Biology “even over” chemistry

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How the Bio Revolution is transforming agriculture and healthcare

We are starting to run out of time to correct our course. We have reached half-way on the road towards the Sustainable Development Goals (SDGs), and the outlook is disconcerting. The Russian invasion of Ukraine, droughts, and the fall-out of the pandemic have caused an acute food crisis. Regarding the “Zero Hunger” (SDG 2) target, we have actually fallen back behind the 2015 starting line, and the number of people suffering from hunger may well rise further yet. Moreover, the global pandemic has shaken the entire world and called into question our most valuable asset: health. Not only in terms of pandemic-related deaths, but also for malaria and many other diseases that are gaining ground on the back of the attention being focused solely on COVID-19.

On top of missing our GHG emission-reduction goals, we are on the verge of failing when it comes to ensuring two core pillars of sustainable development – zero hunger, and good health and well-being – and many related targets. But despite the dismal SDG report card at half-time, I remain optimistic. The main drivers of my optimism are the breakthroughs being created by the Bio Revolution. We are only starting to grasp the possibilities here and are at the beginning of a transformation that will provide a powerful lever for making true progress in reaching the SDGs – in line with Bayer’s vision “Health for all, hunger for none”.

Genetically modified organisms have made huge advances

In recent years, scientists have made great progress in gene-editing technologies and reducing the costs of DNA analysis. Eight of the last ten Nobel Prizes in Chemistry were awarded for discoveries in the world of genes and proteins, with the line between biology and artificial intelligence becoming increasingly blurred. The highlight so far was the 2020 Nobel Prize in Chemistry awarded to Jennifer Doudna and Emmanuelle Charpentier in recognition of their development of a method for genome editing – CRISPR/Cas9. We have long understood in theory the mechanisms of gene editing; now we also have the appropriate tool. Let’s not forget that their breakthrough discoveries were first published only ten years ago this month.

More recently, DeepMind, an artificial intelligence subsidiary of Alphabet, uncovered the structure of more than 200 million proteins. To put this into perspective: a few years ago, in 2009, Venkatraman Ramakrishnan,?Thomas A. Steitz?and?Ada E. Yonath?received the Nobel Prize in Chemistry for describing the structure of just one single structure of RNA with its associated proteins: the ribosome. And without DeepMind’s artificial intelligence, the protein-folding problem would have not been solved in time for the introduction of mRNA vaccines in 2019, just about when the pandemic hit. In these times of corporate PR on overdrive, I commend how modestly Google’s parent company is handling the contributions of their scientists at DeepMind.

We now have at our fingertips fundamental innovations in biology, chemistry, and artificial intelligence that could hold huge potential to tackle global challenges such as climate change, famine, and disease.

Using fertilizers, herbicides and pesticides in agriculture is a necessary but temporary solution

At Bayer, we are working with these new scientific tools on a less carbon-intensive and more water-friendly solution to providing plant nutrients. Today, fertilizers are used to produce almost half of the world’s agricultural yield. To be crystal clear: in the midst of the current food crisis as we are, we still need the 100-year-old fertilizer technology to safeguard harvests. The current fertilizer shortage shows that every one percent drop in fertilizers is reducing the availability of food for as many as 30 million people. Moreover, the food crisis in Sri Lanka showcases the consequences of what happens if farmers do not have access to chemical fertilizers and pesticides.

However, the use of chemical nitrogen fertilizer will peak as disruptive biological alternatives mature. Plants need nutrients to grow, especially nitrogen, but the production of nitrogen fertilizer is one of the most energy-intensive sectors globally, and a significant contributor to agriculture’s GHG emissions. The combination of energy needs and in-field nitrogenous oxide emissions leads to fertilizers alone being responsible for about 4 percent of global greenhouse gas emissions. Three examples we are working on underline the possibilities of the Bio Revolution in this area:

• Joyn Bio, a joint venture between Bayer and Ginkgo Bioworks (a leading platform for cell programming) which was one of the first projects of our impact investment fund Leaps by Bayer, has developed gene-edited microbes that can be artificially added to plants. When introduced into the plant, these microbes teach the plant how to retain nitrogen and, more importantly, draw in nitrogen from the air. This technology has the potential to reduce our dependency on chemical fertilizers.
• Andes, a California-based company funded by Leaps, has developed a novel seed treatment technology that allows crops to thrive without any synthetic fertilizers. Microbes that thrive in plant roots create permanent, nature-based carbon-capture solutions to sequester and store CO2 from the atmosphere into the soil. This technology is in the field trial phase but holds great potential to drive a paradigm shift for farmers generating carbon credits.
• CoverCress, another Leaps portfolio company, has developed an alternative to fallow land including a fertilizing function. Thanks to the utilization of gene-editing, scientists were able to turn a weed into a cash crop, with oilseeds that could become an important source for biofuel production, while giving growers an option to continue effective stewardship of their land and improve soil quality by acting as a cover crop. ?These seeds help us meet our growing feed and energy needs while providing sustainability benefits without competing with food production.

The dawn of a new healthcare era

Besides providing innovations in agriculture, the Bio Revolution is also driving advances in healthcare in unprecedented ways, with the COVID-19 mRNA vaccines being the most prominent example to date. However, this is just the beginning. At Bayer, Bluerock’s BRT-DA01 therapy is now one of the most promising developments: a potential stem cell-derived therapy for Parkinson’s disease. In the first clinical trial, neurons were implanted into the brain of patients to produce the neurotransmitter dopamine in the organ. This biotech therapy is expected to help slow progression of the disease.

Cell-based therapies, developed at the intersection of artificial intelligence (AI) and biotech, could usher in a new era in healthcare because they hold the potential to cure serious diseases, including cancer.

So far, however, cell-based therapies have been extremely expensive. This is why cost reduction is crucial to achieve health for all. ?Cellino Biotech, funded by Leaps, has now developed an automated manufacturing process for such therapies. I firmly believe that AI-driven and automated manufacturing represents the next major developmental step in the production of cell-based therapies. This technology drastically reduces the costs, thereby making these therapies accessible for more people – not only in the Global North, but also in developing countries and for the treatment of tropical diseases. I am also hopeful that other biopharmaceutical companies who are focused on vaccines will be able to leverage mRNA and other technologies to introduce new vaccines such as one against malaria. So the Bio Revolution is also driving sustainability by contributing to SDG 3 (“Good Health and Well-Being”) – in line with Bayer’s vision “Health for all.”

How to manage the transformation to biology “even over” chemistry

125 years ago, Bayer launched Aspirin. This was only possible due to the last real tipping point of innovation in the chemical industry: the life-changing transition from tar-based dyestuffs to organic chemistry. Bayer has been at the center of this disruptive innovation ever since. In our lifetime, we will witness a similar transformation. Our company’s 160-year history can be described in terms of the key feedstocks we have utilized: coal, followed by ammonia, oil, and natural gas. Decarbonization will require the chemical industry, in addition to introducing circularity, to supplement a significant amount of fossil feedstocks with biological compounds. For that, we need new agricultural crop rotations, green hydrogen, and bioreactors. If we want to replace carbon-intensive materials, we need to replace traditional catalysts with enzymes and cell-based production units. In other words, biological solutions in both feedstock production, recycling, and synthesis of key materials will replace what chemistry has delivered for most of the duration of the Industrial Age.

This transition from chemistry to biology will not work like a romantic call for “back to nature”.

Proponents of the organic food movement, who cheered in 2021 when Sri Lanka banned fertilizers, were silent when this decision first ruined the country’s farmers, then its economy and finally its democracy. Prioritizing biology over chemistry requires us to welcome innovation on a global scale.

The longer we hold on to our old or idealized alternatives that will not work in a world inhabited by 8 billion humans, the longer the carbon era will last. In his book “How the world really works” (he is probably the only person who can justifiably use the ultimate ‘mansplaining’ title for his book!), scientist Vaclav Smil showed how much we depend on fossil fuels – and how long decarbonization will take. But with the power of innovation, we can and will accelerate this transformation. A couple of days ago, Crop Science presented some of its latest innovations, which further fuelled my optimism that this can be done,

I am an advocate of biology “even over” chemistry. By that I mean that we prioritize biology without devaluing chemistry. We still need chemistry (without nano lipids, mRNA could never reach the ribosomes in our cells to start the production of proteins that are folded in ways resembling the virus, allowing the production of bespoke antibodies), but increasingly a different kind of chemistry – one at the intersection of biology and artificial intelligence. To do this, we also need to engage the general public, as the industry did with the COVID-19 vaccine. The best ways to do this are strict labelling, full transparency and honest communication. But, as with COVID-19, the Bio Revolution needs the engagement of policymakers. We need a clear regulatory framework welcoming the new possibilities.

