Consequences, opportunities and challenges of

5 downloads 0 Views 2MB Size Report
Apr 20, 2006 - script. It has applications in the treatment of genetic disorders. 2.3 ..... problems associated with gene therapy, for example in the case of the death of Jesse ...... Most biotechnology applications in tree breeding are still in the ...
Consequences, opportunities and  challenges of modern biotechnology for  Europe (Bio4EU)  Task 1 – A preparatory study mapping modern  biotechnology applications and industrial sectors,  identifying data needs and developing indicators  FINAL REPORT  DELIVERABLE 3 

Version no. 4

This report has been produced by the following ETEPS AISBL project team: 

Thomas Reiss (PM), Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, Germany  Sibylle Gaisser, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, Germany  Bernhard Buehrlen, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, Germany  Christien Enzing, TNO Innovation Policy Group, Netherlands  Annelieke van der Giessen, TNO Innovation Policy Group, Netherlands  Anthony  Arundel,  Maastricht  Economic  Research  Institute  on  Innovation  and  Technology  (MERIT), Netherlands  Cati Bordoy, Maastricht Economic Research Institute on Innovation and Technology (MERIT),  Netherlands  Susan Cozzens, Georgia Tech Technology Policy Assessment Center (TPAC), USA  Pablo Catalán, Georgia Tech Technology Policy Assessment Center (TPAC), USA  Sonia Gatchair, Georgia Tech Technology Policy Assessment Center (TPAC), USA  Gonzalo Ordóñez, Georgia Tech Technology Policy Assessment Center (TPAC), USA

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 2 of 172 

Document Change Record  Issue 

Version 

Comments  Affected Pages 

Date 



Change  Release 

12/19/05 



1­171 

02/24/06 



13, 15, 20, 24, 36, 37, 43, 68 76, 79, 89,  107 

03/07/06 



1­172 

04/20/06 

Distribution  Organisation 

Number of Documents

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 3 of 172 

Table of Contents  List of figures ..................................................................................................................... 5  List of tables ...................................................................................................................... 6 

Executive summary .......................................................................................8  I. Introduction ...............................................................................................10  II. Results ......................................................................................................12  1.  Introduction (see section I)........................................................................................... 12  2.  Key biotechnologies .................................................................................................... 12  3.  Biotechnology applications .......................................................................................... 18  4.  Concept for elaborating indicators................................................................................ 43  5.  Input statistics and indicators....................................................................................... 48  6.  Medical and pharmaceutical applications: application­specific output and impact  indicators..................................................................................................................... 61  7.  Agro­food: application­specific output and impact indicators......................................... 79  8.  Industrial manufacturing, energy, environment: application­specific output and impact  indicators..................................................................................................................... 91  9.  Generic impact indicators .......................................................................................... 123 

III. Conclusions .......................................................................................... 129  IV. Annexes................................................................................................. 132

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 4 of 172 

List of figures  Figure 3.1:  The Industrial Biotechnology Production Chain ............................................... 37  Figure 4.1:  Conceptual framework for biotechnology indicators......................................... 43

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 5 of 172 

List of tables  Table 2.1:  Table 2.2:  Table 3.1:  Table 3.2:  Table 4.1:  Table 5.1:  Table 5.2:  Table 5.3:  Table 5.4:  Table 6.1:  Table 6.2:  Table 6.3:  Table 7.1:  Table 7.2:  Table 7.3:  Table 7.4:  Table 8.1:  Table 8.2:  Table 8.3:  Table 8.4:  Table 8.5:  Table 8.6:  Table 8.7:  Table 8.8:  Table 8.9:  Table 8.10:  Table 8.11:  Table 8.12:  Table 8.13:  Table 8.14:  Table 8.15:  Table 9.1:  Table 9.2:  Table A.6.1:  Table A.6.2:  Table A.7.1:  Table A.7.2:  Table A.8.1.1:  Table A.8.1.2:  Table A.8.1.3:  Table A.8.2.1:  Table A.8.2.2:  Table A.8.2.3:  Table A.8.3.1:  Table A.8.3.2:  Table A.8.3.3:  Table A.8.4.1:  Table A.8.4.2: 

List­based definition of modern biotechnology.............................................. 12  Web­based information sources for description of key biotechnologies......... 12  Overview of use of key technologies in research and production in the three  sectors ........................................................................................................ 18  Selected examples of biopharmaceuticals for low incidence diseases in the  US and European Markets........................................................................... 21  Typology of biotechnology indicators with examples..................................... 44  Business sector input indicators from government surveys (consulting firms  when no official data)................................................................................... 51  Public sector input indicators ....................................................................... 53  Availability of business sector input indicators by application field. ............... 55  Value of input indicators for assessing investments in biotechnology and  future potential outputs ................................................................................ 57  Output indicators for medical and pharmaceutical applications of biotechnol­  ogy .............................................................................................................. 63  Key indicators and methods for data collection for a study in the medical and  pharmaceutical sector.................................................................................. 71  Phenomena and indicators that characterize the impact of biotechnology on  the medical and pharmaceutical sector ........................................................ 74  Classification system for field trial traits........................................................ 81  Output indicators for agro­food biotechnology/GM........................................ 83  Key missing data for agro­food outputs........................................................ 85  Impact indicators for agro­food biotechnology .............................................. 88  Output phenomena and indicators for biotechnology in the chemical sector . 93  Output phenomena and indicators for biopolymers....................................... 96  Output phenomena and indicators for enzymes in downstream sectors........ 98  Output phenomena and indicators for biofuels ........................................... 101  Output phenomena and indicators for bioremediation................................. 104  Recommended output indicators for biotechnology in the chemical sector.. 107  Recommended output indicators for biopolymers....................................... 108  Recommended output indicators for enzymes in downstream sectors ........ 108  Recommended output indicators for biofuels.............................................. 109  Recommended output indicators for bioremediation................................... 110  Impact phenomena and indicators for biotechnology in the chemical sector 112  Impact phenomena and indicators for biopolymers..................................... 115  Impact phenomena and indicators for enzymes in the downstream sectors 118  Impact phenomena and indicators for biofuels ........................................... 121  Impact phenomena and indicators for bioremediation................................. 123  Statistics for biotechnology turnover........................................................... 124  Generic impact indicators .......................................................................... 126  Data availability ......................................................................................... 133  Sources for output indicators ..................................................................... 138  Data availability ......................................................................................... 141  Sources for agro­food indicators ................................................................ 142  Data characteristics chemicals................................................................... 144  Data availability of sources for chemicals (excl polymers) .......................... 148  Source Key Chemicals............................................................................... 150  Data characteristics biopolymers ............................................................... 151  Data availability of sources for biopolymers................................................ 155  Source Key Biopolymers............................................................................ 156  Data characteristics enzymes in downstream industries............................. 157  Data availability of sources for enzymes in downstream industries: (food  and feed, textile and leather, pulp and paper, mining and others) ............... 159  Source key for enzymes in the downstream sector..................................... 160  Data characteristics biofuels ...................................................................... 161  Data availability of sources for biofuels ...................................................... 164

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 6 of 172 

Table A.8.4.3:  Table A.8.5.1:  Table A.8.5.2:  Table A.8.5.3:  Table A.9.1:  Table A.9.2: 

Source Key for Biofuels ............................................................................. 165  Data characteristics bioremediation ........................................................... 166  Data availability of sources for bioremediation............................................ 168  Source Key for Bioremediation................................................................... 169  Data availability ......................................................................................... 171  Sources for generic impact indicators......................................................... 172

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 7 of 172 

Executive summary  In  response  to  a  request  from  the  European  Parliament,  the  European  Commission,  and  in  particular  its  Joint  Research  Centre  initiated  a  study  aiming  at  providing  a  comprehensive  assessment  of  the  economic,  social  and  environmental  consequences,  opportunities,  and  challenges from the application of modern biotechnology in Europe. This assessment should  keep  in  mind  major  European  policy  goals:  to  become  the  most  competitive  and  dynamic  knowledge­based  economy in the  world, capable  of  sustainable  economic  growth  with more  and  better  jobs  and  greater  social  cohesion  and  respect  for  the  environment.  The  present  Task 1 prepares the ground for a number of empirical analyses within the Bio4EU study by  1)  elaborating a comprehensive picture of relevant existing modern biotechnologies,  2)  identifying and describing existing biotechnology applications,  3)  identifying  appropriate indicators  to  enable  an  analysis  of  biotechnology  applications  and  their consequences, and  4)  identifying and evaluating required data and sources.  A  precondition  for  this  assessment  is  a  suitable  definition  of  modern  biotechnology.  We  recommend using the latest OECD definition from 2005 which defines biotechnology as “the  application  of  science  and  technology  to  living  organisms  as  well  as  parts,  products  and  models thereof, to alter living or non­living materials for the production of knowledge, goods  and  services”.  A  combination  with  a  list­based  definition  ensures  that  traditional  biotechnologies  are  excluded.  Using  the  OECD  definition  will  improve  international  comparability,  since  this  definition  is  the  most  widely  used  in  government  biotechnology  surveys and has resulted in several useful statistics.  The  analysis  of  applications  of  modern  biotechnology  in  various  industry  and  service  sectors shows that the main application areas of modern biotechnology can be classified into  three groups: medical and pharmaceutical applications, biotechnology applications in primary  production  and  the  agro­food  sector,  and  biotechnology  in  industrial  manufacturing,  energy  and environment.  For elaborating indicators and identifying data needs a conceptual approach was developed  which  differentiates  between  three  main  categories.  Firstly,  we  use  input  indicators  which  describe capabilities and capacities in biotechnology. Secondly, we use output indicators that  evaluate  the  extent  of  the  adoption  of  biotechnology  within  the  different  application  sectors.  Thirdly, impact indicators are proposed which assess the economic, social and environmental  impacts of modern biotechnology applications.  The  most  important  input  indicators  are  of  a  generic  nature  and  not  disaggregated  by  applications.  Key  input  indicators  are  based  on  private  and  public  R&D  expenditures,  the  number  of  employees,  patent  data  and  bibliometric  data.  The  main  sources  for  input  indicators  comprise  business  sector  statistics  from  official  surveys  or  reports,  public  sector  statistics from official surveys or reports, database  statistics such as publications and patent  databases, and consulting firm statistics.  Data availability is almost inversely proportional to the value of the input indicator. Availability  is  greatest  for  basic firm  counts,  which  is  a  highly misleading  indicator,  and  lowest  for  R&D  investment and employment by field of applications,  which would be  among the most useful  indicators.  Output  indicators  are  both  sector­specific  to  application  areas  in  terms  of  sector­specific  products  or  processes  to  be  measured  and  generic,  as  many  of  the  phenomena  to  be  measured  in  the  different  application  areas  are  identical,  such  as  building  up  biotechnology  know­how  in  the  sector,  product  approval,  producing biotechnology­based  products,  gaining Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 8 of 172 

