, and Cananea in Mexico—are experimenting with bio-leaching and bio-oxidization. These syn-bio processes extract metals such as copper, zinc, lead, arsenic, antimony, nickel, molybdenum, gold, silver, and cobalt from sulfide concentrates using materials such as water, air, and, crucially, living microorganisms. The microorganisms catalyze the oxidation of iron sulfides to create ferric sulfate and sulfuric acid. The former oxidizes the copper sulfide, and the copper is leached by the sulfuric acid that forms.

Bio-leaching is cheaper than traditional processes because fewer engineers are needed to manage the process. It can be used to replace some of the crushing and grinding, reducing costs and energy consumption in mining. Even low ore-concentration levels don’t pose a challenge; bacteria usually ignore the waste that surrounds the metal, and ensure extraction yields of more than 90%. The process is more environmentally friendly than traditional ore extraction, causing less landscape damage. Moreover, the bacteria breed inside mines, so they can be recycled with safeguards in place to prevent spillage. That creates a circular economy, where byproducts or waste are used as inputs for the same or other processes.

3. Reduza os custos ou aumente a disponibilidade de matérias-primas escassas. O processo não precisa de matérias-primas especiais e, quando fabricado em escala, algumas matérias-primas à base de plantas também são mais baratas. Considere, por exemplo, baunilha, um agente popular de aroma desde o início dos anos 1900. Apesar do crescente apetite por todas as coisas naturais, a produção global de baunilha natural é pequena e caindo. It has become commonplace for syn-bio companies to manufacture products by fermenting plant-based feedstock—just as brewers and pharmaceutical manufacturers use vats of yeast to make beer and insulin. The process doesn’t need special raw materials, and when manufactured at scale, some plant-based feedstocks are also less expensive.

As syn-bio companies go up the learning curve, they have started making simple raw materials such as squalene, a chemical found in aquatic wildlife that is used in pharmaceuticals, as well as complex ones such as leather and vanillin. Consider, for instance, vanilla, a popular flavoring agent since the early 1900s. Despite the rising appetite for all things natural, the global output of natural vanilla is small and falling. Menos O que 1% do sabor de baunilha agora vem de feijão. Dos 18.000 tons métricos de aromatizante de baunilha produzidos anualmente, os fabricantes sintetizam quimicamente cerca de 85% a partir de guaiacol, um composto orgânico derivado da planta de Guaiacum e 15% de lignina. Uma opção que a Syn-Bio foi pioneira é a vanilina natural feita de fontes que não sejam feijões de baunilha. Por exemplo, desde 2011, a Evolva, uma empresa suíça de biotecnologia, trabalha com o líder global, sabores e fragrâncias internacionais (IFF), para desenvolver Vanilin em laboratórios. A Evolva investiu no desenvolvimento dos ingredientes, otimizando seu uso e reduzindo o tempo necessário para escalar a produção, enquanto o IFF ajudará a escalar a produção e aumentar a comercialização. Fazer couro é um processo caro e muito trabalhoso, e possui grandes desvantagens ambientais. O Meadow Meadow, com sede em Nova Jersey, começou a desenvolver uma tensão de fermento que os engenheiros de produzir colágeno, a proteína que dá ao couro sua força e alongamento. Uma vez purificado, pressionado em lençóis e bronzeado, o colágeno cultivado pelo IVA se torna quase como couro. O processo não depende de gado morto ou de qualquer um dos petroquímicos necessários para produzir couro ou couro vegano.

Food companies that want to be all-natural are facing rising costs, complicated labeling laws, and consumer challenges about what is, and isn’t, natural vanilla. One option that syn-bio has pioneered is natural vanillin made from sources other than vanilla beans. For example, since 2011, Evolva, a Swiss biotech company, has been working with the global leader, International Flavors and Fragrances (IFF), to develop vanillin in labs. Evolva has invested in developing the ingredients, optimizing their use, and shortening the time needed to scale production while IFF will help scale output and boost commercialization.

At the other end of the spectrum, several syn-bio firms are trying to bio-fabricate luxury materials such as leather. Making leather is a costly and labor-intensive process, and it has major environmental downsides. New Jersey-based Modern Meadow has started growing a strain of yeast that it engineers to produce collagen, the protein that gives leather its strength and stretch. Once it is purified, pressed into sheets, and tanned, the vat-grown collagen becomes almost like leather. The process does not depend on dead cattle or any of the petrochemicals required to make pleather or vegan leather.

