Sequenziamento per sintesi: la storia del suo successo e consigli per la commercializzazione di idee accademiche / Sequencing by synthesis: the story behind its success and tips for the commercialization of academic ideas

Sequenziamento per sintesi: la storia del suo successo e consigli per la commercializzazione di idee accademiche / Sequencing by synthesis: the story behind its success and tips for the commercialization of academic ideas

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

David Klenerman  è professore di chimica biofisica all'Università di Cambridge  (Regno Unito), dove lavora anche per il UK Dementia Research Institute (Londra, Regno Unito). Dalla fine degli anni '90 al 2007, Klenerman ha lavorato a fianco di Shankar Balasubramanian (Università di Cambridge), periodo durante il quale i due hanno ideato il sequenziamento per sintesi e fondato l'azienda Solexa, ora parte di Illumina Inc. (CA, USA), per sviluppare la tecnologia necessaria a realizzarlo. Il loro lavoro è ampiamente riconosciuto per aver inaugurato una nuova era del sequenziamento di nuova generazione, caratterizzata da costi in calo e tempi di sequenziamento drasticamente accelerati.

Di recente, i due hanno partecipato ad un panel organizzato dal Millennium Technology Prize (Helsinki, Finlandia), discutendo le chiavi del successo per le startup biotecnologiche e come l'Europa e il Regno Unito possano collaborare per creare un contesto favorevole che incoraggi le idee e trasformi le startup in aziende globali che mantengono la sede principale nel loro paese d'origine. Abbiamo avuto la fortuna di intervistare David dopo il panel per approfondire il suo percorso e raccogliere i suoi consigli per chi desidera avviare una propria attività di ricerca.

Come vi è venuta l'idea del sequenziamento per sintesi? Ci sono stati episodi fortunati lungo il percorso?

Shankar ed io ci trasferimmo entrambi a Cambridge tra il 1994 e il 1995 ed, all'epoca, uno degli aspetti più entusiasmanti del mio campo di ricerca, la chimica fisica, era la possibilità di visualizzare singole molecole. Si potevano osservare le molecole diffondersi, muoversi e subire processi biologici. Nel nostro caso, eravamo particolarmente interessati ad osservare un enzima chiamato DNA polimerasi incorporare nucleotidi nel DNA. La prima richiesta di finanziamento che presentammo fu al  Biotechnology and Biological Sciences Research Council  (Swindon, Wiltshire), e fu accolta. Avevamo un primer stampo di DNA attaccato ad una microsfera ed intendevamo aggiungere nucleotidi con fluorofori. L'idea era di utilizzare l'imaging a fluorescenza per osservare la polimerasi incorporare queste basi.

Quell'esperimento era stato progettato per osservare la polimerasi mentre aggiungeva nucleotidi, ma ci siamo resi conto che potevamo riutilizzarlo colorando i nucleotidi, usando la stessa configurazione sperimentale per copiare il DNA e decodificarne la sequenza. Abbiamo quindi eseguito alcuni calcoli che sembravano suggerire che, se avessimo applicato questa configurazione sperimentale a milioni di sequenze di DNA su una superficie contemporaneamente, avremmo potuto sequenziare un milione di volte più velocemente rispetto alla tecnologia attuale.

Questo salto concettuale in avanti è stato supportato da un approccio emergente alla progettazione dei nucleotidi negli anni '90, che prevedeva l'aggiunta di un gruppo bloccante rimovibile alla posizione 3'-OH del nucleotide, dando origine a nucleotidi terminatori reversibili. Ciò ha permesso di controllare la sintesi del DNA, rendendola un processo più graduale. La polimerasi aggiunge ogni nucleotide normalmente, ma il gruppo bloccante le impedisce di aggiungerne più di uno alla volta, e deve essere scisso mediante trattamento chimico prima che se ne possa aggiungere un altro, creando un intervallo in cui i fluorofori possono essere visualizzati prima che il processo venga ripetuto con il nucleotide successivo.

Questa era dunque la chimica per ciascuna reazione, e procedendo in modo massivamente parallelo, abbiamo dovuto sequenziare solo una trentina di basi e poi abbiamo potuto ricostruire l'intero genoma umano.

Operavamo in un periodo davvero entusiasmante. Nel 2000, Bill Clinton si trovava sui gradini della Casa Bianca ad annunciare che avevamo sequenziato il genoma umano. A quel tempo, esisteva solo il genoma umano di riferimento. La grande sfida era quindi trovare un modo per sequenziare il genoma di un singolo individuo. Ci trovavamo quindi nel posto giusto al momento giusto, con una tecnologia che poteva essere riadattata per sequenziare i genomi individuali.