market  shares  for  biotechnology  products,  or  replacing  established  processes  by  bioprocesses.  Sector­specific  output  indicators  for  pharmaceutical  and  medical  applications  include  indicators for the early developmental stages, such as the share of clinical studies with novel  bio­based approaches, the number of patents and  publications, the specific legal framework  conditions,  such  as  the  reimbursement  situation,  information  to  the  public  about  bio­  procedures,  and  finally  the  adoption  of  biotechnology  processes  for  small  molecules.  For  agro­food  applications,  the  most  important  available  indicators  are  based  on  the  number  of  GM  field  trials  and  GM  acreage,  but  there  is  a  need  for  new  indicators  for  the  use  of  biotechnology­based techniques,  such as Marker Assisted Selection, for the development of  non­GM  plant  and  animal  varieties  and  for  the  use  of  diagnostics  and  other  veterinary  applications.  In  industrial  applications  new  production  processes  via  biotechnology  form  the  basis for typical indicators.  Data availability and data quality are very heterogeneous in the different application areas. In  the  case  of  pharmaceutical  and  medical  applications,  we  find  reasonable  data  sources  for  only some of the key indicators. For GM crops we observe a nearly complete coverage of all  countries  and  all  indicators,  other  agro­food  applications  are  characterised  by  poor  data  availability. In industrial biotechnology data availability and data quality are rather poor.  Important  generic  impact  indicators  include  the  number  of  employees,  sales  or  turnover  from  biotechnology  products,  value­added  from  biotechnology  products,  and  the  financial  costs or benefits from the use of biotechnology processes.  Application­specific  indicators  for  the  medical  and  pharmaceutical  field  are  morbidity,  surrogate  endpoints,  mortality  and  composite  indicators  such  as  the  cost­benefit  ratio  of  treatments. Indicators for agro­food applications include environmental effects such as carbon  gas savings, nutrient efficiency, effects on soil erosion and pesticide use, and societal effects.  Relevant  indicators  for industrial  applications  of  biotechnology  include  environmental  effects  such  as  the  ecological  foot­print,  energy  saving,  changes  in  greenhouse  gas  emissions,  savings of toxic chemicals, savings of water, and effects on land use.  In  general,  for  most  impact  indicators,  data  availability  and  data  quality  are  low.  In  many  cases we find only case­specific data.  In summary, a number of good indicators for all three application fields and also for the input  and impact side of the use of biotechnology has been identified. However, for a considerable  number  of indicators,  the  available  data  (mainly  based  on  different types  of  statistics)  is  not  sufficient.  Therefore,  we  recommend  not  restricting  data  gathering  during  the  following  empirical  studies  to  the  analysis  of  available  statistical  and  survey  materials.  Rather,  additional methodological approaches are required. In particular we suggest: · Including  specific  questions  on  R&D  expenditure  and  employees  in  European  company  surveys, · Conducting  case  studies,  such  as  life  cycle  analyses  in  the  case  of  industrial  biotechnology  or  cost­benefit­analyses  in  the  case  of  biotechnology­based  medical  treatments, · Including patent and bibliometric analyses in all planned sector studies in order to provide  highly comparable indicators about biotechnology capabilities and capacities.  In conclusion, this study shows the feasibility of carrying out a quantitative assessment of the  use  and  impact  of  modern  biotechnology.  Implementing  our  recommendations  should  contribute  to  an  improved  evaluation  of  the  consequences,  opportunities  and  challenges  of  modern biotechnology for Europe.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 9 of 172 

I. Introduction  st 

Modern biotechnology is one of the key enabling technologies of the 21  century, with a po­  tentially wide range of applications in health care, agriculture and industrial processes. How­  ever,  recent  analyses  suggest  that  the  actual  adoption  of  modern  biotechnology  by  various  European  industry  sectors  could  be  lower  than  anticipated.  In  general,  data  on  the  actual  uptake of modern biotechnology by various sectors and its socio­economic consequences in  Europe  are  still  scarce.  Against  this  background,  the  European  Parliament  requested  the  Commission  in late  2004  to  carry  out  an  assessment of  the  opportunities  and  challenges  of  modern biotechnology applications in Europe. This assessment will be carried out in the con­  text  of  the  study  "Consequences,  opportunities  and  challenges  of modern  biotechnology for  Europe“, under the responsibility of the JRC­IPTS.  The objective of the study is to provide a comprehensive assessment of the economic, social  and  environmental  consequences,  opportunities  and  challenges  of  applications  of  modern  biotechnology in Europe, while keeping in mind major European policy goals: to become the  most competitive and dynamic knowledge­based economy in the world capable of sustainable  economic  growth  with more  and  better jobs and  greater  social  cohesion  and  respect for  the  environment.  The study includes a  number of tasks. Task  1 provides a comprehensive picture of relevant  existing  modern  biotechnologies,  the  identification  and  description  of  biotechnology  applications  (work  package  1),  the  identification  of  appropriate  indicators  to  enable  an  analysis  of  biotechnology  applications  and  their  consequences  (work  package  2),  and  the  identification  and  evaluation  of  available  sources  of  required  data  to  prepare  the  ground  for  searches,  surveys  and  interviews  in  different  biotechnology  application  sectors  (work  package 3).  Task 1 is the preparatory study for a number of following empirical analyses which comprise  the  core  data  gathering  and  evaluation  exercise  of  the  study.  These  empirical  analyses  will  focus on biotechnology application in human and animal health; agriculture, fisheries and food  and food production; industrial processes, energy and environment.  This report presents the results of Task 1. It is organised in the following way:  Chapter 2  defines  the  key  technologies  that  are  the  basic  tools  in  modern  biotechnology  research  and  production  in  one  or  more  application  fields.  The  selection  of  these  key  biotechnologies  has  been  made  on  the  basis  of  the  OECD  list­based  definition  of  biotechnology (OECD 2005 1 ).  Chapter 3  describes  the  main  applications  of  modern  biotechnology  in  the  three  sectors  planned  for  the  empirical  analyses:  applications  of  biotechnology  in  the  medical  and  pharmaceutical  sector,  biotechnology  applications  in  primary  production  and  the  agro­food  sector and biotechnology applications in industrial manufacturing, energy and environment.  Chapter 4  describes  the  conceptual  framework  which  was  used  during  Task 1  for  the  elaboration and assessment of indicators. In chapter 5 general input indicators are presented  which illustrate the capabilities of a national system in biotechnology.  Chapters 6, 7 and 8 elaborate on output indicators that are used for evaluating the adoption of  biotechnology within the three sectors under consideration and on application­specific impact  indicators  for  assessing  the  economic,  social  and  environmental  impacts  of  modern  biotechnology  applications.  These  sector­oriented  chapters  are  organised  in  the  following  way:  In  the  first  section output  indicators  are  described.  The  elaboration  starts  with  a  1 

OECD (2005) Biotechnology Statistical Framework, Paris.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 10 of 172 

description  of  the  phenomena  in  the  adoption  process  which  should  be  measured  by  suitable indicators.  Indicators  are  presented  and  the  required  data  assessed  in  terms  of  availability  and  quality.  Additional  information  on  these  indicators  in  particular  on  their  availability  by  country  are  summarised  in  a  number  of  tables  in  the  annex.  Finally,  recommendations for the empirical sector studies in terms of indicators, sources and methods  are  given.  The  second  part  of  these  chapters  discusses  impact  indicators  which  are  sector  specific.  In chapter 9 general impact indicators which are not sector specific are presented. Chapter 10  summarises  the  results  of  the  study  and  presents  conclusions  for  the  carrying  out  of  the  empirical analyses.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 11 of 172 

II. Results  1.  Introduction (see section I)  2.  Key biotechnologies  2.1 

Introduction 

Biotechnology  can  be  defined  as  ‘the  application  of  science  and  technology  to  living  organisms, as well as parts, products and models thereof, to alter living or non­living materials  for the production of knowledge, goods and services’ (OECD 2005 2 ). This definition includes  traditional biotechnology processes that have been used for a very long time in the food and  drinks industry as well as modern biotechnological processes. The focus of the project is on  modern  biotechnology,  although  in  some  cases  modern  biotechnology  combines  DNA,  protein  or  cell­based  technologies  with  traditional  processes,  such  as  fermentation  and  cell  culture.  Table 2.1: 

List­based definition of modern biotechnology 

Nucleic acid  (DNA/RNA)­related  technologies Protein­related  technologies

Metabolite­related  technologies Cellular­/  subcellular­related  technologies

Supporting tools

· · · · · · · · · · · · · · · ·

High­throughput sequencing of genome, gene, DNA DNA synthesis and amplification Genetic engineering Anti­sense technology  High throughput protein/peptide identification, quantification and  sequencing Protein/peptide synthesis Protein engineering and biocatalysis  High throughput metabolite identification and quantification Metabolic pathway engineering  Cell hybridisation/fusion Tissue engineering Embryo technology Stem cell­related technologies Gene delivery Fermentation and downstream processing  Bioinformatics 

Table 2.1 provides a list­based definition of the key technologies used in modern biotechnol­  ogy  research  and  production.  The list includes  four  general  categories for  nucleic  acid,  pro­  tein, metabolite, and cell­related technologies, plus a fifth category for supporting tools. Some  of these tools include a number of technologies.  The description of the key technologies has been made using a number of sources. Several  websites that provide extensive descriptions of biotechnology are given in table 2.2. 

Table 2.2: 



Web­based information sources for description of key biotechnologies 

OECD (2005) Biotechnology Statistical Framework, Paris.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 12 of 172 

http://biotechterm.org/sourcebook/index.phtml  http://www.fao.org/biotech/index_glossary.asp?lang­en  http://www.biologydaily.com/biology/  http://biotech.icmb.utexas.edu/search/dict­search.html  http://filebox.vt.edu/cals/cses/chagedor/glossary.html 

2.2 

Nucleic acid (DNA/RNA)­related technologies 

High­throughput genome, gene and DNA sequencing  DNA,  RNA,  gene  or  genome  sequencing  is  a  process  for  determining  the  nucleotide  se­  quence of a DNA or RNA fragment, a gene or the whole genome. The genome comprises the  whole  hereditary  information  of  an  organism  encoded  in  the  DNA,  including  both  the  genes  and  the  non­coding  sequences.  The  genes  are  specific  regions  of  genomic  sequence  that  correspond to a unit of inheritance for a specific trait, disease  or condition. Messenger RNA  (mRNA) encodes and carries information from DNA to sites of protein synthesis. Genomics is  the study of an organism's genome and the information contained in it. The rate at which ge­  nomes  have  been  sequenced  has  increased  enormously  since  1995  when  traditional  DNA  sequencing  techniques  were  increasingly  replaced  by  high­throughput  versions.  Transcrip­  tomics  is  the  study  of  the  expression  level  of  genes  as  measured  in  the  set  of  all  mRNA  molecules in one or a population of biological cells for a given set of environmental conditions.  DNA  sequencing  serves  three  main  research  strategies:  the  identification  of  genome  struc­  tures (genomics mapping), the comparative analysis of gene sequences in order to find simi­  lar sequences, and the prediction of protein structures.  The most widely used method for sequencing uses fluorescent ‘tag’ molecules attached to the  DNA fragments, followed  by  spectrophotometry to identify  the respective  DNA fragments  by  their differing ‘tags’ (which fluoresce at different wavelengths). This method can be automated  and  is  applied  in micro­arrays.  Micro­arrays  are  one  of the main technologies  used  in  high  throughput whole genome sequencing. The major advantage of micro­arrays is the extent to  which the process of genotyping can be automated to sequence and analyse large amounts  of  DNA  fragments  of  the  whole  genome.  Micro­arrays  are  also  used  to  analyse  patterns  of  gene expression and the presence of biomarkers. To manufacture a DNA micro­array, cellular  mRNA  is  used  to  make  segments  of  complementary  DNA  (cDNA,  with  length  of  500­5,000  base pairs), using the reverse transcriptase polymerase chain reaction (see DNA synthesis).  The cDNA segments attached to a nylon or glass surface at known spots, hybridize to sample  DNA.  DNA synthesis and amplification  DNA  synthesis  is  the  reproduction  of  a  known  sequence  of  nucleotides  into  genes  or  gene  fragments  for  use  in  research,  but  also  in  the  security  sector.  The  synthesis  is  carried  out  through the PCR technique (Polymerase Chain Reaction). First the DNA (a double helix) that  has to be copied (i. e. synthesized) is split into two separate DNA strands. After a primer has  been attached to each of the strands, a complementary strand to each of the strands is made  by  the  so­called  DNA  Polymerase.  This  results  in  two  new  double  helical  DNA  molecules,  each  of  which  has  one  strand  from the  original  DNA molecule  and  one  that  was  newly  syn­  thesized. DNA amplification is a specific DNA synthesis process; it deals with the duplication  of DNA sequences. DNA amplification is needed to detect very small amounts of DNA.  Genetic fingerprinting or genotyping is the use of specific techniques for the identification  of individuals and for distinguishing between individuals of the same species using only sam­  ples of their DNA. As each individual has its own specific DNA profile, this is an ultimate iden­  tification  tool.  It  is  used  in  plant  and  animal  breeding,  but  also  in  forensic  research.  PCR  is  one of the main technologies to produce fingerprints. In this context marker assisted selection  (MAS)  is  to  be  mentioned.  The  idea  behind  marker  assisted  selection  is  that  there  may  be  genes with significant effects that may be targeted specifically in selection. Specific genes can  be detected by genome mapping. Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 13 of 172 