One thing is clear: the Bio Revolution is crucial in the context of the SDGs of “Zero Hunger”, Good Health and Well-Being”, “Climate Action”, “Life On Land”, “Sustainable Consumption and Production Patterns”, and many others. We need to further push the boundaries of biology to support the transformation of agriculture, healthcare and material sciences by advancing the respective R&D platform capabilities. We also need less initial investment in this area compared to other technologies. On other words, funding for science, including in developing countries, will bear a whole new level of promise.?

Vorfahrt der Biologie vor der Chemie

Wie die Biorevolution Landwirtschaft und Gesundheitswesen ver?ndert

Uns l?uft die Zeit davon, um unseren Kurs noch zu ?ndern. Die H?lfte der Zeit, um die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) zu erreichen, ist vorbei, und die Aussichten sind beunruhigend. Der russische Einmarsch in die Ukraine, Dürren und die Folgen der Pandemie haben eine akute Ern?hrungskrise ausgel?st. Beim SDG 2 ?Kein Hunger“ sind wir sogar hinter die Ausgangsposition von 2015 zurückgefallen, und die Anzahl der Menschen, die Hunger leiden, k?nnte noch weiter steigen. Au?erdem hat die Pandemie die ganze Welt auf den Kopf und unser wichtigstes Gut in Frage gestellt: unsere Gesundheit. Das gilt nicht nur für Todesf?lle im Zuge der Pandemie, sondern auch für Malaria und viele andere Krankheiten, die dadurch, dass COVID-19 die volle Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, wieder auf dem Vormarsch sind.

Abgesehen davon, dass wir unsere Ziele zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen nicht erreichen, sind wir somit auch kurz davor, bei zwei Eckpfeilern der nachhaltigen Entwicklung zu scheitern: ?kein Hunger“ und ?Gesundheit und Wohlergehen“ sowie bei vielen damit verwandten Zielen. Doch trotz der miserablen SDG-Halbzeitbilanz bleibe ich optimistisch. Es sind vor allem die durch die Biorevolution erm?glichten Durchbrüche, die meinen Optimismus n?hren. Wir beginnen gerade erst, die damit verbundenen M?glichkeiten zu erkennen, und stehen ganz am Anfang einer Transformation, die uns kraftvolle Werkzeuge in die Hand geben wird, um bei den SDGs Fortschritte zu erzielen – ganz im Einklang mit der Vision von Bayer ?Health for All, Hunger for None“.

Gro?e Fortschritte bei gentechnisch ver?nderten Organismen

In den vergangenen Jahren haben Wissenschaftler gro?e Fortschritte bei den Technologien zur Geneditierung erzielt und konnten die Kosten für DNA-Analysen verringern. Acht der letzten zehn Nobelpreise für Chemie wurden an Forscherinnen und Forscher verliehen, die Entdeckungen in der Welt der Gene und Proteine gemacht haben, in der Biologie und künstliche Intelligenz zunehmend verschmelzen. Das bisherige Highlight war der Nobelpreis für Chemie, der 2020 an Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier für ihre Entwicklung einer Genomeditierungsmethode – CRISPR/Cas9 – verliehen wurde. Die Mechanismen der Geneditierung haben wir in der Theorie schon lange verstanden; jetzt verfügen wir auch über das richtige Werkzeug. Vergessen wir nicht, dass ihre bahnbrechenden Entdeckungen vor nur genau zehn Jahren zum ersten Mal ver?ffentlicht wurden.