Como leveduras não produzem colágeno que podem se montar automaticamente em folhas de couro, o Meadow moderno adicionou dois genes para gerar enzimas que ajudam a modificar a estrutura molecular do colágeno. Usando outro processo, ele forma o material em folhas de couro cru. A empresa pode bronzear os couros como focavam, e também pode modificar o colágeno para tornar o couro projetado mais resistente a lágrimas, impossivelmente fino ou otimizá-lo para requisitos específicos. Mais conhecida como estrutura radicular dos cogumelos, o micélio exibe a força e a durabilidade do couro quando os esporos cultivados em laboratório são usados ​​para unir o material em uma membrana flexível. Recentemente, o Mycoworks começou uma colaboração com a Hermès para desenvolver um couro biológico com uma tecnologia patenteada que aprimora o micélio à medida que cresce. Chamada Sylvania, o couro bio será bronzeado, terminado e moldado pelos curtidores e artesãos Hermès-uma rara distinção. A primeira bolsa Hermès feita de couro da Sylvania será a nova viagem de Victoria, a ser lançada a um preço de cerca de US $ 4.000 em 2022.

Similarly, California-based start-up MycoWorks is developing leather from mycelium. Better known as the root structure of mushrooms, mycelium displays the strength and durability of leather when lab-grown spores are used to bond the material into a pliable membrane. MycoWorks recently began a collaboration with Hermès to develop bio-leather with a patented technology that enhances mycelium as it grows. Called Sylvania, the bio-leather will be tanned, finished, and shaped by Hermès tanners and craftspeople—a rare distinction. The first Hermès bag made from Sylvania leather will be the all-new Victoria Voyage, to be launched at a price of around $4,000 in 2022.

4. Crie produtos ou matérias -primas mais ecológicas. Se a biologia sintética realizar parcialmente sua promessa original de tornar os negócios mais sustentáveis, terá mais do que justificado sua existência. Sustentabilidade Geralmente, os resultados quando as empresas desenvolvem novos produtos e processos, mas muitos também substituem os produtos ambientalmente perigosos. Oito décadas atrás, a DuPont criou e comercializou o Nylon 6, que as empresas agora usam para fazer tapetes de nylon, roupas, interiores de carros, plásticos de engenharia e embalagens de alimentos. No ano passado, a Genomatica conseguiu desenvolver um processo de produção baseado em microorganismos que fermenta os açúcares nas plantas, em vez de petróleo, para tornar um intermediário importante para a fabricação de nylon 6. E a Aquafil da França converte o ingrediente de origem renovável em nylon 6 chips e fios de polímeros em uma de suas plantas em slovenia. Ele planeja aumentar suas capacidades de produção de bionilon em 50 vezes nos próximos 10 anos, principalmente porque a mudança para o nylon baseado em Syn-Bio reduzirá as emissões de gases de efeito estufa em até 60 milhões de toneladas a cada ano. Por exemplo, a lignina, o polímero natural encontrado nas paredes das células vegetais, pode ser reutilizado como uma fonte de carbono para alimentar o crescimento de microorganismos.

Take, for instance, San Diego-based Genomatica, which develops ecologically safer processes for making intermediate chemicals and basic chemicals. Eight decades ago, DuPont created and commercialized Nylon 6, which companies now use to make nylon carpets, clothing, car interiors, engineered plastics, and food packaging. Last year, Genomatica succeeded in developing a microorganism-based production process that ferments the sugars in plants, instead of petroleum, to make a key intermediate for the making of Nylon 6. And France’s Aquafil converts the renewably sourced ingredient into Nylon 6 polymer chips and yarns at one of its plants in Slovenia. It plans to increase its bio-nylon production capabilities by 50 times in the next 10 years, primarily because switching to syn-bio-based nylon will reduce greenhouse gas emissions by as much as 60 million tons every year.

5. Catalisar cadeias de suprimentos resilientes. Essas fontes de matéria-prima são abundantes e perenes, portanto, é provável que os processos de Syn-Bio sejam imunes aos choques que assolam as cadeias de suprimentos globais de hoje. A co-localização também isolará as empresas de flutuações nos preços das commodities, taxas de câmbio e tensões geo-políticas. Por exemplo, a lignina, o polímero natural encontrado nas paredes das células vegetais, pode ser reutilizado como uma fonte de carbono para alimentar o crescimento de microorganismos. Da mesma forma, a biossíntese da quitosana da quitina-o segundo biopolímero natural mais abundante, encontrado no exoesqueleto dos artrópodes-pode ser usado para fabricar vários produtos, desde substitutos plásticos a conservantes de alimentos. As matérias-primas microbianas para plantas de fermentação da Syn-Bio podem ser usadas para criar uma variedade de produtos, para que as empresas possam diversificar depois de escolher um micróbio. Eles podem usar suas plataformas de tecnologia modular para projetar o micróbio e mudar de criar um produto para outro. Inscreva -se Syn-bio manufacturing facilities are usually co-located with feedstock sources such as agricultural and city waste, reducing costs, making them more resilient, and shrinking their carbon footprints. These raw material sources are abundant and perennial, so supplies for syn-bio processes are likely to be immune to the shocks that plague today’s global supply chains. Co-location also will insulate companies from fluctuations in commodity prices, foreign exchange rates, and geo-political tensions.