Genetic engineering  Genetic  engineering  is  modifying  the  genotype,  and  hence  the  phenotype,  by  transgenesis.  Transgenesis is the introduction of a gene or genes into animal or plant cells or into microor­  ganisms, which leads to the transmission of the input gene (transgene) to successive genera­  tions. Transgenesis can be performed by several techniques, such as injection and the ‘shot­  gun’ method. The aim is to introduce new characteristics to an organism in order to increase  its  usefulness.  The  genetically  modified  organism  can  produce  endogenous  proteins  with  properties  that  differ from the  original  protein  or  produce  entirely  different  (foreign)  proteins.  Transgenesis also can include replacing a single functional gene by a non­functional form of  the gene, in order to knockout specific functions of the organism. Other terms for genetic en­  gineering are gene splicing, gene/genetic manipulation or modification, or recombinant  DNA technology.  Anti­sense technology  Anti­sense technology is the blocking of the transcription of a DNA using anti­sense mRNA.  During  transcription,  the  double  stranded  DNA  produces  mRNA  from  the  sense  strand;  the  other,  complementary,  strand  of  DNA  is  termed  anti­sense.  Anti­sense  mRNA  is  a  RNA­  strand complementary in sequence to the mRNA. The presence of an anti­sense mRNA can  inhibit gene expression  by base­pairing with the specific mRNAs. This technology is used to  study  gene  function:  by  switching  off the  studied  gene  by  adding  its  anti­sense  mRNA  tran­  script. It has applications in the treatment of genetic disorders.  2.3 

Protein/peptide­related technologies 

High­throughput identification, quantification and sequencing  There  are  a  number  of technologies that play an important role in the study  of the structure  and  function  of  proteins  (proteomics).  They  include  two­dimensional  gel  electrophoresis,  mass spectroscopy and nuclear magnetic resonance. These methods are part of the standard  set  of  analytical  research  tools  and  are  continuously being  up­graded  and  turned  into faster  (medium/high) throughput versions.  Gel­electrophoresis  (GE)  techniques  are  used  to  separate,  identify  and  quantify  levels  of  proteins  and  peptides  in  a mixture.  Proteins  consist  of  one  or more  peptides.  Both  peptides  and  proteins  consist  of  amino  acids  linked  by  peptide  bonds,  but  proteins  are  much  longer  (consisting of more amino acids) than peptides. In 2­dimensional GE the technique separates  the  proteins  in  two  steps,  according  to  two  dimensions:  isoelectic  points  through  isoelectric  focusing  (IEF)  and mass  through  sodium  dodecyl  sulfate­polyacrylamide  gel  electrophoresis  (SDS­PAGE). The separated proteins can be detected by a variety of means; the most com­  mon is silver staining.  Mass spectroscopy (MS) is used to identify proteins or other macromolecules through their  molecular  weights  (mass)  and  to  sequence  protein  molecules  (composition  and  order  of  amino  acids).  For  the  identification  of  proteins,  the  protein  molecules  are  first  separated,  mostly  through  gel  electrophoresis  followed  by  alkylation  and  break­down  in  specifically­  known  ways  via  enzymes  into  peptides.  Separation  on  the  basis  of  their  mass/charge  ratio  can  be  done  by  several  techniques,  including  time­of­flight mass  spectrometry,  electrostatic  quadrupole, confronting it with a magnetic field, or by using FT­MS (Fourier Transform – mass  spectrometry).  When  passed  through  the  mass  spectrometer,  the  ionised  peptides  (and  by  derivation, the initial proteins) are identified by comparing their mass­charge spectra to those  within a database of known proteins. The peptides need to be counted, done by letting them  bump against a target, resulting in a number of electrons.  The nuclear magnetic resonance (NMR) technique is used to characterize the three­dimen­  sional  structure  of  proteins,  peptides  and  other  macromolecules.  NMR  is  a  physical  phe­  nomenon based upon the magnetic property of an atom’s nucleus. NMR studies a magnetic  nucleus by  aligning it with an external magnetic field and perturbing this alignment using an Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 14 of 172 

electromagnetic  field.  NMR  spectrometry  is  the  only  technique  that  can  provide  detailed  in­  formation on the exact three­dimensional structure of biological molecules in solution.  Protein/peptide synthesis  Protein or peptide synthesis is the chemical construction of a known protein or peptide mole­  cule. The basic methodology is solid phase synthesis. In this method molecules are bound to  a bead and synthesized step­by­step in a reactant solution. The constituent amino acids are  repetitively coupled to a growing polypeptide backbone which itself is attached to a polymeric  support (substrate). This procedure has  been automated, so it is now possible to make pro­  teins via automated synthesizers.  Protein engineering and bio­catalysis  Protein  engineering  is  the  selective,  deliberate  design  and  synthesis  of  proteins  in  order  to  alter specific functions, mostly applied for enzymes in industrial production processes but also  in  bioremediation.  The  use  of  enzymes  as  catalysts  to  perform  transformations  on  organic  compounds is called biocatalysis. Enzymes can be used in isolated form, or inside living cell­  lines or microorganisms (bacteria, fungi, yeasts). There are two general strategies for protein  engineering: 1) rational design: using the detailed knowledge of the structure and function of  the  protein  to  make  desired  changes  and  2)  directed  evolution.  In  the  latter,  random  mutagenesis (such as DNA shuffling) is applied to a gene and a selection regime is used to  pick out variants that have the desired qualities. DNA shuffling involves taking a set of closely  related  DNA  sequences,  fragmenting  them  randomly,  and  reassembling  the  fragments  into  genes. This process rapidly produces a combination of positive – i. e. desired – mutations as  the  output  of  one  cycle  becomes  the  input  for the  next  cycle.  This  reiterative  DNA  shuffling  leads to effective directed evolution and can be applied to evolve any protein rapidly, even if  the structure or the catalytic mechanism is unknown.  2.4 

Metabolite­related technologies 

Metabolites  are  molecules  that  are the  intermediates and  products  of metabolism. They  are  the  end  product  of the  gene  expression  process  and  are  involved  in  the  normal  growth,  de­  velopment, and reproduction of living organisms. Cell metabolites are also active moieties of  antibiotics,  therapeutic  drugs,  and  pigments.  The  metabolome  is  the  complete  set  of  small­  molecule metabolites (such as metabolic intermediates, hormones and other signalling mole­  cules, and secondary metabolites) present in an organism and which are formed by metabolic  pathway reactions.  High­throughput technologies for identification, quantification and analysis  A  number  of  technologies  that  are  used  in  protein  identification  and  quantification  are  also  applied to metabolites. MS and NMR are the two leading technologies for metabolomics. MS  is  used  to  identify  and  to  quantify  metabolites  after  separation  (the  mostly  commonly  used  separation  technology  is  gas  chromatography  in  combination  with  MS).  These  technologies  are presented in the previous section.  Metabolic pathway engineering  Metabolic pathway engineering includes the modification of endogenous metabolic pathways  of  microorganisms  and  the  introduction  of  metabolic  pathways  into  new  host  organisms.  In  addition,  metabolic  engineering  also  deals  with  the  up­regulation  of  the  production  of  mole­  cules. It is one of the most important tools in the industrial biotechnology. The metabolism of  microorganisms  is  engineered  in  order  to improve  their  suitability for  biotechnical  processes  and  for  efficient  production  of many  sorts  of  chemical  compounds.  Metabolic  pathway  engi­  neering  encompasses  a  combination  of  technologies,  including  technologies  used  in  ge­  nomics and proteomics studies, genetic engineering, etc.  2.5 

Cellular and sub­cellular level­related technologies Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 15 of 172 

Cell hybridisation/fusion  Basically, cell fusion combines the cell contents of two or more cells in a single cell. Two cells  of different species origin can be fused in vitro into a single hybrid cell. The donor nuclei can  remain  separate  or  fuse,  but  during  subsequent  cell  divisions  a  single  spindle  is  formed  so  that  each  daughter  cell  has  a  single  nucleus  containing  complete  or  partial  sets  of  chromo­  somes from each parental line.  The  hybridoma  technique  is  the  use  of  cell fusion  techniques  for  the  production  of mono­  clonal  antibodies.  The  technique  involves  the fusion  of  plasma  cells  of  a  B  lymphocyte  with  myeloma  cancer  cells.  The  former  secretes  a  single  antibody,  while  the  latter  confers  the  property of growing indefinitely in tissue culture. The fusion product of myeloma cancer cells  and  the  plasma  cells,  a  synthetic  hybrid  cell,  is  called  hybridoma.  The  hybridoma  produces  the monoclonal antibodies that react on a single antigenic determinant of an antigen.  Monoclonal antibodies are often used in immunoassays as they usually bind to only one site  of a particular molecule. An immunoassay is a biochemical test that measures the level of a  substance  in  a  biological  liquid  using  the  reaction  of  an  antibody  to  its  antigen.  The  assay  takes  advantage  of  the  specific  binding  of  an  antibody  to its  antigen.  Monoclonal  antibodies  provide a specific and accurate biochemical test. Both the presence of antigen or antibodies  can be measured.  Cell and tissue culture and engineering  Cell culture technologies, the in­vitro growth of cells isolated from multi­cellular organisms,  are mainstream technologies. These techniques are very different for plant cell cultures and  for  animal  and  human  cell  cultures.  Micro­propagation is  a  specific  example  of the  in  vitro  growth and/or regeneration of plant material under controlled conditions. Tissue engineering  refers to more advanced culture technologies used to induce specific animal of human cells to  grow  and  form  entire  tissues  that  can  be  implanted  in  the  human  body,  or  to  induce  extant  cells within the body to grow and from desired tissues via precise injection of relevant com­  pounds  (e. g.  growth factors  or  growth  hormones).  Tissue  engineering  involves  the  use  of  a  combination of cells, engineering materials and biochemical factors to develop biological sub­  stitutes  that  restore,  maintain  or  improve  tissue  function.  Cells  are  generally  implanted  or  seeded  into  an  artificial  structure  capable  of  supporting  three­dimensional  tissue  formation,  also called scaffolds. Cells can come from the same body as that to which they will be re­im­  planted, from another body, or even from other species.  Embryo technology  Embryo technology can consist of simply removing an embryo from a human or animal donor  and immediately transferring it to a surrogate mother or it can be more complicated, involving  microsurgery  on  the  embryo  and  maintaining  the  embryo  in  special  culture  systems  before  transferring the embryo to the surrogate mother (including in­vivo and in­vitro embryo produc­  tion). Embryo technologies that already are in use or being adapted to livestock include em­  bryo  transfer  (animal  embryos  are  transferred  to  recipients  via  artificial  inembryonation),  embryo  splitting  (the  splitting  of  young  embryos  into  several  sections,  each  of  which  de­  velops into an animal that is genetically identical to the others) and cloning. Embryo technol­  ogy may also include a number of ancillary technologies such as in vitro fertilization, artificial  insemination, hormonal manipulation, semen and embryo sexing etc.  Cloning is the process of creating an identical genetic copy of the original organism through  asexual processes that do not involve the interchange or combination of genetic material. As  a  result,  members  of  a  clone  have  identical  genetic  compositions.  A  technique  to  clone  an  organism is somatic cell nuclear transfer. In this method, the nucleus is removed from an  egg  cell  (oocyte)  and  replaced  with  a  nucleus  extracted  from  another  conventional  somatic  cell (a cell other than a sperm or egg cell) of the organism to be cloned. The technique is also  used to produce embryonic stem cells. In this case, the new egg is stimulated to start dividing  and  the  embryonic  stem  cells  are  harvested  as  soon  as  the  dividing  cells  have  formed  a  blastocyst.  Embryo  technologies  involving  the  targeted  embryo  stem  cells  can  also  be  em­ Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 16 of 172 

