Каждый год C&EN выбирает наиболее интересные стартапы по мнению авторов и редакторов журнала. Выбор был сделан, среди прочего, среди компаний в области искусственного интеллекта, аналитики и визуализации применительно к биомедицинским и химическим областям.

Разработки этих компаний позволят нам более подробно рассмотреть изменения формы белков, идентифицировать молекулы, найти новые лекарства и материалы с помощью экспериментов, в том числе разработанных с использованием алгоритмов машинного обучения.

ARRAKIS THERAPEUTICS

Таргетирование РНК низкомолекулярными соединениями
Запущен: 2015
Направление: Разработка лекарственных препаратов
Технология: Низкомолекулярные соединения связывающие РНК
Основатель: Russell Petter
Финансы: 38 миллионов долларов от инвесторов, включая Canaan Partners, Advent Life Sciences, Pfizer, и Celgene

РНК довольно сложный объект для разработки молекулярных структур, способных селективно связываться с ней. Много компаний пыталось таргетно связывать РНК, например с использованием техник РНК-интерференции, в которых последовательность РНК связываться с комплиментарной ей последовательностью. К сожалению, попытки заставить эту технологию работать предсказуемым образом в человеческом организме пока провалились, за исключением недавнего успеха в лечении болезни печени. Зачастую молекулы лекарства нацелены на белки, но в Arrakis создают структуры, нацеленные на РНК. Те молекулы, которые могут связать мРНК — генетический предшественник белков — могут предотвратить образование конкретных белков причин болезни.

Если малые молекулы смогут точно распознавать определенную РНК, это откроет абсолютно новый уровень для разработки лекарственных препаратов. Проблема в том, что из более чем 20 000 человеческих белков, только около 15% теоретически доступны для малых молекул. Так как матричная РНК (мРНК) — это химический посредник между ДНК-сценарием клетки и актерами-белками, мРНК-связывающий препарат может останавливать производство белков, включая тех, которые невозможно достичь обычными методами.



ДНК транскрибируется в мРНК — лекарство селективно связывает и стабилизирует мРНК — связанная мРНК не сможет участвовать в синтезе белков.

BORAGEN

Защита растений боросодержащими молекулами-оборотнями молекулами меняющими форму
Запущен: 2015
Направление: Борьба с вредителями в сельском хозяйстве
Технология: Настраеваемые боросодержащие молекулы
Основатели: Stephen J. Benkovic, Gerald Fink, C. Tony Liu, Paul Schimmel и Lucy Shapiro
Финансы: $10 миллионов от Bill & Melinda Gates Foundation, Arch Venture Partners, Flagship Pioneering, Bayer и Syngenta Ventures

По данным ООН, каждый год болезни и паразиты растений уничтожают 20-40% мировых культур. Торговля в глобализованном мире позволила фермерам расширить рынки, но также позволила распространяться серьезным заболеваниям, таким как фузариоз, угрожающего производству бананов.

Несмотря на то, что крупные агрофирмы каждый год внедряют новые пестициды, невозможно разработать универсальный пестицид. К двум из самых продаваемых фунгицидов, которые были коммерциализированы в начале 60-х годов, многие организмы уже выработали резистивность.
Liu и его коллеги из Борагена создали библиотеку борсодержащих соединений для уничтожения вредителей растений, которые имеют одну общую черту: структуру, основанную на боре.

Классические фунгициды основаны на химии углерода, азота, серы, или металлов. Использование боросодержищих соединений — новый подход, что предполагает возможность поиска не встречавшихся ранее механизмов действия. Эта особенность дала Борагену место в новом исследовательском парке Research Triangle Park, N.C. на базе AgTech Accelerator. Ранее в этом году компания вышла из AgTech с 10 млн. от инвесторов-ускорителей, включая Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Bayer и Syngenta.



Бензоксоборольные фунгициды можно смешивать с традиционными фунгицидами. Два различных механизма действия используются для предотвращения проявления резистивности к фунгициду. Эффективность боросодержащей молекулы может быть перенастроена с использованием одной из двух пространственных форм.

CITRINE INFORMATICS

Использование исскусственного интелекта в лаборатории материалов
Запущен: 2013
Направление: R&D материалов
Технология: Artificial intelligence
Основатели: Bryce Meredig, Kyle Michel и Greg Mulholland
Финансы: $7.6 миллионов от инвесторов, включая Innovation Endeavors, Prelude Ventures и Data Collective

Компания была организована на базе исследовательской группы при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, которая собирала базу данных термоэлектрических материалов.
В сентябре, Citrine заявила о успехе исследователей из UCSB и General Motors использовавших их програмное обеспечения для решения давних задач, препятствующих использованию алюминиевых сплавов в трехмерной печати.



Используя принципы ИИ и машинного обучения в облачном програмном обеспечении Citrine ускоряет и продвигает исследования материалов путем моделирования на основе собственных и общедоступных данных.