Some organic wastes may acquire value as syn-bio develops novel methods to use them. For instance, lignin, the natural polymer found in plant cell walls, can be reused as a carbon source to fuel the growth of microorganisms. Similarly, the biosynthesis of chitosan from chitin—the second most abundant natural biopolymer, which is found in the exoskeleton of arthropods—can be used to make several products, from plastic substitutes to food preservatives.

Syn-bio processes will help tackle demand fluctuations better. The microbial feedstocks for syn-bio fermentation plants can be used to make a variety of products, so companies can diversify once they’ve chosen a microbe. They can use their modular technology platforms to engineer the microbe and switch from making one product to another.

syn-bio pode atrapalhar sua indústria em breve

Syn-bio afetará em breve muitos setores, embora o momento do impacto em cada um deles seja diferente. Nossos estudos mostram que algumas indústrias, como saúde e beleza, dispositivos médicos e eletrônicos, serão afetados imediatamente, enquanto outros setores, incluindo produtos químicos, têxteis e gerenciamento de água, enfrentarão a concorrência baseada em custos nos próximos 10 anos, seguidos por indústrias como mineração, eletricidade e construção, como mencionamos anteriormente. (Veja o Anexo 1.)

Dois fatores determinam quando o syn-bio interromperá uma indústria:

1. Hora de maturidade. Muito dependerá do tempo que as tecnologias Syn-Bio levam para evoluir de teorias científicas para tecnologias comerciais. Não é fácil prever quanto tempo isso acontecerá. Essas tecnologias complexas não escalam de maneira linear porque, além dos desafios conhecidos, fatores desconhecidos surgem em cada estágio do desenvolvimento tecnológico. Assim como toda tecnologia tem um ponto de inflexão quando deixa de ser um experimento e está pronto para a comercialização, as tecnologias Syn-Bio devem atravessar dois marcos em sua jornada ao mercado. Embora eles possam ser promissores na fase de laboratório, mais de 90% das tecnologias da Syn-Bio falham porque não podem ser escalonadas. Escala significa coisas diferentes para diferentes tipos de células. A manufatura de levedura em biorreatores requer uma escala de pelo menos 600 quilolitros por ano, enquanto faz com que as células dos animais atinjam a escala em apenas 45 quilolitros. De qualquer maneira, a escala leva tempo e esforço. A prática da indústria é executar 1.000 horas de execução para qualquer alteração em um processo. Mudar para uma instalação econômica geralmente envolve aumentar sua proximidade com as fontes de matéria-prima.

• Scale. This milestone is crossed when scientists can prove that the technology works first in a lab and then at industrial scale in a bioreactor. Although they could be promising at the lab stage, more than 90% of syn-bio technologies fail because they can’t be scaled. Scale means different things for different cell types. Manufacturing yeast in bioreactors requires a scale of at least 600 kiloliters a year, while making animals cells attains scale at just 45 kiloliters. Either way, scaling takes time and effort. The industry practice is to execute 1,000 run-time hours for any change to a process.
• Cost. The organization hits this mark when it can lower the cost of making the product or using the process to a level cheaper than its traditional counterparts. Moving to a cost-effective facility usually involves increasing its proximity to feedstock sources.

2. Difusão. Esse fator, que captura como uma tecnologia ganha aceitação, é uma função dos regulamentos governamentais, concentração da indústria, investimentos, natureza do produto, a extensão de sua escassez e assim por diante. A taxa de difusão também depende da maturidade do ecossistema de apoio, especialmente da disponibilidade de talento científico, parceiros acadêmicos e cadeias de suprimentos. Eles podem ser incontroversos - como o uso de couro cultivado tem sido - ou controverso, como nos alimentos geneticamente modificados. (As técnicas da Syn-Bio envolvem células de programação para produzir produtos químicos ou produtos exclusivos, enquanto a engenharia genética se concentra na modificação de partes específicas de organismos existentes.) De que maneira os ventos da aceitação social sopram em torno da indústria Syn-Bio no futuro, é impossível de prever nesse estágio, por isso que os primeiros adotantes devem moldar a Narrativa e os regulamentos, que são de maneira como a de 194. Indústria - Microbes ou células inteiras, por exemplo - e margens da indústria, algumas empresas provavelmente sentirão as mudanças mais cedo que outras. Por exemplo, dada a sua escala, escassez e margens, os produtos químicos usados ​​para fabricar produtos de beleza têm maior probabilidade de enfrentar a concorrência de produtos Syn-Bio do que os necessários para fabricar têxteis. Na próxima seção, aplicaremos a estrutura que acabamos de descrever para prever quando uma amostra de indústrias provavelmente será afetada pela Syn-Bio. Um, ou mais, de três tipos de precipitação, é esperado:

Implicit in our discussion of the impact of syn-bio technologies is their acceptance by society and consumers, which we don’t address in this article. They could be uncontroversial—as the use of cultivated leather has been—or controversial, as with genetically modified foods. (Syn-bio techniques involve programming cells to produce unique chemicals or products, while genetic engineering focuses on modifying specific parts of existing organisms.) Which way the winds of social acceptance will blow around the syn-bio industry in the future is impossible to predict at this stage, which is why the early adopters must shape the narrative and regulations so they’re conducive to the syn-bio industry.