Quali azioni si sono rivelate cruciali per passare dall'idea alla commercializzazione?

Credo che il passo cruciale in tutto questo sia stato parlare con il rettore del Christ's College di Cambridge, Alan Munro, che era riuscito a far nascere un'azienda spin-off dall'università, e lui ci ha convinti di alcuni punti chiave. Primo, non aveva senso sviluppare una tecnologia se non fosse stata ampiamente utilizzata. Secondo, avremmo avuto bisogno di somme di denaro in continua crescita, superiori a quelle che saremmo stati in grado di ottenere tramite sovvenzioni per la ricerca. Infine, l'unico modo per accedere a quel tipo di finanziamenti era quello di creare un'azienda spin-off.

Alan aveva lavorato come consulente per una società di investimenti nel settore delle scienze biologiche chiamata Abingworth (Londra, Regno Unito), e ci suggerì di contattarla. Si rivelò un ottimo consiglio. Alla fine, ci siamo rivolti ad una sola società di venture capital. La conversazione con Abingworth fu inizialmente piuttosto interessante, perché non sapevano bene come comportarsi con noi, dato che la nostra situazione era l'opposto di ciò che solitamente vedono. Di solito, le aziende si presentano con molti dati preliminari su una tecnologia che potrebbe rappresentare un miglioramento di due o quattro volte rispetto a una tecnologia esistente; noi, invece, avevamo condotto una ricerca con i nostri postdoc per ottenere una prova di concetto molto rudimentale e ci siamo presentati con pochissimi dati a dimostrazione della sua fattibilità, ma con una tecnologia che potenzialmente avrebbe potuto migliorare le cose di un milione di volte.

Alla fine, dopo un'approfondita due diligence, hanno deciso di investire, seppur una piccola somma, che ci ha permesso di avviare Solexa e di condurre ulteriori studi di fattibilità. Durante tutto il percorso, ci hanno dedicato molto tempo per aiutarci a gestire l'azienda ed ad indirizzarla nella giusta direzione.

Quanto tempo è trascorso dalla nascita dell'idea – mi pare di aver letto che sia avvenuta al pub – alla realizzazione della prima sequenza?

Ci sono voluti circa 10 anni dall'idea iniziale! L'azienda ha impiegato 10 anni per produrre una macchina in grado di sequenziare un genoma, partendo da un genoma virale e poi passando a quello umano. Ogni volta che ci penso, mi stupisce che in soli 10 anni siamo passati da un'idea su un pezzo di carta ad una macchina vendibile. Può sembrare tanto, ma in termini pratici è un periodo di tempo brevissimo, e dimostra che la scelta di fondare un'azienda spin-off, piuttosto che cercare di lavorare in ambito accademico, è stata quella giusta.

Avevate in mente l'aspetto commerciale di questo lavoro fin dall'inizio?

In realtà no, l'aspetto commerciale era una considerazione secondaria necessaria del lavoro. Il sequenziamento del genoma era un argomento di grande attualità all'epoca; la sfida era quella di sequenziare il genoma di un singolo individuo e noi stavamo lavorando su argomenti applicabili a quel campo. Questo era il contesto in cui è nata l'idea.

Una volta avuta l'idea, eravamo motivati ​​dal voler verificare se avrebbe funzionato e poi dal comprenderne appieno il potenziale, poiché pensavamo che potesse essere davvero rivoluzionaria. A quel punto, è diventato chiaro che lo strumento per realizzarla fosse una società spin-off. Ovviamente, se avesse avuto successo, tanto meglio, avremmo guadagnato, ma l'aspetto commerciale era decisamente secondario.

Com'è stato il processo di vendita di Solexa a Illumina nel 2007?

Non siamo stati particolarmente coinvolti nel processo, ma dal nostro punto di vista è stato piuttosto semplice. Solexa voleva espandersi; Illumina aveva bisogno di una tecnologia di sequenziamento. Avevano già tutta la forza vendita necessaria per i loro array di DNA, quindi sembrava naturale accelerare lo sviluppo della tecnologia.