ECOVIA RENEWABLES

Новый подход к дизайну биопереработки
Запущен: 2014
Направление: Биопереработка
Технология: Модифицированные микроорганизмы
Основатели: Nina Lin и Jeremy Minty
Финансирование или известные партнеры: Гранты государственного агентства США на общую сумму более $ 1 млн, ангельские инвестиции и проект финансируемый AkzoNobel

Традиционные подходы биопереработки обычно включают несколько последовательных этапов. В отличие от этого, Ecovia предлагает более эффективный процесс, используя разные микроорганизмы одновременно для переработки в одну стадию. Такой подход Ecovia называет созданием синтетических микробных экосистем. По утверждению компании система EcoSynth Ecovia может сократить расходы на химическую продукцию почти на два порядка.



Использование бактериальных семейств для биопереработки в одну стадию.

EXSCIENTIA

Искусственный интеллект для удешевления и ускорения разработки и поиска лекарств
Запущен: 2014
Направление: Поиск и дизайн лекарственных препаратов
Технология: Алгоритмы ИИ для нахождения наилучших кандидатов на лекарства
Основатель: Andrew Hopkins
Финансирование или известные партнеры: Evotec, GSK, Sanofi, Sumitomo Dainippon Pharma и Sunovion

В Exscientia используются данные, полученные из многих источников, включая фармкомпанию-партнера, научную литературу и результаты собственного скрининга с использованием поверхностного плазмонного резонанса. Алгоритм обрабатывает данные, предлагая перспективные соединения. Затем, химики выбирают 20 соединений реалистичных для производства, которые фармкомпания-партнера Exscientia синтезирует и проверяет с помощью различных тестов. Результаты возвращаются в Exscientia, где на основании этих результатов повторно выбираются еще 20 соединений. Весь цикл занимает около двух недель (в других фармкомпаниях цикл может занимать два месяца).



Поиск лекарств в Exscientia начинается с обработки существующих данных, которые используются для разработки 20 соединений первого круга для синтеза и тестирования. Далее, результаты первого раунда обрабатываются в следующем раунде для последующего проектирования, синтеза и тестирования.

LIGHT POLYMERS

Лиотропные жидкие кристаллы в освещении и дисплеях
Запущен: 2013
Направление: Дисплеи и освещение
Технология: Лиотропные жидкие кристаллы для поляризаторов и наносуспензий
Основатель: Marc McConnaughey
Финансирование или известные партнеры: $29,3 млн. в виде венчурного финансирования, в том числе от Tokyo Electron, JSR и Tsingda International Venture Capital

Технология, используемая Light Polymers, была впервые разработана в СССР, когда в 1970-х годах были предприняты попытки создать собственное производство дисплеев. В конце 1990-х годов многие ученые, работавшие над жидкими кристаллами, образовали новые компании в этой области исследований. Евгений Морозов и Валерий Кузьмин, были частью оригинальной команды, работающей над этой технологией в России. После их первой разработки в лаборатории исследовательского центра в Москве, они переехали в Калифорнию, а затем присоединились к Light Polymers, которая была основана в 2013 году.

Их материалы идеально подходят для суспендирования частиц, таких как люминофоры светодиодов. Суспензирование используется для изготовления тонкой пленки, которая помогает преобразовывать синий свет в белый. В обычных светодиодах люминофоры суспендируют в силиконовом масле. Лиотропные жидкие кристаллы могут организовывать люминофоры более компактно и точно, чем силикон. В результате на 25% больше светоотдачи, меньше оптических и тепловых потерь. Что еще более важно, можно изменить пленку для излучение определенного спектра.

Еще одна цель для Light Polymers — поляризаторы для дисплеев. В настоящее время поляризационные пленки на ЖК-дисплеях изготовлены из окрашенного поливинилового спирта, который окрашивают и растягивают в органическом растворителе. Light Polymers хотят заменить этот дорогостоящий процесс, дешевым процессом на водной основе, что может серьезно изменить 10-миллиардную промышленность.



Light Polymers утверждают, что их лиотропные жидкокристаллические люминофорные пленки преобразуют синий свет в белый, более эффективно, чем силиконовые люминофорные пленки. Кроме того, они тоньше и используют меньше люминофора.

P2 SCIENCE

Безопасный озонолиз для промышленности
Запущен: 2011
Направление: Специализированное химическое производство
Технология: Проточный озонолиз
Основатели: Paul Anastas и Patrick Foley
Финансирование или известные партнеры: $9,6 млн. в виде финансирования серии B от фирм, которые включают BASF

В промышленности стараются избегать использования озонолиза из-за высокой реакционной способности озона и трудностей с масштабированием процесса.

Однако реакция озона с двойной связью является простым и эффективным способом получения важных дикислот, альдегидов и других продуктов окисления.

Традиционный процесс озонолиза предполагает барботирование смеси озона с воздухом через большой реактор в течение восьми часов. Реакция очень экзотермична и может приводить к нестабильным побочным продуктам.

В непрерывном процессе от P2 объем реагентов составляет всего одну тысячную часть обьема традиционного реактора и время реакции измеряется минутами, а не часами.