Kürzlich hat DeepMind, ein KI-Tochterunternehmen von Alphabet, die Struktur von über 200 Millionen Proteinen entschlüsselt. Um das in Perspektive zu setzen: Vor einigen Jahren, 2009, erhielten Venkatraman Ramakrishnan,?Thomas A. Steitz?und?Ada E. Yonath für die Entschlüsselung der Struktur nur eines Teils der RNA mit den dazugeh?rigen Proteinen – dem Ribosom – noch den Nobelpreis für Chemie. Und ohne die künstliche Intelligenz von DeepMind h?tte man das Problem der Proteinfaltung nicht rechtzeitig zur Einführung von mRNA-Impfstoffen 2019 – also kurz vor der Pandemie – l?sen k?nnen. In Zeiten, in denen Unternehmens-PR in der Regel auf Hochtouren l?uft, kann ich nur bewundern, wie bescheiden die Muttergesellschaft von Google mit den Beitr?gen der Wissenschaftler von DeepMind umgeht.

Grundlegende Innovationen in Biologie, Chemie und künstlicher Intelligenz, die gro?es Potenzial für den Umgang mit globalen Herausforderungen wie Klimawandel, Hungersn?te und Krankheiten bergen k?nnten, sind nun zum Greifen nahe.

Der Einsatz von Düngern, Herbiziden und Pestiziden in der Landwirtschaft ist eine notwendige, aber vorübergehende L?sung

Wir bei Bayer arbeiten mit diesen neuen wissenschaftlichen Werkzeugen, um weniger CO2-intensive und wassersparende L?sungen zu finden, um Pflanzen mit N?hrstoffen zu versorgen. Dünger kommen heute bei der Produktion von über der H?lfte des weltweiten Agrarertrags zum Einsatz. Um es ganz klar zu sagen: Inmitten der derzeitigen Lebensmittelkrise brauchen wir die 100 Jahre alte Düngertechnologie, um unsere Ernten zu sichern. Die aktuelle Düngerknappheit zeigt, dass ein Prozent weniger Dünger die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln für sage und schreibe 30 Millionen Menschen gef?hrdet. Au?erdem wird durch die Nahrungsmittelkrise in Sri Lanka deutlich, was passiert, wenn Landwirte keinen Zugang zu Kunstdüngern und Pflanzenschutzmitteln haben.

Doch der Einsatz chemischen Stickstoffdüngers wird im Zuge der Weiterentwicklung bahnbrechender biologischer Alternativen seinen H?hepunkt erreichen. Pflanzen brauchen zum Wachsen N?hrstoffe, vor allem Stickstoff. Doch die Produktion von Stickstoffdünger geh?rt weltweit zu den Industrien mit dem h?chsten Energieverbrauch und tr?gt erheblich zu den Treibhausgasemissionen aus der Landwirtschaft bei. Die Kombination des Energiebedarfs und der Stickstoffoxidemissionen im Feld führt dazu, dass Kunstdünger allein für etwa 4 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Drei Beispiele unserer Aktivit?ten verdeutlichen die M?glichkeiten der Biorevolution in diesem Bereich:

• Joyn Bio, ein Joint Venture von Bayer und Ginkgo Bioworks (einer führenden Plattform für Zellprogrammierung) und eines der ersten Projekte unseres Investitionsfonds Leaps by Bayer, hat geneditierte Mikroben entwickelt, die Pflanzen zugeführt werden k?nnen. Dort lehren diese Mikroben die Pflanze, Stickstoff zu speichern und vor allem Stickstoff aus der Luft aufzunehmen. Diese Technologie birgt das Potenzial, unsere Abh?ngigkeit von chemischen Düngern zu reduzieren.
• Andes, ein durch Leaps finanziertes Unternehmen in Kalifornien, hat eine neuartige Technologie zur Saatgutbehandlung entwickelt, mit der Pflanzen ohne synthetische Düngemittel gedeihen. Mikroben, die in den Wurzeln der Pflanze leben, schaffen permanente, naturbasierte L?sungen, um CO2 aus der Atmosph?re aufzunehmen und im Boden zu speichern. Diese Technologie befindet sich gerade in der Feldforschungsphase und verspricht gro?es Potenzial für die Beschleunigung eines Paradigmenwechsels für Landwirte, die CO2-Emissionsgutschriften erzeugen wollen.
• CoverCress, ein weiteres Unternehmen im Leaps-Portfolio, hat eine Alternative dazu entwickelt, Felder brachliegen zu lassen, einschlie?lich einer Düngerfunktion. Mithilfe von Geneditierung konnten die Forscher ein Unkraut in eine lukrative Kultur verwandeln. Sie bringt ?lsaat hervor, die eine wichtige Quelle in der Biokraftstoffproduktion werden k?nnte. Gleichzeitig haben Landwirte die M?glichkeit, die Kultur als Zwischenfrucht einzusetzen, um damit ihr Land durchgehend wirksam zu nutzen und die Bodenqualit?t zu verbessern. Diese Saaten helfen uns, unsere wachsenden?Bedürfnisse an Futter- und Energiepflanzen zu decken und gleichzeitig zur mehr Nachhaltigkeit beizutragen, ohne der Nahrungsmittelproduktion Fl?chen wegzunehmen.