Da parte nostra non ci sono stati molti dubbi sull'opportunità di procedere in tal senso. C'era molto lavoro legale da fare per portare a termine il progetto, ma c'era un ampio consenso, quindi non ci sono stati grandi attriti. All'epoca, avevamo uno strumento in grado di fornire la sequenza di un singolo genoma umano, ma necessitava di molti più investimenti per svilupparlo al punto da poter esprimere appieno il suo potenziale. Illumina ha fatto proprio questo, migliorandone le prestazioni di diversi ordini di grandezza.

L'aspetto che potrebbe essere considerato negativo è che l'azienda non è rimasta nel Regno Unito, ma ciò rifletteva semplicemente la realtà del panorama del sequenziamento all'epoca. Non esisteva all'epoca un'alternativa europea disposta ad investire la considerevole somma di denaro necessaria e, se avessimo voluto sviluppare il sistema internamente, avremmo dovuto creare una nostra rete di vendita e capacità produttive per realizzare queste macchine su larga scala, il che avrebbe richiesto ingenti investimenti.

Questo scenario è cambiato in qualche modo? Esistono oggi aziende britanniche in grado di fare ciò che Illumina faceva all'epoca?

Credo che sia ancora un grosso problema per il Regno Unito. Le aziende raggiungono una certa dimensione con un modello di business vincente e poi vengono accelerate dalle aziende americane, che dispongono di molte più risorse e sono molto meno avverse al rischio rispetto alle loro controparti britanniche. Credo che finché non si creerà un circolo virtuoso, in cui un'azienda britannica di grande successo riesca a rimanere sul territorio, e le persone coinvolte in questo processo continuino ad investire nelle imprese locali, faremo fatica a creare grandi aziende in grado di avere un impatto significativo sul nostro PIL.

Raggiungere concretamente questo obiettivo è davvero impegnativo, ma esistono degli esempi. La Finlandia, ad esempio, ha un'ottima struttura che permette alle aziende di espandersi rimanendo nel paese. Che si opti per un sistema di investimenti governativi simile alle golden share o si incoraggino gli investimenti da parte di una banca britannica, qualcosa deve cambiare nel nostro sistema per garantire la presenza di queste aziende nel Regno Unito.

Quale consiglio daresti ad un accademico che sta lavorando ad un progetto che vorrebbe commercializzare?

Il mio consiglio è di trovare altre persone che hanno avviato con successo spin-off nella tua zona e di parlare con loro. Scopri cosa comporta, quali accordi potrebbero esserti proposti, le fasi chiave del processo, il tutto da chi l'ha già fatto. Credo che questo sia il primo passo. Devi anche parlare con i responsabili del trasferimento tecnologico. Queste conversazioni ti metteranno in una posizione molto migliore per prendere una decisione equilibrata.

Il mio prossimo consiglio è questo: queste opportunità capitano molto raramente, quindi riconoscetele e fate qualcosa al riguardo. La cosa peggiore che può succedere è che ci proviate e falliate. Ma in quel caso avrete imparato molto su come avviare un'attività e su cosa comporta, e potrete trarre insegnamento da quell'esperienza per la prossima volta. Non avevamo idea se la nostra idea avrebbe funzionato così bene, ma sapevamo che valeva la pena provarci.

A cosa stai lavorando adesso?

Ora utilizzo la stessa tecnologia, ovvero l'imaging di singole molecole, per esaminare gli aggregati proteici associati alle malattie neurodegenerative, come la proteina tau alfa-beta e l'alfa-sinucleina.

In sostanza, stiamo facendo due cose. Innanzitutto, dobbiamo formare piccoli aggregati di dimensioni nanometriche per creare le grandi inclusioni che caratterizzano queste malattie nel cervello. Possiamo rilevarle nel sangue e quindi pensiamo che possano essere dei buoni biomarcatori per la diagnosi precoce di queste malattie, e abbiamo dati che lo confermano.

Stiamo inoltre studiando il meccanismo che porta a questa maggiore aggregazione, con l'obiettivo di poter poi progettare razionalmente nuove terapie per trattarla.

Che impatto ha avuto il Millennium Technology Prize su di te e sul tuo lavoro?

Penso che il Millennium Technology Prize sia stato fantastico a livello personale per accrescere la mia visibilità, ma credo che la cosa più importante sia stata che l'intero gruppo di Solexa abbia ottenuto un riconoscimento internazionale come gruppo con sede a Cambridge che ha sviluppato questa tecnologia, e di questo possono essere orgogliosi.