Given the kind of technology that will disrupt an industry—microbes or whole cell, for instance—and industry margins, some companies are likely to feel the changes sooner than others. For instance, given their scale, scarcity, and margins, the chemicals used to manufacture beauty products are more likely to face competition from syn-bio products than those needed to make textiles. In the next section, we will apply the framework we have just described to forecast when a sample of industries likely will be affected by syn-bio.

Syn-Bio Threatens Three Disruptions Today 

Apart from the differences in the timing of their impact, syn-bio technologies are likely to have diverse impacts on industries and incumbents. One, or more, of three types of fallout are expected:

• Os incumbentes da indústria podem enfrentar a concorrência de novos produtos projetados da Syn-Bio, que reduzirão e, com o tempo, eliminarão, a demanda por produtos existentes, oferecendo melhores recursos e uma pegada ambiental menor. Para novos tipos de matérias-primas que as empresas da Syn-Bio engenheiro para produzir produtos existentes. Em alguns setores, as empresas em breve terão que competir direta ou indiretamente com substitutos de engenharia da Syn-Bio. Eles podem fazer isso desenvolvendo suas próprias ofertas da Syn-Bio, usando suas ofertas tradicionais para enfrentar startups Syn-Bio ou focando nos nichos mais lucrativos para seus produtos existentes. Essas indústrias, nossos estudos sugerem, variam de empresas industriais (B2B) a consumidores (B2C).
• Incumbents could shift to the new, more sustainable processes that syn-bio firms develop.
• Incumbents could switch to new kinds of raw materials that syn-bio firms engineer to produce existing products.

Let’s consider each of these consequences by turn, focusing on the industries that are most likely to be affected in the short run.

Product Substitution. In some industries, companies will soon have to compete directly or indirectly with syn-bio engineered substitutes. They can do so by developing their own syn-bio offerings, using their traditional offerings to go head-to-head with syn-bio start-ups, or focusing on the most lucrative niches for their existing products. These industries, our studies suggest, range from industrial (B2B) to consumer (B2C) businesses.

No extremo industrial do espectro, várias empresas da Syn-Bio começaram a produzir produtos químicos a granel e produtos químicos especializados por micróbios de engenharia e escalando-os através da fermentação. Considere, por exemplo, BDO (1,4-butanodiol), um produto químico intermediário que é um álcool primário e um dos quatro isômeros estáveis ​​de butanodiol. É usado como solvente na fabricação de plásticos, fibras elásticas, como spandex e poliuretanos. Os principais fabricantes da BDO - BASF, Dairen Chemical, Sinopec, Xinjiang Tianye e Xinjiang Guotai - produzem mais de 1 milhão de toneladas por ano, que são usadas para ganhar 2,5 milhões de toneladas de polímeros anualmente. Em 2020, o BDO era uma indústria de US $ 5 bilhões, com cerca de 30 fábricas usando matérias-primas de hidrocarboneto para produzir BDO.