An der Schwelle zu einer neuen ?ra der Medizin

Abgesehen von Innovationen in der Landwirtschaft f?rdert die Biorevolution durch ganz neue M?glichkeiten auch Fortschritte in der Medizin. Das beste Beispiel dafür sind bisher die mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19. Doch das ist erst der Anfang. Bei Bayer ist die Therapie BRT-DA01 von BlueRock derzeit eine der vielversprechendsten Entwicklungen: eine m?gliche, auf Stammzellen basierende Behandlung für Parkinson. In der ersten klinischen Studie wurden Patienten Neuronen ins Gehirn transplantiert, die dort den Neurotransmitter Dopamin produzieren. Diese Biotech-Therapie k?nnte das Voranschreiten der Erkrankung verlangsamen.

Zellbasierte Therapien, die an der Schnittstelle zwischen künstlicher Intelligenz (KI) und Biotechnologie entstehen, k?nnten durch ihr Potenzial, ernsthafte Erkrankungen einschlie?lich Krebs zu heilen, eine neue ?ra in der Medizin einl?uten.

Bisher sind zellbasierte Therapien allerdings extrem teuer. Deswegen ist es so wichtig, die Kosten zu senken, um den Zugang für alle zu erm?glichen. Cellino Biotech, von Leaps finanziert, hat jetzt einen automatisierten Herstellungsprozess für solche Therapien entwickelt. Ich glaube fest daran, dass die KI-gesteuerte und automatisierte Produktion den n?chsten wichtigen Entwicklungsschritt in der Herstellung zellbasierter Therapien darstellt. Diese Technologie reduziert die Kosten drastisch und macht diese Therapie so für mehr Menschen zug?nglich – nicht nur im globalen Norden, sondern auch in Entwicklungsl?ndern und zur Behandlung tropischer Krankheiten. Ich hoffe auch, dass andere auf Biologie ausgerichtete Pharmaunternehmen, die sich mit Impfstoffen besch?ftigen, mRNA und andere Technologien werden nutzen k?nnen, um neue Impfstoffe zu entwickeln, beispielsweise gegen Malaria. Somit f?rdert die Biorevolution durch ihren Beitrag zum SDG 3 (Gesundheit und Wohlergehen) auch die Nachhaltigkeit – im Einklang mit unserer Vision ?Health for All“.

Wie machen wir die Biologie noch st?rker als die Chemie?

Vor 125 Jahren brachte Bayer Aspirin auf den Markt. Das war nur aufgrund der letzten wirklich entscheidenden Innovation in der Chemieindustrie m?glich: der lebensver?ndernde übergang von Farbstoffen auf Teerbasis zur organischen Chemie. Seitdem steht Bayer im Zentrum dieser bahnbrechenden Innovation. Wir werden in unserem Leben noch Zeuge einer ?hnlichen Transformation werden. Die 160-j?hrige Geschichte unseres Unternehmens kann man anhand der grundlegenden Rohstoffe beschreiben, die verwendet wurden: Kohle, gefolgt von Ammonium, ?l und Erdgas. Das Gebot der Dekarbonisierung fordert von der Chemieindustrie – abgesehen von der Einführung einer Kreislaufwirtschaft – einem erheblichen Teil der fossilen Rohstoffe biologische Stoffe zuzusetzen. Dazu brauchen wir neue Fruchtfolgen in der Landwirtschaft, grünen Wasserstoff und Bioreaktoren. Wenn wir CO2-intensive Materialien ersetzen wollen, müssen wir traditionelle Katalysatoren durch Enzyme oder zellbasierte Produktionseinheiten ersetzen. Anders gesagt: Biologische L?sungen in der Rohstoffproduktion, im Recycling und bei der Synthese wichtiger Materialien werden das ersetzen, was für den Gro?teil des industriellen Zeitalters die Chemie geliefert hat.