ENGLISH

David Klenerman is a Professor of Biophysical Chemistry at the University of Cambridge (UK), where he also works for the UK Dementia Research Institute (London, UK). From the late 1990s to 2007, Klenerman worked alongside Shankar Balasubramanian (University of Cambridge), during which time the pair established the idea of sequencing by synthesis and set up the company Solexa, now part of Illumina Inc. (CA, USA), to develop the technology necessary to deliver it. Their work is widely credited with ushering in a new era of next-generation sequencing characterized by tumbling costs and dramatically accelerated sequencing times.

Recently, the pair spoke at a panel hosted by the Millennium Technology Prize (Helsinki, Finland), discussing the keys to success for biotech startups and how Europe and the UK can work to engender a welcoming landscape that encourages ideas and converts startups to global companies that remain headquartered in their country of origin. We were lucky enough to catch David for an interview after the panel (you can read our write-up of that panel here) to get some more insight into his journey and to seek his advice for those looking to spin out their own research.

How did you come up with the idea for sequencing by synthesis? Were there any instances of good fortune along the way?

Shankar and I both moved to Cambridge in 1994-95, and at the time, one of the most exciting aspects of my field of physical chemistry was the ability to visualize single molecules. You could watch molecules diffuse or move and undergo biological processes. In our case, we were particularly keen to watch an enzyme called DNA polymerase incorporate nucleotides into DNA. The first grant we wrote was to the Biotechnology and Biological Sciences Research Council (Swindon, Wiltshire), which was successful. We had a template primer of DNA attached to a bead, and we were going to add nucleotides that had fluorophores. The idea was to use fluorescence-based imaging to watch the polymerase incorporate these bases.

That experiment was designed to watch polymerase adding nucleotides, but we realized we could repurpose it by color-coding the nucleotides, using the same experimental setup to copy DNA and decode the sequence. We then ran some calculations that seemed to suggest that if we ran this experimental setup on millions of sequences of DNA on a surface at the same time, we could sequence a million-fold faster than the current technology.

That conceptual leap forward was supported by an emerging approach to the design of nucleotides in the 90s, which added a removable blocking group to the 3’-OH position of the nucleotide, resulting in reversible terminator nucleotides. This allowed us to control the synthesis of DNA, making it a more stepwise process. The polymerase adds each nucleotide as normal, but the blocking group prevents it from adding more than one nucleotide at a time, and the blocking group must be cleaved by chemical treatment before another can be added, creating a gap in which the fluorophores can be imaged before the process is repeated with the next nucleotide.

So that was the chemistry for each reaction, and by doing it in a massively parallel fashion, we only had to sequence about 30 bases and then we could reconstruct the whole human genome.

We were also operating at a really exciting time. There was Bill Clinton on the steps of the White House in the year 2000, announcing that we had we’d sequenced the human genome. At that stage, it was just the consensus human genome. The big challenge then was to come up with a way of sequencing an individual human genome. So, we were in the right place at the right time with a technology that could be repurposed to sequence individual genomes.

Which actions proved crucial in making the leap from idea to commercialization?

I think that the critical step in all this was speaking to the master at Christ’s College, Cambridge, Alan Munro, who had successfully spun out a company from the university, and he convinced us of a few key things. First, there was no point in producing a technology unless it was used widely. Second, we would need exponentially increasing amounts of money, more than we would be able to raise from research grants. And finally, the only way we were going to access that kind of funding was to form a spin-out company.

Alan had formally consulted for a life-science investment company called Abingworth (London, UK), whom he suggested we speak to, and this turned out to be very good advice. In the end, we actually only went to one venture capital company. The conversation with Abingworth was quite interesting at first as they didn’t quite know what to do with us, as our situation was the opposite of what they typically see. Normally, people come with a lot of preliminary data for a technology that might be an improvement of a factor of two to four on an existing technology; we had done some research with our postdocs to get a very crude proof of concept and came to them with very little data to show that this would work, but a technology that could potentially improve things by a factor of a million.

In the end, we went through a lot of due diligence research before they eventually decided to invest, albeit a small amount of money, which enabled us to get started, set up Solexa and deliver some more feasibility research. Throughout the journey, they put a lot of time into helping us manage the company and take it in the right direction.

How long did it take from the formation of this idea – I think I’ve read that that happened at the pub – to actually delivering that first sequence?

It was about 10 years from coming up with the idea! The company took 10 years to produce a machine that could sequence a genome, starting with a viral genome and then the human genome. Whenever I think about it, I’m impressed that in 10 years we went from an idea on a piece of paper to a machine that could be sold to people. It may sound like a lot, but in practical terms, it’s a very short length of time, and it really shows that it was the right decision to form a spin-out company, rather than trying to work within academia.