ployed  to  generate  chimeric  animals  (animals  whose  cells  are  not  all  genetically  identical,  through somatic mutation, grafting or because the individual is derived from two or more em­  bryos or zygotes), which are then used to generate the knockout animals, used mainly in re­  search.  Apomixis is related to cloning only applied in plants. It is biological reproduction without fer­  tilization, with the result that the plant seeds are genetically identical to the parent plant.  Stem cells­related technologies  Stem cells are undifferentiated somatic cells that can grow into different cells or tissues of the  body.  Stem  cells  differentiate  either  in  daughter  stem  cells  or  in  any  specialized  cell  type  given the appropriate signals. This ability allows them to act as a ´repair system´. This matu­  ration  process  is  stimulated  and  controlled  by  stem  cell  growth  factor  (SCF),  granulocyte  colony stimulating factor (G­CSF), and by granulocyte­macrophage colony  stimulating factor  (GM­CSF).  Basically,  cell  isolation  and  cell  cultivation  techniques  are  used,  however  they  need  to  be  adapted  to  specific  requirements  of  stem cells,  which is  at the moment  still very  much in the development stage. Stem cells can be totipotent, pluripotent, multipotent or uni­  potent,  indicating  their  degree  of  potency.  They  can  be  adult  or  embryonic,  indicating  their  source.  Gene delivery technologies  Gene delivery is the insertion of genes into selected cells of an organism. Vectors are small  DNA molecules (plasmid, virus, bacteriophage, artificial or cut DNA molecule) that are used to  deliver the DNA into a cell. Vectors must be capable of being replicated and contain cloning  sites  for  the  introduction  of foreign  DNA. In  order  to  insert  the  genes,  several  gene  transfer  methods  can  be  used:  1)  non­viral  methods  for  instance  human  artificial  chromosomes)  2)  viral  vectors  (retroviral  vectors,  adenovirus,  adeno­associated  virus,  baculovirus  expression  vector).  Fermentation and downstream processing  Fermentation  originally  is  the  anaerobic  breakdown  of  complex  organic  substances,  espe­  cially  carbohydrates,  by  microorganisms,  yielding  energy.  Today,  the  term  fermentation  is  used  in  industry  to  describe  both  aerobic,  anaerobic  and  microaerofilic  culturing  of  defined  microorganisms. Sometimes the term is even extended to cover the culturing of mammalian  and  insect  cells.  In  a  bioreactor  or  fermenter,  a  biochemical  process  takes  place  which  in­  volves  organisms,  cells, cell  extracts  or  biochemically active  substances  (such  as  enzymes)  derived  from  such  organisms.  Bioreactors  are  commonly  cylindrical,  ranging  in  size  from  a  litre to several cubic metres, and are often made of stainless steel. A bioreactor can also refer  to  a  device  or  system  to  grow  cells  or  tissues  in  culture,  for  instance  in  tissue  engineering.  After  the  fermentation  process  is  completed,  a  large  quantity  of  a  dilute  mixture  of  sub­  stances, products and microorganisms is produced. These must be separated in a controlled  way,  and  the  product  concentrated,  purified  and  converted  into  a  useful  form.  This  is  the  downstream processing.  2.6 

Supporting tools 

Bioinformatics  Bioinformatics is the use of techniques from applied mathematics, informatics, statistics, and  computer  science  to  solve  biological  problems.  Bioinformatics  deals  with  the  generation/  creation, collection, storage (in databases), and efficient use of data and information from all  kinds  of  ‘omics’  and  combinatorial  chemistry  research.  Examples  of  the  data  that  are  ma­  nipulated and stored include gene sequences, biological activity or function, pharmacological  activity,  biological  structure,  molecular  structure,  protein­protein  interactions,  and  gene  ex­  pression  products,  amounts  and  timing.  Major  research  efforts in  the field include  sequence  alignment, gene finding, genome assembly, protein structure alignment, protein structure pre­  diction,  prediction  of  gene  expression  and  protein­protein  interactions,  and  the  modelling  of Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 17 of 172 

evolution.  The  terms  bioinformatics  and  computational  biology  are  often  used  interchange­  ably,  although  the  latter  typically  focuses  on  algorithm  development  and  specific  computa­  tional methods. 

3.  Biotechnology applications  3.1 

Introduction 

In  this  chapter a  description  is  given  of  the  main  applications  of  biotechnology  in  the  three  sectors planned for the empirical studies: medical/pharmaceutical sector, primary production  and agro­food sector and industrial manufacturing, energy and environment. The overview in  this chapter in terms of products is indicative. However, in terms of applications the descrip­  tion is comprehensive.  Table 3.1: 

Overview of use of key technologies in research and production in the three  sectors  MEDICAL/PHARMACEUTICAL SECTOR 

KEY TECHNOLOGIES 

Therapeutics 

Diagnostics 

Vaccines 

Nucleic acid (DNA/RNA)­related technologies  High­throughput sequencing of genome, gene, DNA  DNA synthesis and amplification  Genetic engineering  Anti­sense technology  Protein­related technologies  High throughput protein identification, quantification and  sequencing  Protein/peptide synthesis  Protein engineering and biocatalysis  Metabolite­related technologies  High throughput metabolite identification and  quantification  Metabolic pathway engineering  Cellular­/ sub­cellular­related technologies  Cell hybridisation/fusion  Cell and tissue culture and engineering  Embryo technology  Stem cell­related technologies  Gene delivery  Fermentation and downstream processing  Supporting tools  Bioinformatics  AGRO­FOOD SECTOR  Animal pro­  duction 

Crops and  forestry 

Molecular  pharming 

Animal pro­  duction 

Crops and  forestry 

Molecular  pharming 

Nucleic acid (DNA/RNA)­related technologies  High­throughput sequencing of genome, gene, DNA  DNA synthesis and amplification  Genetic engineering  Anti­sense technology 

Table 3.1 continued 

Protein­related technologies  High throughput protein identification, quantification and  sequencing  Protein/peptide synthesis  Protein engineering and biocatalysis Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 18 of 172 

Metabolite­related technologies  High throughput metabolite identification and  quantification  Metabolic pathway engineering  Cellular­/ sub­cellular­related technologies  Cell hybridisation/fusion  Cell and tissue culture and engineering  Embryo technology  Stem cell­related technologies  Gene delivery  Fermentation and downstream processing  Supporting tools  Bioinformatics  INDUSTRIAL MANUFACTURING, ENERGY AND ENVIRONMENT  Chemicals 

Biofuels 

Bioreme­  diation 

Nucleic acid (DNA/RNA)­related technologies  High­throughput sequencing of genome, gene, DNA  DNA synthesis and amplification  Genetic engineering  Anti­sense technology  Protein­related technologies  High throughput protein identification, quantification and  sequencing  Protein/peptide synthesis  Protein engineering and biocatalysis  Metabolite­related technologies  High throughput metabolite identification and  quantification  Metabolic pathway engineering  Cellular­/ sub­cellular­related technologies  Cell hybridisation/fusion  Cell and tissue culture and engineering  Embryo technology  Stem cell­related technologies  Gene delivery  Fermentation and downstream processing  Supporting tools  Bioinformatics 

Table 3.1  provides  an  overview  of  the  applications  of  the  key  technologies  presented  in  chapter 2 in the three sectors. The table shows that the use of key technologies differs very  much between sectors and even between sub­sectors within a sector. The table highlights the  multiple  uses  of  key  biotechnologies.  A  prerequisite  for  biotechnology  research  for  all  three  sectors  are  nucleic  acid­related  technologies,  protein­related  technologies  and  supporting  tools  in  the  field  of  bioinformatics;  all  the  corresponding  cells  are  shadowed.  Metabolite­re­  lated  technologies  and  cellular­related  technologies  are  used  only  for  specific  application  areas. The latter technologies are characterised by an earlier stage of development and thus  directly linked to a specific research area. Future impetus for the exploitation of biotechnology  could result from the wider integration of these novel technologies in existing processes. The  table also shows that some key technologies are less broadly applied, for instance fermenta­  tion  technologies  that  are  applied  in  some  sub­sectors  of  medical  applications  and  all  sub­  sectors of the sector Industrial manufacturing, energy and environment.  In  the  following  three  sections  the  application  of  these  key  technologies  and  other  –  more  sector­specific – biotechnologies in the three sectors will be presented in more detail.  3.2  3.2.1 

Applications of biotechnology in the medical and pharmaceutical sector  Introduction 

Biotechnology is increasingly playing a role in conventional drug discovery, both as a tool box  in  research  applications  and  as  a  means  for  the  production  of  biopharmaceuticals.  It  is Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 19 of 172 

opening up new possibilities to prevent, treat and cure hitherto incurable diseases using novel  methods of treatment and diagnosis. Biotech medicines such as antibodies and enzymes now  account  for  20 %  of  all  marketed  medicines  and  50 %  of  those  in  clinical  trials  (EuropaBio  3  2005  ). Many biotechnology applications in health are based on the results of sequencing the  human genome, leading to the identification of potential targets for both small and large mole­  cule therapeutics. The deeper understanding of the genetic prerequisite of humans and ani­  mals, systems approaches to diseases and advances in the development of diagnostics and  therapeutics  are  transforming  current  diagnostic  and  therapeutic  approaches  to  medicine.  Together with new technologies such as e­medicine, this will enable a predictive and preven­  tive medicine that will lead to personalized medicine (Hood et al. 2004 4 ; Bolsin et al. 2005 5 ).  Through genetic engineering, biotechnology can modify different living organisms – plant and  animal cells, bacteria, viruses  and yeasts ­ to produce medicines for human use (bio manu­  facturing). This aspect is further explained in section 3.2.  Biotechnology  has  applications  in  the  discovery  and  development  of  medicines,  vaccines,  diagnostics and emerging cell and gene therapies. All applications apply to the human sector,  the  veterinary  and  the  animal  companion  sector.  However,  some  approaches  are  predomi­  nantly  developed  for  human  applications,  as  costs  are  high  and  an  adequate  return  on  in­  vestment  is  only  expected  in  human  applications.  Animal  application  could  follow  succes­  sively.  Some  of  the  most  promising  applications  of  biotechnology  are  in  the  field  of  animal  health and production, especially in areas  such  as assisted reproduction, increased disease  resistance, nano­based diagnostic and ‘smart’ treatment delivery systems, improved vaccines  6  and refined diagnostic techniques (MacKenzie 2005  ).  3.2.2  Therapeutics for Humans  3.2.2.1  Drugs  Biotechnology offers different approaches for the development of new drugs: both in respect  to  the  origin  of  therapeutic  agents  and  in  respect  to  therapeutic  principles  (Avidor  et  al.  2003 7 ). An example of the former is the identification and exploitation of new active molecules  produced by marine microbiota, using improved microbial cultivation techniques and the ap­  plication  of  DNA­based  molecular  methods  (Zhang  et  al  2005 8 ).  Comparative  genomics  applications  such  as  the  comparison  of  the metabolic pathways  of  parasites  and  their  hosts  9  facilitate the identification of new drug targets (Chaudhary and Ross 2005  ). Such advances  in  metabolomics  (mapping  the  entire  metabolic  pathways)  are  bound  to  expedite  the  de­  velopment of new  drugs for known pathogens. The discovery of novel therapeutic modes of  action such as antisense technology favours the development of new medicines for the treat­  ment  of  unmet  medical  needs,  as  in  the  field  of  cancer  (Aboul­Fadl 2005 10 ;  Coppelli  and  Grandis 2005 11 ). These applications are in an early developmental stage, i. e. preclinical de­  velopment  and  early clinical  testing. Advances  in  drug  manufacturing  such  as  improved fer­  mentation  technology,  easier  establishment  of  animal cell  cultures  and  improved  production  methods  of  monoclonal  antibodies  (MAB)  in  transgenic  animals  (Butler  2005 12 ;  Lonberg  3 