Dieser übergang von der Chemie zur Biologie funktioniert aber nicht durch den nostalgischen Aufruf ?zurück zur Natur“.

Verfechter von Biolebensmitteln, die 2021 jubelten, als Sri Lanka Dünger verbot, verstummten, als diese Entscheidung erst die Landwirte im Land, dann die Wirtschaft und schlie?lich die Demokratie ruinierte. Wenn wir die Biologie der Chemie vorziehen wollen, müssen wir auf globaler Ebene Innovationen f?rdern.

Je l?nger wir an alten oder idealisierten Alternativen festhalten, die in einer Welt mit 8 Milliarden Einwohnern nicht funktionieren werden, desto l?nger wird das CO2-Zeitalter andauern. In seinem Buch ?How the world really works“ hat der Wissenschaftler Vaclav Smil (und er ist wahrscheinlich der einzige Mensch, der diesen überheblichen Titel zu Recht für sein Buch verwenden darf!), gezeigt, wie sehr wir von fossilen Brennstoffen abh?ngig sind – und wie lange eine Dekarbonisierung dauern wird. Doch mit der Kraft der Innovation k?nnen und werden wir diese Transformation beschleunigen. Vor einigen Tagen hat die Division Crop Science einige ihrer jüngsten Innovationen vorgestellt und mir damit noch mehr Anlass gegeben, optimistisch davon auszugehen, dass wir es schaffen k?nnen.

Ich befürworte das Prinzip, der Biologie über der Chemie Vorrang einzur?umen. Damit meine ich, dass wir die Biologie zur Priorit?t machen, ohne die Chemie abzuwerten. Wir brauchen die Chemie nach wie vor (ohne Nanolipide k?nnte mRNA die Ribosome in unseren Zellen niemals erreichen, um dort die Produktion von Proteinen anzuregen, deren Faltung denen des Virus gleicht, um so die Produktion der richtigen Antik?rper zu erm?glichen), aber wir brauchen eine sich wandelnde Art von Chemie – eine, die an der Schnittstelle von Biologie und künstlicher Intelligenz steht. Um das zu erreichen, müssen wir die ?ffentlichkeit mit an Bord holen, so wie es der Branche auch bei den Impfstoffen gegen COVID-19 gelungen ist. Der beste Weg dazu besteht in strengen Auflagen zur Etikettierung, voller Transparenz und ehrlicher Kommunikation. Doch genau wie bei COVID-19 braucht die Biorevolution auch das Engagement der Politik. Wir brauchen einen klaren regulatorischen Rahmen, der neuen M?glichkeiten offen gegenübersteht.

Eins ist klar: Die Biorevolution spielt im Zusammenhang mit den SDGs ?Kein Hunger“, ?Gesundheit und Wohlergehen“, ?Ma?nahmen zum Klimaschutz“, ?Leben an Land“, ?Nachhaltige/r Konsum und Produktion“ und vielen weiteren eine entscheidende Rolle. Durch den Aufbau entsprechender R&D-Plattformkapazit?ten müssen wir die Grenzen der Biologie weiter verschieben, um die Transformation der Landwirtschaft, der Medizin und der Materialforschung zu unterstützen. Und im Vergleich zu anderen Technologien brauchen wir in diesem Bereich nur geringere Startinvestitionen. Anders ausgedrückt: die Finanzierung der Wissenschaft beinhaltet ein Versprechen auf v?llig neuer Ebene, auch in Entwicklungsl?ndern.?