Чтобы сделать озонолиз безопасным для химического производства, в проточном реакторе от Р2, реагенты смешивают с озоном в тонкой слое, при прохождении через охлаждаемую трубку реактора. Этот процесс обещает быть более безопасным, так как совсем небольшая часть реактантов смешиваются в ходе поточного процесса.

RELAY THERAPEUTICS

Исследование движения белков для поиска лекарственных мишеней
Запущен: 2016
Направление:
Технология:
Основатели: Matthew Jacobson, Dorothee Kern, Mark Murcko и D. E. Shaw Research
Финансирование или известные партнеры: $29,3 млн. от Third Rock Ventures

Если бы мы могли видеть реальное поведение белков, как это происходит на самом деле, тогда можно было бы найти мишень для ранее недоступных заболеваний. Среди наиболее известных примеров неприступных целей — онкоген KRas, который, как известно, мутирует в большом числе онкологических заболеваний.

В Relay Therapeutics используются новейшие технологии для записи движения белков, которые, как они надеются, позволят им разработать исследовательскую платформу для комплексного лечения сложных онкологических заболеваний.



Ранее недоступные технологии позволили Relay записывать движение белков, открывая ранее недоступные точки для докинга низкомолекулярными молекулами.

SOLID POWER

Разработка твердых электролитов для более безопасных и высокоёмких батарей
Запущен: 2012
Направление: Аккумуляторы
Технология: Твердые электролиты на основе сульфидов
Основатели: Doug Campbell, Sehee Lee и Conrad Stoldt
Финансирование или известные партнеры: $29,3 млн.

Современные литий-ионные батареи обычно работают с литий-ионным катодом, графитовым анодом и жидким электролитом. Проблема в том, что жидкие электролиты могут воспламениться при нагреве. Более безопасное решение – то которое может также обеспечить большую плотность энергии – это переход на твердый электролит.

Исторически проблема с сульфидными электролитами была в хрупкости материала. Solid Power утверждает, что низкотемпературная обработка их электролита позволяет использовать полимерные связующие, которые уменьшают хрупкость. Solid Power также сообщает, что литий-сульфидные твердые электролиты могут производиться примерно по той же цене, что и жидкие электролиты. В испытаниях электролит от Solid Power надежно работает при температуре около 150 ° C — условиях, в которых жидкие электролиты могут загореться.



Solid Power использует твердые серные электролиты, которые более безопасны при более высоких температурах, чем легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. В отличие от аккумуляторов с жидкими электролитами, использующими аноды из углерода или графита, твердые электролиты могут также использоваться с литиевым анодом, значительно увеличивающим плотность энергии. Сочетание твердого электролита с литиевым анодом может обеспечить плотность мощности батарей Solid Power до 400-500 Вт/кг. Это более чем в два раза превышает плотность обычных жидко-электролитных ячеек, которые используют обычные графитовые аноды

TWO PORE GUYS

Портативный сенсор на основе нанопор с точностью лабораторного оборудования
Запущен: 2011
Направление: Диагностика
Технология: Обнаружение молекул с помощью нанопор
Основатели: William Dunbar, Dan Heller и Trevor Morin
Финансирование или известные партнеры: $31.5 млн. от Khosla Ventures и других

Технологии нанопор, как исследовательского инструмента уже около 20 лет. Такие компании как например, Oxford Nanopore Technologies и Illumina используют нанопоры для ДНК-сиквенса. Напротив, технология Two Pore Guys не предназначена для секвенирования ДНК (по крайней мере пока). Вместо этого она нацелена на получение электронных сигналов от молекул, таких как патогены или загрязнители окружающей среды.

В основе системы детектирования Two Pore Guys лежит тест-полоска с вытравленным микроканалом, ведущая к чипу из нитрида кремния с отверстием 25 — 125 нм. Комбинация слайд-плюс-чипа стоит около 50 центов при изготовлении в небольших объемах. Анализ происходит, когда пользователь помещает тест-полоску в устройство. Образец, помещенный на полоску, содержащую реагент, проходит через каналы к кристаллу, где электрический ток от считывателя протягивает молекулы через нанопору. В завершение, детектор передает сырые данные для интерпретации на смартфон или планшет.

С помощью привлеченных средств компания надеется передать переносное сенсорное устройство и одноразовые тест-полоски в руки разработчиков уже в следующем году. Разработчики будут использовать оборудование Two Pore Guys для создания быстрых и дешевых тестов на вирусы, таких как ВИЧ и Зика, пищевые патогены и различные загрязнители окружающей среды. Монсанто согласилась оценить их сенсорную систему для анализа биомолекул в агрокультурах, вредителей и патогенов.



Кровь, слюна или другой аналит распределяется на слайде, который потом помещают в детектор. Микрофлюидные каналы доставляют пробы в чип нанопоры из нитрида кремния. Заряд с детектора переносит молекулу через чип, записывает сигнал от молекул и отсылает его в вычислительное устройство на интерпретацию.


Update:
Поправил ошибки, спасибо old_bear и ThunderCat
Добавил ссылки.