Was the commercial element of this work in your minds from the beginning?

Not really, the commercial side was a necessary secondary consideration of the work. Genome sequencing was a big topic at the time; the challenge was out there to sequence an individual human sequence, and we were working on topics that were applicable to that field. That was the environment in which the idea arose.

Once we had the idea, we were motivated by seeing if it would work and then realizing its potential, as we thought it could be quite transformative. It then became clear that the vehicle to do that was a spin-out company. Obviously, you know if it was successful, great, we’ll make money, but the commercial side was definitely secondary.

What was the process of selling Solexa to Illumina in 2007 like?

We weren’t that heavily involved in the process, but from our side, it was fairly simple. Solexa wanted to expand; Illumina wanted a sequencing technology. They had all the sales force in place for their DNA arrays, so it seemed a natural fit to accelerate the development of the technology.

There wasn’t very much debate on our side about whether this was the right thing to do. There was a lot of legal work that had to be done to put it all through, but there was a lot of alignment, so there wasn’t much friction there. At that time, we had an instrument that could deliver an individual human genome sequence, but it needed a lot more investment to develop it to a place where it could fulfil its potential. Illumina did that, improving its performance by several orders of magnitude.

The aspect that could be seen as a downside was that the company didn’t stay in the UK, but that purely reflected the reality of the sequencing landscape at the time. There was no EU alternative at the time that was prepared to put in the significant amount of money needed and if we were to try and develop it ourselves, we would have had to develop our own sales force and manufacturing capabilities to produce these machines at scale, which would have required huge sums.

Has that landscape changed at all? Are there any UK companies that you could point to now that would be able to do what Illumina did back then?

I think it’s still a big problem for the UK. Companies get to a sort of certain size with a concept that works and then they are accelerated by American companies that have a lot more resources and who are a lot less risk averse than their UK counterparts. I think until we have a virtuous circle, where there has been a really big UK success story that keeps a company like this in situ, so people who have been involved in that loop then stay and invest back into local companies, we’re going to struggle to produce these big companies that make a significant impact on our GDP.

How you actually achieve that is really challenging, but there are examples out there. Finland, for example, has a great structure that allows companies to scale up while remaining in the country. Whether you go with a golden share-type government investment system, or encourage investment by a UK bank, something needs to change in our setup to secure these companies in the UK.

What advice would you have for an academic who’s working on something they would like to commercialize?

My advice would be to find other people who’ve established successful spin-outs local to you and talk to them. Find out what’s involved, the deals you may be offered, key steps in the process, all from someone who’s actually done it. I think that’s the first step. You also need to talk to your tech transfer people. These conversations will put you in a much better position to make a balanced decision.

My next piece of advice is that you only get these opportunities very occasionally, so recognise that you have this opportunity and do something about it. The worst thing that could happen is you try and you fail. But then you will have learned quite a lot about how to set up a business and what’s involved, and you can learn from that for the next time. We had no idea whether our idea would work this well, but we knew it was worth exploring.

What are you working on now?

I now use the same technology, the imaging of single molecules, to look at protein aggregates associated with neurodegenerative disease, alpha-beta tau and alpha-synuclein.

We’re essentially doing two things. First, you have to form small, nanoscopic-size aggregates to form the large inclusions that characterize these diseases in the brain. We can detect them in blood and so we think these are potentially good biomarkers for early diagnosis of these diseases, and we’ve got data that suggests that’s true.

We’re also exploring the mechanism that leads to this increased aggregation with the view that we could then rationally design new therapies to treat them.

What impact did the Millennium Technology Prize have on you and your work?

I think the Millennium Technology Prize was great on a personal level for raising my profile, but I think that the most important thing was that the whole team behind Solexa got some international recognition as being the Cambridge-based team that developed this technology, and they can take pride in that.

Da:

https://www.biotechniques.com/pcr-sequencing/sequencing-by-synthesis-the-story-behind-its-success-and-tips-for-the-commercialization-of-academic-ideas/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Tech%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-825NXxvYOEqnigvV5TX8EVZu8hITlplZZR_ORnkKEQGcqTCDeFiAnLfMiiRSnIx3l2uax8ez7Thlfa-D4chBRYIMtoO7ZMdoAAP1SfYoLpXxr38nQ&_hsmi=430528104&utm_content=430528104&utm_source=hs_email