Várias empresas da Syn-Bio têm tentado produzir bio-bdo de fontes sustentáveis ​​em uma base comercial. A Genomatica, por exemplo, usa matérias -primas renováveis, como cana -de -açúcar, beterraba de açúcar e outras fontes de carboidratos, como milho, em vez de petroquímicos para fazê -lo. Ele usa a fermentação para fazer bio-bdo, que é quimicamente idêntico ao seu rival convencional, mas reduz as emissões de gases de efeito estufa e cria Cadeias de suprimentos sustentáveis. Além de dimensionar a produção de uma planta de primeira geração em escala industrial, a empresa está construindo uma segunda nos EUA. Previsto para conclusão em 2024, a nova instalação produzirá mais de 65.000 toneladas por ano, triplicando a capacidade de fabricação do Bio-BDO do mundo. Com capacidade, emitirá 93% menos emissões de estufa do que uma planta convencional de BDO. Aliás, se todos os fabricantes da BDO do mundo mudarem para fazer bio-BDO, ele interromperá a emissão de mais de 15 milhões de toneladas de dióxido de carbono por ano. Isso é quase igual às emissões anuais de carbono de um milhão de americanos, 2 milhões de chineses ou 3 milhões de europeus. Utilizado na produção de luvas cirúrgicas, bolas de golfe, adesivos e pneus, a borracha sintética geralmente é feita de materiais derivados de petróleo. Para mudar isso usando tecnologias Syn-Bio, empresas como a Goodyear se uniram à Dupont Industrial Biosciences em 2007, a Glyicosbio trabalha com a célula Bio X da Malásia desde 2010, e a Bridgestone anunciou um joint venture com o Japão Ajinomoto em 2012. || 3823-1. 3-butadieno), um produto químico-chave na produção de borracha sintética, usando um processo baseado em fermentação. Chamado bio-isoprene ou bioprene, o novo monômero Syn-bio pode ser feito de micróbios projetados a partir de matérias-primas de carboidratos renováveis. Mudar para ele abalará o mercado de isopreno de US $ 3 bilhões e reduzirá a dependência da indústria de borracha em matérias-primas baseadas em petroquímica. As vendas de sabores e fragrâncias chegam a US $ 40 bilhões anualmente e estão crescendo 3,5% ao ano. Os principais participantes estão em parceria com empresas da Syn-Bio há mais de duas décadas, com empresas como BASF, Firhenich, Givaudan e Takasago fazendo aquisições e investimentos internos, e entrantes da Syn-Bio, como Conagen e Manus Bio, expandindo o número de moléculas disponíveis. Enquanto isso, o Ginkgo Bioworks começou a produzir uma gama de aromas em colaboração com Robertet, a fragrância e o sabor francês sediada em Grasse. Devido à pressão do consumidor, as empresas estão desesperadas para substituir a vanilina sintética por vanilina natural produzida a partir de fontes que não sejam feijões de baunilha, que são caros. Por exemplo, Solvay faz vanilina natural fermentando o ácido ferúlico, um subproduto do óleo de farelo de arroz, usando uma tensão proprietária de levedura, enquanto a Mane da Companhia de Flavor francesa usa eugenol do óleo de cravo para fazê-lo. Isso está alterando a dinâmica do mercado global de baunilha de US $ 300 milhões.

Genomatica has also licensed its biomanufacturing process technology to a joint venture between Cargill, the global seed and meat company, and HELM, a family-owned chemical marketing and distribution company, which will invest $300 million to build the new plant. Slated for completion in 2024, the new facility will produce more than 65,000 tons a year, tripling the world’s bio-BDO manufacturing capacity. At capacity, it will emit 93% less greenhouse emissions than a conventional BDO plant. Incidentally, if all the BDO manufacturers in the world switch to making bio-BDO, it will stop the emission of more than 15 million tons of carbon dioxide a year. That’s almost equal to the annual carbon emissions of a million Americans, 2 million Chinese, or 3 million Europeans.

In the rubber industry, several companies are trying to manufacture syn-bio monomers that can be used to manufacture synthetic rubber (polyisoprene), a common alternative to natural rubber. Used in the production of surgical gloves, golf balls, adhesives, and tires, synthetic rubber is usually made from petroleum-derived materials. To change that using syn-bio technologies, companies such as Goodyear teamed up with DuPont Industrial Biosciences in 2007, GlycosBio has been working with Malaysia’s Bio X Cell since 2010, and Bridgestone announced a joint venture with Japan’s Ajinomoto in 2012.

These giants are trying to cost-effectively manufacture isoprene (2-methyl-1, 3-butadiene), a key chemical in the production of synthetic rubber, using a fermentation-based process. Called bio-isoprene or Biolsoprene, the new syn-bio monomer can be made from microbes engineered from renewable carbohydrate raw materials. Switching to it will shake up the $3 billion isoprene market and reduce the rubber industry’s dependence on petrochemical-based raw materials.

Meanwhile, the popularity of bio-engineered flavors and fragrances, which lie midway on the industrial-to-consumer spectrum, are gaining ground. Sales of flavors and fragrances top $40 billion annually and are growing 3.5% a year. The majors have been partnering with syn-bio firms for more than two decades, with companies such as BASF, Firmenich, Givaudan, and Takasago making acquisitions and in-house investments, and syn-bio entrants such as Conagen and Manus Bio expanding the number of available molecules. Meanwhile, Ginkgo Bioworks has started producing a range of aromas in collaboration with Robertet, the French fragrance and flavor house based in Grasse.

Many food companies use synthetic vanillin—the main flavor component of cured vanilla beans—which can be synthesized from guaiacol and lignin, as we described earlier. Because of consumer pressure, companies are desperate to replace synthetic vanillin with natural vanillin produced from sources other than vanilla beans, which are expensive. For example, Solvay makes natural vanillin by fermenting ferulic acid, a by-product of rice bran oil, using a proprietary strain of yeast, while the French flavor company Mane uses eugenol from clove oil to do so. This is altering the dynamics of the $300 million global vanilla market.