EuropaBio (2005): http://www.europabio.org/healthcare.htm.  Hood L, Heath JR, Phelps ME, Lin B.Science. (2004): Systems biology and new technologies enable predictive and  preventative medicine. Oct 22;306(5696):640­3.  5  Bolsin S, Patrick A, Colson M, Creatie B, Freestone L. (2005): New technology to enable personal monitoring and  incident reporting can transform professional culture: the potential to favourably impact the future of health care. J  Eval Clin Pract.Oct;11(5):499­506.  6  MacKenzie, A.A. (ed.): Biotechnology applications in animal health and production. Scientific and Technical Review,  Volume 24 (1), April 2005.  7  Avidor Y, Mabjeesh NJ, Matzkin H.: Biotechnology and drug discovery: from bench to bedside. South Med J. 2003  Dec;96(12):1174­86.  8  Zhang L., An R., Wang J., Sun N., Zhang S., Hu J., Kuai J. (2005): Exploring novel bioactive compounds from  marine microbes. Curr Opin Microbiol 2005 Jun;8(3):276­81.  9  Chaudhary, K.; Ross D.S. (2005): Protozoan genomics for drug discovery. Nat Biotechnol 2005 Sep, 23(9): 1089­  1091.  10  Aboul­Fadl T. (2005): Antisense oligonucleotides: the state of the art. Curr Med Chem 2005;12(19):2193­214.  11  Coppelli F.M., Grandis J.R. (2005): Oligonucleotides as anticancer agents: from the benchside to the clinic and  beyond. Curr Pharm Des 2005;11(22):2825­40.  12  Butler, M. (2005): Animal cell cultures: recent achievements and perspectives in the production of  biopharmaceuticals. Appl Microbiol Biotechnol 2005 Aug;68(3):283­91. 4 

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 20 of 172 

2005 13 ), could make small market drugs more attractive for investment and reduce the phar­  maceutical industry’s reliance on developing blockbuster medicines. In this respect, biotech­  nology can contribute especially in the field of orphan drugs and individualized medicines.  Examples  for  biopharmaceuticals  with  a  large  market are  erythropoietin, follicule­stimulating  hormone,  hyaluronidase,  monoclonal  antibodies  and  tumour  necrosis  factors.  Advances  through  modern  biotechnology  are  also  expected  for  the  development  of  new  antimicrobial  agents.  Against  the  background  of  multi  drug  resistance  in  hospital  infections  the  develop­  ment of novel antibiotics such as peptides and the enhancement of already available antimi­  crobial drugs is an important R&D area.  Products  at  the  boundary  between  drugs  and  food  are  nutraceuticals.  Biotechnological  methods are used in their development and production. Both probiotic food, containing bacte­  ria  that  have  health  effects  and  products  that  are  supplemented  with  biotechnologically  pro­  duced  compounds  such  as  phytosterols,  that  help  to  regulate  blood  cholesterol  level  are  examples for products already on the market.  Orphan Drugs  Between  20  and  30 million  Europeans  are  affected  by  5,000  rare  diseases.  Biotechnology  provides  several  tools  to  develop  diagnostics  and  treatments  for  orphan  diseases,  derived  from  the  identification  of  new  targets  from  the  complete  sequencing  of  the  human  genome.  Since the EU Orphan Drugs Regulation came into force in early 2000, it has covered over 212  applications for an orphan drug designation. Among them are enzymes to treat metabolic dis­  orders  and cancer drugs  with small incidence rates (EuropaBio 2005 14 ). Some examples of  biotechnology drugs to treat rare diseases are given in table 3.2.  Table 3.2: 

Source: 

Selected examples of biopharmaceuticals for low incidence diseases in the  US and European Markets  Category  Recombinant DNA Products 

Product  EGF receptor  Factor VIII  Interferon beta­1a  Interleukin­1 and 2  Somatropin 

Enzymes 

Algalsidase  Algucerase  Glucocerebrosidase  Glucosidase  Galactosidase 

MERIT bio­pharmaceuticals database; Rader 2005 15 

Tailor­made medicines  For  patients,  finding  the  right  medication  with  less  trial  and  error  is  critical.  Applications  for  tailor­made medicines  rely  on  developments  in  pharmacogenetic  testing  and  the  knowledge  of  the  individual  metabolising  situation.  Healthcare  biotechnology  aims  to  bring  tailor­made  treatments to patients by early detection of the patient's genetic status and his or  her indivi­  dual response to a drug. This allows matching medicine doses and medical treatments to in­  dividual  patients  (EuropaBio  2005 14 ).  Some  application  have  reached  the  clinic  such  as  the  use of Herceptin (trastuzumab), for treatment of breast cancer patients that overexpress the  HER2  protein,  or  dose  adjustment  of  thiopurines  according  to  the  biochemical  and  genetic  13 

Lonberg N. (2005): Human antibodies from transgenic animals. Nat Biotechnol 2005 Sep;23(9):1117­25.  www.europa­bio.org  15  th  Rader, R. A. (2005): Biopharmaceutical Products in the U.S. and Euroepean Markets. BioPlan Associates, Inc. 4  edition, 1­1207. 14 

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 21 of 172 

status of the patient. Widespread application of individualized treatment is still limited due to  unclear  reimbursement  situation  and  insufficient knowledge  of  potential  applications  and  the  procedures 16 .  Finally, drug delivery can be improved through the use of new materials and methods based  on new discoveries in bio­nanotechnology. The incorporation of drugs in nanoparticles facili­  tates  the  delivery  of  the  drug  to  specific  sites,  reducing  adverse  side  reactions  (Kubik  et  al  2005 17 ,  Kayser  et  al.  2005 18 ).  Nanoencapsulated  drugs  have  already  reached  the  market.  However, their cost­effectiveness is controversial.  3.2.2.2  Cell­based therapies  In  the  past  few  years,  cell  therapies  with  stem  cells, allogenic  and  autologous  differentiated  cells,  have  expanded  greatly  as  a  tool  to  develop  potential  therapies  for various  indications.  Though they are still in the stage of clinical development, they offer a way of using a person’s  own  cells  and  tissue  to  create  prosthetic,  restorative,  therapeutic  and  even  cosmetic  health  care solutions.  Under normal conditions, damaged joint cartilage does not – or only poorly ­ regenerate in the  body. For several years now, cell therapy for restoring knee cartilage defects has been avail­  able by growing a patient's own cartilage cells to repair cartilage defects. Other tissue­ engi­  neered  products  include  skin  and  bone  replacement  (Hüsing  et  al.  2003a 19 ).  Research  on  human  cell  and  tissue­based  products  is  currently  being  conducted  in  the  regeneration  and  repair of bones, tendons, nerves, ligaments, heart valves and blood vessels.  The overall, but still distant goal of tissue engineering is to construct in vitro human organs to  overcome a scarcity of donor organs and to improve disease treatments. Research has been  carried  out  on  the  urinary  bladder,  kidney,  heart,  liver  and  pancreas  (Oberpenning  et  al.  1999 20 , Humes 2000 21 ). Products are still far away from clinical use and several scientific and  technical hurdles still need to be overcome (e. g. vascularisation, controlled three­dimensional  structure, and coordinated action of different cell types).  Cell­based cancer immunotherapies such as cell­based tumour vaccines are under develop­  ment to combat cancer. This type of therapy could one day provide new efficient strategies for  the  treatment  of  several  incurable  types  of  cancer  (EuropaBio  2005).  Presently,  however,  such approaches are only in the early clinical development stage.  Research  into  stem  cells  could  result  in  important  cell­based  therapies  to  treat  serious  dis­  eases and conditions such as neurodegenerative disease of the central nervous system (Si­  lani and Corbo 2004 22 ), diabetes, coronary diseases and stroke, spinal cord injuries, autoim­  mune diseases and skin disorders (Hüsing et al. 2003b 23 ). Researchers are working on three  types  of  human  stem cells:  adult, foetal  and  embryonic.  The  use  of  human  embryonic  stem  cells is currently at the centre of an ethical and societal debate. 

16 

Zika et al. (2006): Pharmacogenetics and pharmacogenomics: State­of­the­art and potential socio­economic  impacts in the EU. Report of JRC­IPTS  17  Kubik T., Bogunia­Kubik K., Sugisaka M. (2005): Nanotechnology on duty in medical applications. Curr Pharm  Biotechnol 2005 Feb;6(1):17­33.  18  Kayser O., Lemke A., Hernandez­Trejo N. (2005): The impact of nanobiotechnology on the development of new  drug delivery systems. Curr Pharm Biotechnol 2005 Feb;6(1):3­5.  19  Hüsing, B.; Bührlen, B.; Gaisser, S. (2003a): Human Tissue Engineered Products ­ Today's Markets and Future  Prospects. Final Report for Work Package 1: Analysis of the actual market situation ­ Mapping of industry and  products. Karlsruhe: Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, 2003, 122 p.  20  Oberpenning, F., Meng, J., Yoo, J. J. & Atala, A. (1999): De novo reconstitution of a functional mammalian urinary  bladder by tissue engineering. Nat Biotechnol, 17(2), 149­55.  21  Humes, H. D. (1999): Bioartificial kidney for full renal replacement therapy. Semin Nephrol, 2000, 20(1), 71­82.  22  Silani V, Corbo M. (2004): Cell­replacement therapy with stem cells in neurodegenerative diseases. Curr  Neurovasc Res 2004 Jul;1(3):283­9.  23  Hüsing, Bärbel; Engels, Eve­Marie; Frietsch, Rainer; Gaisser, Sibylle; Menrad, Klaus; Rubin, Beatrix; Schubert,  Lilian; Schweizer, Rainer, Zimmer, René (2003b): Menschliche Stammzellen. Abschlussbericht. TA44/2003. Bern:  Zentrum für Technologiefolgen­Abschätzung beim Schweizerischen Wissenschafts­ und Technologierat, 2003 337 p.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 22 of 172 

Xenotransplantation has been a field of extensive research in the last decade. It uses existing  varieties or genetically modified animals (usually pigs) and successive cloning techniques to  produce organs that can be transplanted into humans. Technical barriers due to immunogen­  ity  and  concerns  about  human  safety  through  the  transfer  of  possibly  dangerous  and  infec­  tious  viruses  into  the  human  population  led  to  a  decline  in  interest  in  xenotransplantation.  According to expert opinion, interest in xenotransplantation will further decline as alternative  cell therapies based on human stem cells become reality.  3.2.2.3  Gene therapies  Despite the high standard of today's medical treatments, and the number of already available  drugs, many of the most debilitating human diseases  do not yet have a cure. The molecular  basis of many genetic disorders, such as haemophilia, cystic fibrosis and muscular dystrophy,  has become better understood, due to the discovery of the affected genes. In some forms of  cancer,  genetic  predisposition  could  play  as important  a  role  as  environmental factors  in tu­  mour  growth  and  malignancy.  Identifying  the  genes  that  play  a  role  in  these  diseases  and  combating their effects is one of the most promising ways to treat certain diseases.  Gene therapy has entered a phase of active clinical investigation in many areas of medicine.  Human  clinical  trials  have  been  started  for  the  treatment  of  severe  immunodeficiency  dis­  eases,  cystic  fibrosis,  hypercholesterolemia,  haemophilia,  muscular  dystrophy,  and  many  types  of  cancers  (melanoma,  prostate,  ovarian  and  lung  cancer),  AIDS,  and  cardiovascular  24  25  disorders (Kempten et al. 2004; Gosh et al 2005  ; Ebert and Svendsen 2005  ; Hideshima et  26  27  28  al.  2005  ;  Budak­Alpdogan  et  al.  2005  ;  Cavazzana­Calvo  and  Fischer  2004  ;  EuropaBio  2005).  So far, the FDA has not yet approved any human gene therapy product for sale nor did the  EMEA.  In  January  2004,  SiBiono  GeneTech  received  approval  by  the  Chinese  State  Food  and  Drug  Administration  (SFDA)  to  commercially  market  Gendicine,  a  gene­therapy­based  treatment  for  nasopharyngeal  cancer.  This  seems  to  be  the  first  approved  gene­therapy  treatment in the  world  (Wilson  2005 29 ).  The treatment  delivers  a  healthy copy  of  the  anti­tu­  mour  p53  gene  through  a  simple  adenovirus  construct  that  does  not  integrate  into  the  ge­  nome of cells. The cost of a single dose of therapy is expected to be only 360 US$.  The  amount  of  gene­related  research  and  development  occurring  worldwide  continues  to  grow rapidly. The FDA has received many requests from medical researchers and manufac­  turers to study gene therapy and to develop gene therapy products. Such research could lead  to gene­based treatments for cancer, cystic fibrosis, heart disease, haemophilia, wounds, in­  fectious diseases such as AIDS, and graft­versus­host disease (FDA 2005 30 ).  Some clinical trials such as the gene therapy of a four­year old US­girl in the early 1990s, who  was  born  with  an  adenosine­deaminase  deficiency  syndrome,  resulted  in  a  permanent  cure  (Budak et al. 2005). However, clinical trials have also shown the risks and scientific­technical  problems  associated  with  gene  therapy,  for  example  in  the  case  of  the  death  of  Jesse  31  Gelsinger  (Smith  and  Byers  2002  )  and  the  development  of  leukaemia  in  patients  treated 

24 

Ghosh K., Khare A., Shetty S. (2005): Implications of human genome and modern cell biology research in  management of cardiovascular diseases. Indian Heart J. 2005 May­Jun;57(3):270­3.  25  Ebert A.D., Svendsen C.N. (2005): A new tool in the battle against Alzheimer's disease and aging: ex vivo gene  therapy. Rejuvenation Res. 2005 Fall;8(3):131­4.  26  Hideshima T., Chauhan D., Richardson P., Anderson K.C. (2005): Identification and validation of novel therapeutic  targets for multiple myeloma. J Clin Oncol 2005 Sep 10;23(26):6345­50.  27  Budak­Alpdogan T, Banerjee D, Bertino JR. (2005): Hematopoietic stem cell gene therapy with drug resistance  genes: an update. Cancer Gene Ther 2005 Nov;12(11):849­63.  28  Cavazzana­Calvo M., Fischer A. (2004): Efficacy of gene therapy for SCID is being confirmed. Lancet. 2004 Dec  18­31;364(9452):2155­6.  29  Wilson J.M. (2005): Gendicine: The first commercial gene therapy product. Human Gene Therapy. 2005 Sept  16:1014.  30  FDA (2005): Cellular and Gene Therapy. Internet release 11/08/2005. http://www.fda.gov/cber/gene.htm.  31  Smith L. and Byers J.F. (2002): Gene therapy in the post­Gelsinger era. JONAS Health Law Ethics Regul 2002  Dec; 4(4):104­10.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 23 of 172 

with a retrovirus to cure SCID X1 (severe combined immunodeficiency) (Gaspar and Thrasher  2005 32 ).  3.2.2.4  Therapeutic vaccines  Therapeutic  vaccines  play  an  important  role  for  the  control  of  infectious  diseases  in  people  that are already infected with a virus. The application area  with the most experiences is the  control of HIV by stimulating the immune system to fight HIV and slow the progression of the  disease.  More  than  20  therapeutic  vaccines  to  stimulate  T­cell  responses  of  persons  with  HIV  were  under  development  within  the  last  20  years,  most  of  them  in  the  USA,  but  some  also  in  33  Europe  (McMichael  and  Hanke  2003  ).  At  present,  more  than  15  phase  I,  II  or III  trials  are  ongoing  involving  a variety  of  different  strategies,  including more  complex  subunit vaccines,  recombinant viral vectors, prime­boost strategies and DNA vaccines, as well as new delivery  mechanisms  like  intranasal  application  (Smith  and  Renaud  2003 34 ).  There  are  a  number  of  main  challenges  ahead  to  developing  an  effective  HIV  vaccine.  These  lie  in  protein  engi­  neering,  the  optimisation  of  T­cell  inducing  vaccines,  to  increase  the  capacity  to  carry  out  phase­III  trials,  and  to  manufacture  them  in  sufficient  quantities  (McMichael  and  Hanke  2003). 35  3.2.3 

Therapeutics for Animals 

Biotechnology plays an important role in many veterinary and companion animal areas such  as  infectious  diseases,  animal  production  and  food­safety.  A  number  of  applications  are  available on the market or are in an advanced status of (clinical) development. Thus far, ge­  nomics  and  systems  biology  have  not  been  largely  introduced  significantly  in  typical  veteri­  nary pharmacological and toxicological research programmes. The high costs and complexity  connected to these large projects often form major obstacles for research groups with limited  budget  (Wittkamp  2005) 36.  A  first  example  of  the  utilisation  of  genomic  research  in  the  de­  velopment of animal drugs is the identification of a specific enzyme, the Babesia bovis L­lac­  tate  dehydrogenase  as  a  potential  chemotherapeutical  target  against  bovine  babesiosis  (a  parasitic disease; Bork et al 2004) 37 .  3.2.3.1  Recombinant drugs and hormones  Although product lists for veterinary drugs including companion animal drugs approved by the  United  States  Department  of  Agriculture’s  Center  for  Veterinary  Biologics  and  the  FDA’s  Center  for  Veterinary  Medicine  are  published  regularly  it  is  difficult  to  distinguish  biological  and  recombinant  drugs  among  the  thousands  of  products  approved  (Walsh  2003) 38 . Within  the EU, the assessment of veterinary biotechnology products falls under the auspices of the  EMEA’s  Committee  for  Veterinary  Medicinal  Products.  Among  the  recombinant  products  approved for veterinary use in the EU all but one are recombinant vaccines. The recombinant  interferone­omega was approved in 2001 for the therapy of canine parvovirosis. In a placebo­  controlled field trial the drug reduced mortality also both in the vaccinated and unvaccinated  cohort  of  cats  when  it  was  applied  after  clinical  signs  of  canine  parvovirosis  were  observed 

32 

Gaspar H.B., Thrasher A.J. (2005): Gene therapy for severe combined immunodeficiencies. Expert Open. Biol.  There. 2005 Sep;5(9):1175­82.  33  McMichael A.J., Hanke T. (2003): HIV vaccines 1983­2003. Nat Med. 2003 Jul;9(7):874­80.  34  Smith, R. and Renaud, R. C. (2003): Vaccines of the future. Nat Rev Drug Discov 2003 Oct;2(10):767­8.  35  McMichael A, Hanke T. (2003):  The quest for an AIDS vaccine: is the CD8+ T­cell approach feasible? Nat Rev  Immunol 2002 Apr;2(4):283­91.  36  Wittkamp, R.F. (2005): Genomics and systems biology – how relevant are the developments to veterinary  pharmacology, toxicology and therapeutics? J. vet. Pharm Therap 28: 235­245.  37  Bork, S.; Okamura, M.; Boonchit, S.; Hirata, H.; Yokoyama, N.; Igarashi, I. (2004): Identification of Babesia bovis L­  lactate dehydrogenase as a potential chemotherapeutical target against bovine babesiosis. Mol Biochem Parasitol  2004 Aug;136(2):165­72.  38  Walsh, G. (2003): Biopharmaceutical Benchmarks – 2003. Nature Biotechnology 21(8): 865­870

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 24 of 172 

(de Mari et al 2003) 39 . This led to the extended approval of Virbagen Omega for cats in 2004  (Press Release of the Committee of Veterinary Medicinal Products (14/15 March 2004)).  Several  recombinant  drugs  are  currently  in  the  status  of  clinical  or  preclinical  trial.  One  example is the recombinant porcine interferone­alpha/gamma. In preclinical trials it could be  shown  that  it  inhibits  classical  swine  fever  virus  and  other  important  viral  pathogens  in  dif­  ferent cell lines (Xia et al 2005) 40 .  Bone healing in dogs and cats was stimulated in a prospective clinical study on a non­glyco­  sylated recombinant human bone morphogenetic protein­2 (ngly­rhBMP­2)/fibrin composite. It  could  be  shown  that  it  is  an  efficient  alternative  to  bone  autografts  in  dogs  and  cats.  41  (Schmoekel et al 2005)  . Human recombinant factor VIIIa is discussed to be used in veteri­  nary  medicine  under  the  prerequisite  that  the  two  major  obstacles:  immunogenity  and  costs  can be solved (Kristen et al. 2003) 42 .  Efficacy  and  safety  of  recombinant  feline  erythropoietin  (rfEPO)  was  tested  in  clinical  trials  with  anaemic  cats  due  to  chronic  kidney  diseases  (CKD).  It  could  be  shown  that  treatment  with rfEPO can reestablish active erythropoiesis in most cats with CKD. However one third of  the tested animals developed red­cell aplasia (RCA) a type of anaemia which is refractory to  43  additional  rfEPO  treatment  (Randolph  et  al.  2004)  .  Erythropoietin  is  also  used  in  another  context in animals. Human recombinant drugs such as erythropoietin (rHuEPO) are used for  the (illegal) doping of racehorses by subcutaneous administration. The methods of molecular  diagnostics  described  in  the  diagnostics  paragraph  such  as  enzyme­linked  immunosorbent  assays are suitable to conduct anti­doping control (Lasne et al. 2005) 44 .  One of the first biotechnological product for animal production was bovine somatotropin (bST)  a hormone that increases milk yield by an altered use of nutrients for milk synthesis, (Bauman  1992) 45 . In this case the Council of the European Union decided in 1999 to ban the possible  use  in  the  EU  for  animal  welfare  reasons.  In  the  US  rbST  is  approved.  Other  recombinant  product  such  as  the  equine  growth  hormone  failed  for  safety  issues  already  in  clinical  trial.  Long  term  therapy  for  this  recombinant  product  showed  to  result  in  insulin  resistance  in  horses with various disease states (de Graaf­Roesldema et al 2003). 46  In the context of veterinary drugs novel principles for drug delivery and biomaterials are also  discussed in veterinary applications. Senel and McClure (2004) 47  review current applications  of chitosan including wound healing, bone regeneration, and drug delivery for antibiotics, an­  tiparasitics,  anaesthetics,  painkillers,  growth  promoters  and  immunomodulatory  agents  and  vaccines. Biodegradable polymers are also discussed with applications including intravaginal  devices, injectables and implantable systems in the animal health market (Winzenburg et al. 

39 

de Mari, K. Maynard, L. Leun, H.M. Lebreux, B. (2003): Treatment of canine parvoviral enteritis with interferon­  omega in a placebo­controlled field trial. Vet. Rec. 152(4): 105­108.  40  C.Xia, W. Dan, W. Wen­Xue, W. Jian­Qing, W. Li, Y. Tian­Yao, W. Qin , N. Yi­Bao (2005): Cloning and expression  of interferon­alpha/gamma from a domestic porcine breed and its effect on classical swine fever virus. N. Vet.  Immunol Immunopathol 104(1­2):81­9.  41  Schmoekel, H.G. Weber, F.E. Hurter, K. Schense, J.C. Seiler, G. Ryrz, U. Spreng, D. Schawalder, P. Hubbell J.J.  (2005): Enhancement of bone healing using non­glycosylated rhBMP­2 released from a fibrin matrix in dogs and  cats. Small Anim Pract 2005 Jan;46(1):17­21.  42  Kristen, A.T. Edwars, M.L. Devey, J.  (2003): Potential use of recombinant human factor VIIIa in veterinary  medicine. Vet Clin North Am Small Anim Pract 33(6): 1437­51.  43  Randolph, J.E. Scarlett, J.M. Stokol, T. Saunders, K.M. MacLeod, J.N.  (2004): Expression, bioactivity, and clinical  assessment of recombinant feline erythropoietin. Am J Vet Res.;65(10):1355­66.  44  Lasne, F. Popot, M.A. Varlet­Marie, E. Martin, L. Martin, J.A. Bonnaire, Y. Audran, M. de Ceaurriz, J.  (2005):  Detection of recombinant epoetin and darbepoetin alpha after subcutaneous administration in the horse. J Anal  Toxicol 29(8): 835­837.  45  Baumann, D.E.  (1992): Bovine Somatotropin: Review of an Emerging Animal Technology. J Dairy Sci 75: 3432­  3451.  46  de Graaf­Roelfsema, E. Tharasanit, T. van Dam, K.G. Keizer, H.A. van Breda, E. Wijnberg, I.D. Stout, T.A. van der  Kolk, J.H. (2005): Related Articles, Effects of short­ and long­term recombinant equine growth hormone and short­  term hydrocortisone administration on tissue sensitivity to insulin in horses. Am J Vet Res. 66(11):1907­13.  47  Senel, S. McCllure, S.J. (2004): Potential applications of chitosan in veterinary medicine. Adv Drug Deliv Res  56(10): 1467­80.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 25 of 172 