na Fertilizante Indústria, startups como Joyn Bio e Pivot Bio estão tentando criar microorganismos que ajudarão as culturas de cereais a melhorar sua ingestão de nitrogênio a partir do solo, como descrevemos anteriormente. Ao oferecer soluções mais baratas e reduzir a quantidade de fertilizantes nitrogenados que os agricultores precisarão usar, eles podem atrapalhar a indústria de fertilizantes nitrogenados de US $ 250 bilhões. Este último contribui com 3% das emissões de estufa do mundo, que seriam reduzidas pela metade se as start-ups da Syn-Bio tivessem sucesso. Os alimentos impossíveis produzem seus hambúrgueres de carne bovina a partir de proteínas de trigo e batata, óleos de girassol e coco, metilcelulose, amido de alimentos e-crucialmente-uma molécula de heme de heme não vendedora de laboratório. Ele descobriu que o heme, que dá à carne moída sua cor marrom-avermelhada, faz o hambúrguer sangrar, chiar e provar a carne de animal. De acordo com uma análise ambiental do ciclo de vida de seu hambúrguer produzido pelo Auditor Independent Quantis, tornar um empado impossível requer 96% menos terra e 87% menos água que um hambúrguer de carne bovina, e emite 89% menos carbono na atmosfera. (Consulte o Anexo 2.)

At the consumer end of business, the meat industry is facing competition from companies such as Impossible Foods and Beyond Meat. Impossible Foods makes its beef burger patties from wheat and potato protein, sunflower and coconut oils, methylcellulose, food starch, and—crucially—a lab-engineered non-meat-based heme molecule. It has figured out that heme, which gives ground beef its reddish-brown color, makes the patty bleed, sizzle, and taste like animal meat. According to an environmental lifecycle analysis of its burger produced by independent auditor Quantis, making one Impossible patty requires 96% less land and 87% less water than one beef patty, and it emits 89% less carbon into the atmosphere. (See Exhibit 2.)

As empresas de carne da Syn-Bio estão usando novas técnicas para melhorar o rendimento, aumentar a escalabilidade e reduzir os custos. Os produtos Impossible Foods são usados ​​por cadeias de fast-food, como hambúrguer Umami, hambúrguer nu, castelo branco e rei do hambúrguer, além de supermercados como Walmart e Kroger, enquanto seu arqui-rival, além de carne, vende seus hambúrgueres sintéticos em Hurgers de Carl's Jr., Subway, Denny's, Tgi Fridays, Awarde, Del, Deny's, Tgi Fridays, Awarde, Del, Deny's, Tgi Fridays, Awarde, Del, Deny's, Tgi Fridays, Awarde, Del, Deny's, Tgi Fridays, Awarde, Del, Deny's, Tgi Fridays, Awarde, Dels. Se as tendências atuais continuarem, o consumo convencional de carne nos EUA poderá cair 33% até 2040.

Melhorias do processo. Eles também podem usar os processos baseados em Syn-bio para melhorar os rendimentos e, ao mesmo tempo, reduzir seu impacto ambiental. Por exemplo, a indústria têxtil está no meio da mudança devido a corantes bio-engenheiros e produtos químicos de processamento. A produção de uma tonelada de corantes requer o uso de 1.000 metros cúbicos de água, 100 toneladas de compostos de petróleo pesados, 10 toneladas de produtos químicos tóxicos e corrosivos e pelo menos 200 MJ/tonelada de energia. É por isso que as startups como o PILI estão tentando eliminar o uso de petroquímicos, como benzeno e formaldeído, além de reduzir a quantidade de água, energia e produtos químicos necessários para fazer corantes. Cria microorganismos com DNA que codifica uma enzima ou uma série de enzimas que podem converter carbono em um corante ou pigmento, que é então extraído e purificado. Uma variedade de cores pode ser produzida trocando enzimas e otimizando o processo de engenharia metabólica. Como os fabricantes de têxteis podem usar corantes Syn-Bio sem alterar seus sistemas de produção, os corantes orgânicos estão prontos para assumir o mercado de US $ 33 bilhões nos próximos cinco anos. Eles devem agir imediatamente com base nos resultados que podem prever. In many industries, syn-bio processes could substitute for today’s processes, forcing the incumbents to develop better inputs or to improve them by switching to syn-bio-based sourcing. They also could use the syn-bio-based processes to improve yields and, at the same time, reduce their environmental impact.

Syn-bio technologies likely will affect different sections of the value chain differently. For instance, the textile industry is in the throes of change because of bio-engineered dyes and processing chemicals. The production of one ton of dyestuffs requires the use of 1,000 cubic meters of water, 100 tons of heavy petroleum compounds, 10 tons of toxic and corrosive chemicals, and at least 200 MJ/ton of energy. That’s why start-ups such as PILI are trying to eliminate the use of petrochemicals, such as benzene and formaldehyde, as well as reducing the amount of water, energy, and chemicals needed to make dyes.