2004) 48 .  Membrane  transporter/receptor­targeted  prodrug  design  is  another  trend  currently  under  development  to  enhance  bioavailability  of  drugs  both  in  humans  and  animals  (Maju­  madar et al. 2004). 49  3.2.3.2  Antiinfectious agents  Antiinfectious  agents,  i. e.  antibiotics  and  antifungal  products  are  together  with vaccines  the  most  important  group  of  biopharmaceuticals  in  animal  health  applications. With  most  thera­  peutic  antimicrobials  used  to  treat  bacterial  infection  in  animals  there  are  related  antimicro­  bials  used  in  human  medicine  from  the  same  family.  Among  them  are  aminoglycosides,  amoxicillin  and  clavunalate,  cephalosporins,  polyketides,  and  fluoroquinolones  (www.vetgate.ac.uk; release 3 February 2006).  Antiinfectious agents were used in the past in the EU with three different intentions · as therapeutic agent after the onset of an infectious disease · as  preventive  agent  when  animals  are  most  at  risk,  and  animals  are  known  to  be  sus­  ceptible, · as  enhancing  agents  in  sub­therapeutic  concentration  that  should  help  growing  animals  digest their food more efficiently (growth promoters)  The application of antibiotics as growth promoters was banned in the EU by 1 January 2006.  Feed additives being promoted as possible alternatives to antibiotic growth promoters include  amino  acids,  enzymes,  prebiotics,  probiotics,  organic  acids,  and  immune  modulators  (Frost&Sullivan Market Insight 24 Nov 2005). Many of these feed additives can be produced  by biotechnological fermentation processes, followed by downstream processing.  3.2.4 

Molecular Diagnostics 

Molecular  diagnostics  are  becoming  a  driving  force  in  drug  development,  drug  application,  surveillance  of  human  and  animal  health  status.  Applications  have  spread  from  identifying  infections  to  include  screening  for  cancer,  hepatitis,  a variety  of  genetic  disorders  and  even  tissue screening to minimize the risk of tissue rejection (Dutton 2005 50 ). Improved micro­array  technology with cheaper process costs and new application areas lead to diversify molecular  diagnostics in new directions including in vitro diagnostics. The human health benefits of bio­  technology detection methodologies go beyond disease diagnosis. For example, biotechnol­  ogy detection tests can screen donated blood and organs for the pathogens that cause AIDS,  hepatitis and a variety of other infectious diseases (EuropaBio 2005).  While  traditional  testing  methods  are  still  widely  used  in  veterinary  diagnostic  laboratories,  promising  new  technologies,  such  as  biosensors  and  micro­array techniques,  are  being  de­  veloped. Nucleic acid diagnostic techniques such as  polymerase chain reaction (PCR) have  become  routine  veterinary  diagnostic  tools  for  rapidly  screening  large  numbers  of  samples  during  disease  outbreaks.  In  addition,  nanotechnologies,  although  not  yet  implemented  in  veterinary  laboratories,  hold  the  promise  of  screening  for  numerous  pathogens  in  a  single  assay.  Other  biotechnologies  are  likely  to  be  widely  used  in  the  future  as  they  can  improve  diagnostic  capabilities  while  reducing  the  time  and  perhaps,  the  costs,  associated  with  con­  ventional  technologies.  Although  a  lot  of  developmental  work  is  still  required,  biotechnology  and its applications hold great promise for improving the speed and accuracy of diagnostics  51  for veterinary pathogens (Schmitt and Henderson 2005  ).  Protein testing  48 

Winzenburg, G. Schmidt, C. Fuchs, S. Kissel, T. (2004): Biodegradable polymers and their potential use in  parenteral veterinary drug delivery systems. Adv Drug Deliv Rev 56(10): 1453­66.  49  Majumadar, S. Duvvuri, S. Mitra, A.K. (2004): Membrane transporter/receptor­targeted prodrug design. Adv Drug  Deliv Rev. 56(10): 1437­52.  50  Dutton, G. (2005): Molecular diagnostics as Clinical Tool. Genetic Engineering News 2005; 25(18): 1­25.  51  Schmitt, B. and Henderson, L.: Diagnostic tools for animal diseases. Rev sci tech Off int Epiz, 2005, 24 (1), 243­  250.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 26 of 172 

Protein micro­arrays  and  immunoassays  help  to  determine  the molecular  status  of  a  certain  disease  such  as  some  types  of  cancer  and  guide  the  clinician  toward  the  choice  of  optimal  therapy. About 1500 different proteins have recently been identified in the blood, and a num­  ber  of  potential  new  markers  of  diseases  have  been  characterized.  Thus  haematology  in  combination  with  micro­array  technology  offers  enormous  promises  of  plasma/serum  prote­  omic  analysis  for  diagnostic/prognostic  markers  and  information  on  disease  mechanisms  (Thadikkaran et al. 2005 52 ). Currently nearly one hundred companies are active in the field of  micro­arrays  (Gershon  2005 53 ).  However  it  is  also  generally  accepted  that  new  insights  will  not  be  gained  by  simply  acquiring  more  and  more  gene  expression  data  and  that  it  is  no  longer sufficient to focus on the 25,000 protein­coding genes that make up roughly 2 % of the  human genome. Exploring the role and diversity of non­coding DNAs is equally important.  Molecular Imaging  Molecular imaging (MI) combines new molecular agents with traditional imaging tools to cre­  ate targeted, tailored therapies with the ability to simultaneously find, diagnose and treat dis­  ease. Currently being investigated for numerous applications ­ including oncology, cardiology  and neurology ­­ molecular imaging offers significant benefits over standard diagnostics and  treatments (www.mi­central.org). For example diagnostic peptides (5­15 amino acids) can be  used to specifically bind to receptors at the surface of tumours. This allows the exact determi­  nation of solid and metastatic cancers followed by a surgical, chemotherapeutic or radiologi­  54  cal therapy (Zitzmann et al. 2005)  DNA­based testing  DNA­based  testing  has  a  long  tradition  for  differential  diagnostic  of  infectious  disease.  The  most  prominent  technique  in  this  context is  PCR  technology  as  described  in  chapter 1.2.  In  clinical diagnostics, a specimen of genetic material weighing only one­trillionth of a gram can  be repeatedly copied by PCR to provide sufficient material to detect the presence or absence  of  a  virus  as  well  as  to  quantify  its  levels  in  the  blood.  PCR  tests  were  the  first  that  could  accurately measure the amount of HIV in a patient’s blood. This provides reliable information  on the disease course and shows when changes are needed in a patient’s medication. DNA­  based testing opened the horizon to genetic testing.  Genetic testing  The wealth of genomics information made available by the Human Genome Project is greatly  assisting doctors in diagnosing hereditary diseases. There are currently over a thousand hu­  man  hereditary  diseases  that  can  be  identified  using  genetic  tests  (EuropaBio  2005 55 ).  The  majority  of  these  tests  detect  the  presence  of  mutations  in  a  single  gene  that  can  cause  monogenic  (single  gene)  disorders,  most  of  which  are  relatively  rare.  These  tests  can  also  identify  patients  with  a  genetic  propensity  to  develop  diseases  caused  primarily  by  environ­  mental factors  or  diet,  giving  patients  an  opportunity  to  prevent  the  disease  by  avoiding  the  environmental triggers. Genetic testing is also critical to the development of pharmacogene­  tics, which uses biotechnology­based diagnostics to better diagnose disease and provide new  ways to match medicine doses and treatments to the individual (EuropaBio 2005). Up to now  only few examples such as the determination of the Herceptin receptor status in breast can­  cer  patients  are  clinically  widespread.  Other  applications  such  as  the  analysis  of  the  TPMT  status (thiopurine methyl transferase) are developed and could be used in the clinic. Due to  various reasons as discussed into more detail in section 3.1.2.1 the diffusion into daily clinical  practice is still missing.  3.2.5 

Vaccines 

52 

Thadikkaran L., Siegenthaler M.A., Crettaz D., Queloz P.A., Schneider P., Tissot J.D. (2005): Recent advances in  blood­related proteomics. Proteomics. 2005 Aug;5(12):3019­34.  53  Gershon, D. (2005): More than gene expression. Nature. 2005 Oct 20;437(7062):1195­8.  54  Zitzmann, S. Knapp, E.­M. Mier, W. (2005): Spezifische Darstellung und Therapie von Krebserkrankungen.  Laborwelt 6: 21­23.  55  www.europabio.org

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 27 of 172 

Immunization  is  rightly  regarded  as  one  of  the  great  medical  successes  of  the  20 th  century.  Recent  outbreaks  of  West  Nile  Virus  (WNV),  severe  acute  respiratory  syndrome  (SARS),  avian influenza and monkeypox, as well as threats from bioterrorism, have increased the in­  terest in developing new vaccines. Vaccines can also play a role in eradicating HIV, although  this  requires  overcoming  serious  problems  due  to  the  high  degree  of  antigenic  variability  among HIV strains (Smith and Renaud 2003).  Traditional  vaccination  employed  whole,  attenuated  infectious  agents,  with  the  vaccine  prompting an immune response to protein structures. A new approach is the development of  vaccines based  on the carbohydrates on parasite surfaces instead of proteins. Some patho­  gens like Trypanosoma brucei, a protozoan that causes  sleeping sickness, can change their  protein coat every two weeks, which makes it very difficult for the immune system to develop  a sufficient immune response. Carbohydrates in the cell walls are changed less frequently, or  not at all, and therefore present a much more stable target. An Australian group is currently  working  on vaccines  based  on  these  substances  against  the  cause  of malaria,  Plasmodium  falciparum (Dennis 2003 56 ).  A  third  strategy involves  DNA vaccines.  Several  DNA­based  methods  of  immunization  such  as pure DNA, DNA conjugated to a protein allergen, and plasmid DNA, have shown promise  in  animal  models  of  several  disorders.  Some  of  these  DNA­based  therapies  have  entered  phase I/II clinical trials (Liu and Ulmer 2005 57 ). Promising application areas are immunothera­  58  59  py  for  cancer  (Choo  et  al.  2005  ),  severe  respiratory  syndrome  (Zhang  et  al.  2005  ),  and  60  allergic disease (Weiss et al. 2005  ). These applications show the close connection between  traditional vaccination as a preventive measure and novel therapeutic approaches for vacci­  nation.  Research  in  vaccine  adjuvants  has  increased  in  the  last  years  and  resulted  in  promising  approaches.  The  field  is  moving  rapidly.  Mucosal  vaccine  delivery  systems  are  specifically  designed to allow vaccines to enter the body through nasal or oral mucosal surfaces, avoiding  invasive  vaccination  techniques.  Additional  components  are  necessary  to  protect  antigens  from  degradation  and  promote  their  interaction  with  the  host  tissue  (O'Hagan  and  Valiante  2003 61 ). Products in this field of application have already entered the market.  Vaccination  continues  to  be  the  main  approach  to  protecting  animals  from  infectious  dis­  eases. Until recently, all licensed vaccines were developed using conventional technologies.  However, the introduction of modern molecular biological tools and genomics, combined with  a  better  understanding  of  not  only  which  antigens  are  critical  in  inducing  protection,  but  an  appreciation of host defences that must be stimulated, has created new opportunities to de­  velop safer and more effective vaccines (Rogan and Babiuk 2005 62 ). The last ten years have  seen  the  development  of  rDNA  vaccines,  which,  when  used  in  association  with  appropriate  diagnostic kits, make it possible to distinguish vaccinated from infected animals. In this con­  text  it  is  important  to  distinguish  between  DNA­based  vaccines  and  live  recombinant  vac­  cines,  that  are  based  on  a  mutant  strain  (e. g. marker vaccine  against  Aujeszky’s  disease).  Protein­based  vaccines  and  diagnostic  systems  might  be  superseded  by  the  DNA­based  systems by the middle of the 21st century (McKeever, Rege 1999 63 ).  56 