PILI uses enzymes to convert carbon from renewable sources into molecules that can be used to produce textile dyes, reducing waste and byproducts. It creates microorganisms with DNA encoding for an enzyme or a series of enzymes that can convert carbon into a dye or a pigment, which is then extracted and purified. A variety of colors can be produced by swapping enzymes and optimizing the metabolic engineering process. Since textile makers can use syn-bio dyes without changing their production systems, organic dyes are poised to take over the $33 billion market in the next five years.

novas entradas. Em alguns setores, a Syn-Bio mudará apenas as matérias-primas que as empresas usam sem afetar os processos. Os titulares podem reduzir seus custos ou melhorar a proposta do consumidor usando entradas Syn-bio. Por exemplo, muitos aspectos do interior de um automóvel podem ser substituídos por alternativas Syn-Bio, como sensores biológicos, syn-bio plásticos e estofos de couro à base de micélio. No entanto, é improvável que esses materiais mudem a maneira como as empresas fabricam automóveis nas fábricas.

Business Must Prepare for Syn-Bio Now

As inúmeras possibilidades que a Syn-Bio oferece aos negócios hoje são comparadas apenas pelos desafios multidimensionais que a tecnologia apresenta. Assim como as tecnologias digitais, a Syn-Bio Technologies em breve forçará as empresas a repensar seus modelos de negócios. Muitos terão que fazer grandes investimentos em P&D da Syn-Bio, cujos pagamentos são incertos e acumularão a longo prazo, mesmo quando as empresas descobrem como forjar parcerias complexas e joint ventures com start-ups. Como no caso da IA, o uso de tecnologias Syn-Bio forçará os negócios a lidar com sociedades que se sentem desconfortáveis ​​com a idéia de reengenharia a vida de qualquer forma. Eles devem agir imediatamente com base nos resultados que podem prever, alterando o quão próximo eles monitoram as tecnologias de acordo com o impacto projetado em seus setores. Dada a velocidade crescente na qual as tecnologias Syn-Bio estão mudando, bem como a maneira como a indústria está amadurecendo, alguns setores precisarão reagir e responder mais cedo que outros. Os CEOs de todos os setores fariam bem em dar os seguintes primeiros passos imediatamente:

Companies should approach syn-bio as they would any other disruptive technology, focusing on forecasting its immediate development and long-term evolution. They must act immediately based on the outcomes they can predict, altering how closely they monitor technologies according to the projected impact on their industries. Given the growing speed at which syn-bio technologies are changing, as well as the way the industry is maturing, some sectors will need to react and respond sooner than others. CEOs in every industry would do well to take the following first steps right away:

• Familiarize -se com a ciência e a tecnologia. Como o Syn-Bio é diferente de outras tecnologias, os negócios enfrentarão uma curva de aprendizado acentuada. Para criar estratégias com sucesso e identificar tecnologias vencedoras e startups promissoras, as empresas devem encontrar tempo para aprender. Os pioneiros, descobrimos que estão organizando passeios de estudo, convidando palestrantes convidados e organizando dias de aprendizado da Syn-Bio para suas equipes de alta gerência, estratégia e P&D. Usando o conhecimento e o entendimento compartilhados adquiridos entre as equipes, os negócios devem realizar workshops para explorar a arte do possível, identificar as tecnologias mais promissoras e escolher algumas para explorar em profundidade. Para validar os conceitos mais promissores, os executivos devem buscar feedback crítico de partes interessadas e cientistas. Eles podem validar hipóteses importantes por meio de sprints iterativos e classificar oportunidades pelas recompensas que prometem, bem como os possíveis riscos. Fazer isso permitirá que os executivos identifiquem vitórias rápidas e estabeleçam testes e experimentos. Por exemplo, a empresa sueca de móveis IKEA, bem como a fabricante de computador dos EUA, Dell, estão tentando substituir o poliestireno e o isopor pela embalagem de micélio baseada em vegetais da Ecovative, que se decompõe dentro de um mês após a compostagem. Para todas as oportunidades que identificam, as empresas devem explorar as startups e gigantes que estão tentando desenvolver as tecnologias, produtos e processos para realizá-los. É melhor prestar atenção às start-ups que escalaram tecnologias além do laboratório-um indicador de sua capacidade de sobreviver. As empresas devem identificar todos os possíveis desafios tecnomerberes antes de escolher os caminhos a seguir. Por exemplo, diferentemente dos outros fabricantes de vacinas covid-19, a Moderna usa um revestimento de nanopartículas lipídicas em sua vacina. Impede a degradação do mRNA em temperaturas tão altas quanto as de um freezer regular, eliminando a necessidade de condições ultra-geladas para transportar suas vacinas. Eles devem fazer parceria com startups e incubadoras de universidades para que possam aprender rapidamente. Como dissemos anteriormente, a gigante alemã da gigante da Bayer criou uma joint venture com o Ginkgo Bioworks, com sede em Boston, Joyn Bio, que está usando o Syn-Bio para combater doenças vegetais e melhorar a nutrição. O investimento da Bayer veio do seu LifeSciences Center, a unidade de inovação da empresa que procura tecnologias inovadoras que complementam as ofertas da Bayer. Juntou-se à Versant Ventures para lançar a empresa de terapêutica de células-tronco Bluerock Therapeutics e se uniu à CRISPR Therapeutics para formar terapêutica casebia de joint venture, que usa a tecnologia de edição de genes para desenvolver tratamentos para distúrbios sanguíneos, cegueira e doenças cardíacas congênitas.
• Test promising opportunities. Using the shared knowledge and understanding gained across teams, business must hold workshops to explore the art of the possible, identify the most promising technologies, and pick a few to explore in depth. To validate the most promising concepts, executives must seek critical feedback from stakeholders and scientists. They can validate key hypotheses through iterative sprints and rank opportunities by the rewards they promise as well as the possible risks. Doing so will allow executives to identify quick wins and set up trials and experiments. For instance, the Swedish furniture company IKEA, as well as the US computer-manufacturer Dell, are trying to replace polystyrene and Styrofoam with Ecovative Design’s plant-based mycelium packaging, which decomposes within a month of composting.
• Scout for successful pioneers. For every opportunity they identify, companies must scout for the start-ups and giants that are trying to develop the technologies, products, and processes to realize them. It’s best to pay attention to start-ups that have scaled technologies beyond the lab—an indicator of their ability to survive.
• Identify the manufacturing and supply challenges upfront. Many syn-bio applications face challenges in scaling, standardization, quality consistency, transportation, and biosafety compliance. Companies must identify all the potential techno-commercial challenges before choosing the paths to follow. For instance, unlike the other COVID-19 vaccine manufacturers, Moderna uses a lipid nanoparticle coating on its vaccine. It prevents mRNA degradation at temperatures as high as those of a regular freezer, eliminating the need for ultra-cold conditions to transport its vaccines.
• Partner selectively. In industries that face the threat of immediate disruption from syn-bio technologies, companies have no choice but to focus on the transformative capabilities of the technology and try to get ahead of the curve. They should partner with start-ups and university incubators so they can learn quickly. As we said earlier, the German chemicals giant Bayer has set up a joint venture with Boston-based Ginkgo Bioworks, Joyn Bio, which is using syn-bio to fight plant disease and improve nutrition. Bayer’s investment came from its Lifesciences Center, the company’s innovation unit that searches for breakthrough technologies complementing Bayer’s offerings. It has joined with Versant Ventures to launch stem cell therapeutics company BlueRock Therapeutics and has teamed up with CRISPR Therapeutics to form joint venture Casebia Therapeutics, which uses gene-editing technology to develop treatments for blood disorders, blindness, and congenital heart disease.
• Drive Syn-bio dentro do seu portfólio de negócios. As empresas devem adicionar rapidamente produtos Syn-Bio a seus portfólios, fazendo investimentos na Greenfield, bem como a aquisições de planejamento. Por exemplo, a Cargill, em 2018, lançou seu adoçante zero-calorias Eversweet, que é feito através da fermentação de leveduras. Um dos maiores produtores de carne do mundo, investiu em várias startups de carne cultivada, como apenas alimentos e fazendas Aleph, bem como Puris, um provedor líder de proteína de ervilha, usada em produtos veganos e laticínios. Uma reprodução de plataforma permitirá que uma organização desenvolva e venda vários aplicativos Syn-Bio. Isso lhe proporcionará uma oportunidade de moldar regras e padrões. Os gerentes devem entender que o desenvolvimento da plataforma é uma jornada de vários anos que exige o compromisso inabalável da alta gerência. Como uma revista popular twittou sarcasticamente há alguns anos: "A biologia sintética iria salvar o mundo. Agora está sendo usado para fazer sabor de baunilha". Em retrospecto, porém, a produção comercial de vanilina em um biorreator marcou um momento decisivo porque demonstrou o enorme potencial comercial da Syn-Bio. Levou tempo para o Syn-Bio atingir um ponto de inflexão, mas esse momento finalmente chegou. O momento não poderia ser melhor. O uso do Syn-Bio em escala é a única maneira de os negócios poderão crescer de forma sustentável no futuro, ajudando a salvar o planeta e redimir sua reputação quadriculada também. François Candelon

Companies with a history of R&D can explore the creation of syn-bio platforms. A platform play will enable an organization to develop and sell several syn-bio applications. This will provide it an opportunity to shape rules and standards. Managers must understand that platform development is an R&D-intensive, multi-year journey that requires the unwavering commitment of top management.

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Curiously, syn-bio was lauded at first as an environment-saving technology, but it didn’t quite live up to that narrow promise. As a popular magazine sarcastically tweeted some years ago: “Synthetic biology was going to save the world. Now it’s being used to make vanilla flavoring.” In retrospect, though, the commercial production of vanillin in a bioreactor did mark a watershed moment because it demonstrated the enormous commercial potential of syn-bio. It has taken time for syn-bio to reach a tipping point, but that moment has finally come. The timing couldn’t be better. Using syn-bio at scale is the only way business will be able to grow sustainably in the future, helping to save the planet and redeeming its checkered reputation as well.