Dennis, C. (2003): Sweet revenge. Nature 2003, Vol. 423, pp. 580­582.  Liu MA, Ulmer JB.: Human Clinical Trials of Plasmid DNA Vaccines. Adv. Genet. 2005;55C:25­40.  Choo A.Y., Choo D.K., Kim J.J., Weiner D.B. (2005): DNA vaccination in immunotherapy of cancer. Cancer Treat  Res. 2005;123:137­56.  59  Zhang  D.M.,  Wang  G.L.,  Lu  J.H.  (2005):  Severe  acute  respiratory  syndrome:  vaccine  on  the  way.  Chin  Med  J  (Engl). 2005 Sep 5;118(17):1468­76.  60  Weiss R., Hammerl P., Hartl A., Hochreiter R., Leitner W.W., Scheiblhofer S., Thalhamer J. (2005): Design of  protective and therapeutic DNA vaccines for the treatment of allergic diseases. Curr Drug Targets Inflamm Allergy  2005 Oct;4(5):585­97.  61  O'Hagan, D.; Valiante, N. (2003): Recent advances in the discovery and delivery of vaccine adjuvants, in: Nature  Reviews Drug Discovery 2003, Vol. 2, No. 9, pp. 727­735.  62  Rogan, D. and Babiuk, L.A. (2005): Novel vaccines from biotechnology. Rev sci tech Off int Epiz, 2005, 24 (1),  159­174.  63  McKeever, D.J. Rege, J.E.O. (1999): Vaccines and diagnostic tools for animal health: the influence of  biotechnology. Livestock Prod Sci 59: 257­264. 57  58 

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 28 of 172 

Different applications include vaccines against Aujeszky’s disease, classical swine fever, ra­  bies,  avian  diseases  and  rinderpest.  DNA vaccines  constitute  a  revolution  in the  concept  of  vaccination, which was previously based on the injection of a protein or a medium expressing  a protein. It is now possible to induce immunisation by direct injection of the gene that codes  64  for the immunogenic antigen (Vannier and Martignat 2005  ).  The example of coccidiosis shows how the understanding of the gene functioning can lead to  a concerted action of nutritional and vaccination strategy. Coccidiosis is a ubiquitous intestinal  protozoan  infection  of  poultry  seriously  impairing  the  growth  and  feed  utilization  of  infected  animals. Conventional disease control strategies rely heavily on chemoprophylaxis, which is a  tremendous  cost  to  the  industry.  Existing  vaccines  consist  of  live  virulent  or  attenuated  Eimeria  strains  with  limited  scope  of  protection  against  an  ever­evolving  and  widespread  pathogen. Recent progress in functional genomics technology facilitates the identification and  characterization of host genes involved in immune responses as  well as parasite genes and  proteins that elicit protective host responses. This allows the design of nutritional interventions  and development of vaccination strategies (live and recombinant vaccines) against coccidio­  sis (Dalloul and Lillehoj 2005 65 ).  Vaccines  against  veterinary  helminths  have  focussed  in  the  past  on  identifying  protein  anti­  gens.  Notable successes  have  been  achieved  for  some  cestode  parasites,  where  recombi­  nant  proteins  have  been  developed  into  highly  effective  vaccines.  Increasing  evidence  suggests that parasite glycan moieties may provide an alternative source of vaccine antigens,  and increased  attention is now being given to this class of compounds. In addition to identi­  fying  candidate  protective  antigen(s),  an  increased  research  effort  is  needed  to  develop  appropriate strategies for the formulation and delivery of helminth vaccines. (Hein and Harri­  son 2005) 66  3.2.6 

Barriers for the application of biotechnology in the medical and pharmaceutical  sector 

In  contrast  to  many  other  application  areas,  healthcare  biotechnology  has  a  broad  public  acceptance.  Scientific­technical  barriers  due  to  a  very  early  stage  of  development  are  present  in  some  application areas such as metabolomics and proteomics. According to expert opinion, public  research  could  benefit  from  greater  unification  of  research  efforts  and  more  infrastructure  funding. Public research is especially limited in fields that require large­scale equipment and  high  speed  computer technology. Stem  cell research  and  gene  therapy  are  both  application  areas in an early developmental stage. They are characterized by scientific­technical barriers  such as a lack of understanding of differentiation for the rational use of stem cells and tissue  engineered products and the non­directed integration of vectors in the case of gene therapy.  Both topics are subject to intensive research.  A  barrier for  the  development  of  novel  drugs  and  tailor­made medicines  lies  in  the  accessi­  bility  of  clinical  data.  Due  to  data  protection  laws  and  commercial  confidentiality  concerns,  clinical data from private and public sector studies is often unavailable for use in applications  such pharmacogenetic testing.  Fundamental  researchers  at  universities  sometimes  are  unaware  of  the  fact  that  the  basic  data they are generating in fundamental research may have potential for applications. Many  lack information and knowledge about the innovation change and about global markets rele­  vant to what they are doing. This could be changed in three ways:  (1) 

Universities  and  the  relevant  units  of  the  university  should  develop  their  innovation  policy. 

64 

Vannier, P. Martignat, L. (2005): Nouveaux vaccins et nouvelles perspectives therapeutiques d’intérêt vétérinaire  issus des biotechnologies: examples d’applications. Rev Sci tech Off int Epiz 24(1): 215­229.  65  Dalloul, R.A. Lillehoj, H.S. (2005): Recent advances in immunomodulation and vaccination strategies against  coccidiosis. Avian Dis. 2005 Mar;49(1):1­8.  66  Hein, W.R. Harrison, G.B. (2005): Vaccines against veterinary helminths. Vet Parasitol Sep 30;132(3­4):217­22.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 29 of 172 

(2) 

(3) 

The new  generation of researchers, the doctoral students  should be offered training  in how fundamental research can generate innovations, how to recognize commercial  potential  and  how  to  protect  and  take  forward  the  innovation  to  those  who  will  de­  velop it further and commercialize it.  Fundamental  researchers  should  work  in  closer  proximity  (intellectual  and  physical)  with  the  exploiters.  This  can  be  achieved, for  example, in  so  called  centres  of  com­  petence, where top researchers develop their research plan together with exploiters,  making use of shared infrastructure. 

A barrier for public sector research is access to skilled staff. In some disciplines, such as bio­  informatics,  systems  biology  and  clinical  research,  there  is  a  lack  of  skilled  staff,  partly  be­  cause the public sector has to compete with the private sector.  Another barrier is the limited availability of early­stage and start­up venture capital, which can  prevent  the  establishment  of  new  firms.  After  over­investment  in  the  late  1990s  and  2000,  culminating in the collapse of many new technology start­ups, venture capital has shifted in­  creasingly  into  late­stage  investment.  The  peak  in  seed  and  early­stage  venture  capital  in  2000 has been followed by a continuous decline until 2003. In 2004, start­up investments in­  creased  again  by  13 %,  but  still  represented  a  small share  of  total investments  (6 %).  Seed  investments still fell and represent only 0.4 % of all investments (EVCA 2005 67 ). This trend is  impeding  the  biotech  industry  as  a  whole,  but  has  particular  relevance  for  the  biomedical  sector, given both high investment requirements and high risk.  Barriers for  commercialisation  result from  a  lack  of  guidelines  and  clear  regulations  and  the  different attitude related to IPR matters in Europe, Canada and the US such as patentability of  higher life forms. Administrative policies are needed to address possible conflicts and ensure  research  participant  safety  as  cellular  therapies  progress  from  research  laboratories  to  the  patient's  bedside.  Several  policies  are  required:  to  ensure  minimum  standards  of  quality for  emerging  products  before  human  clinical trials,  to  enforce  consistent  reporting  requirements  for  private  and  public  cellular  research,  to  minimize  financial  conflicts  of  interest  and  to  address identified conflicts, and, in some jurisdictions, to limit private litigation. These policies  would help preserve the objectivity of the review process and ultimately increase participant  safety (Yim 2005 68 ).  In some cases barriers for the use of biotechnological developments can be found in the lack  of knowledge of users and multiplicators. As shown in a current EU study 69  on genetic testing  efficient biochemical tests are already introduced for many applications. Physicians who have  not been trained in genetics are reluctant to use the new methods as they feel unfamiliar with  the new technology and lack the knowledge to read the results and draw conclusions.  Another barrier is the unclear reimbursement situation for many new products and therapies  such as tissue engineered products and pharmacogenetic testing. The extent to which inno­  vative  health  technologies  are  reimbursed  by  private  insurance  or  national  healthcare  sys­  tems is partly a political debate over the cost of health care and partly due to issues of cost­  effectiveness. Only cost­efficient health technologies are likely to be reimbursed.  3.3  3.3.1 

Biotechnology in primary production and the agro­food sector  Introduction 

Biotechnology  has  many  applications  within  the  agro­food  sector  that  are  largely  based  on  using  biotechnology  techniques  to  improve  breeding  programmes. These  include  the  use  of  marker  assisted  selection  (MAS)  (which  involves  the  use  of  genomics  tools  such  as  marker  gene  identification,  genome  mapping  etc)  to  speed  up  conventional  breeding,  and  genetic  modification  (GM),  in  which  a  gene  from  one  species  that  codes  for  a  desirable  trait  is  in­  67 

EVCA (2005): EVCA Final Activity Figures for 2004. Internet release 11/20/2005: http://www.evca.com/images/  attachments/tmpl_8_art_166_att_795.pdf.  68  Yim R. (2005): Administrative and research policies required to bring cellular therapies from the research  laboratory to the patient's bedside. Transfusion. 2005 Oct;45(4 Suppl.):144S­58S.  69  Zika et al (2006): Pharmacogenetics and pharmacogenomics: State­of­the­art and potential socio­economic  impacts in the EU. Report by JRC­IPTS.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 30 of 172 

serted into the genetic material of another species. In addition, there are many other potential  applications of biotechnology, such as the use of DNA fingerprinting and molecular diagnos­  tics  for  identification,  traceability,  and  food/feed  safety  applications.  Marker  assisted  selec­  tion/breeding  may  be  viewed  as  a  more  complex  application  of  diagnostics,  where  DNA­  based  markers  are  combined  with  other  tools  such  as  quantitative  trait  loci  (QTL),  genetic  maps, high­throughput tools etc. in order to increase the response to conventional selection.  The boundary between biotechnology applications in agriculture and that in food or industrial  processing is unclear. This section is limited to the use of biotechnology to produce feed/food,  fibre, or industrial feed stocks for use in foods and in food and industrial processing. It does  not discuss the application of biotechnology in food processing itself, such as the use of en­  zymes produced through GM bacteria in cheese manufacture.  Broadly defined, agricultural biotechnology covers all biotechnology applications to food, feed,  and fibre. This includes six main areas of application; clustered in three groups. Firstly, crop  production,  horticulture  and  silviculture  (forestry),  secondly,  animal  husbandry,  fisheries  and  aquaculture and insects and finally molecular farming. Each area of application has distinctive  characteristics,  is  of  different  relevance  to  the  EU,  and  faces  different  barriers  to  adoption  within Europe.  3.3.2  Animal husbandry, fisheries and aquaculture, and insects  3.3.2.1  Animal husbandry  Biotechnology  has  applications  in  animal  breeding, in feed  (part  of  plant  biotechnology)  and  other  additives  production,  molecular  pharming,  animal  health,  and  DNA  fingerprinting  for  food safety or tracing GM use. Both Marker Assisted Selection (MAS) and GM can be used to  improve animal strains and breed animals with greater precision than conventional breeding  method  alone.  Also,  the  use  of  genomic  technologies  to  identify  genes  involved  in  serious  inherited  diseases  can  help  animal  breeders  select  the  unaffected  animals  and  improve  the  characteristics  of  their  stock. A  possible  application  of  GM  breeding  (or marker  assisted  se­  lection) is to develop dairy cows that produce more nutritious milk. This is currently in the re­  search stage.  One of the first applications of GM technology was the development and production of bovine  somatotropin (bST) to increase milk production in the dairy industry. Injections of recombinant  bST in dairy cows increases milk yield, productive efficiency (milk/feed), and decreases ani­  mal waste. rBST is used commercially in 19 countries worldwide, but is not approved for use  in Europe. A second development is porcine somatotropin (pST) for the swine industry, which  increases  muscle  growth  and  reduces  body  fat  deposition,  resulting  in  pigs  that  are  leaner  and of greater market value. In the US, pST is undergoing testing for FDA evaluation. pST is  currently approved for commercial use in 14 countries.  As described in chapter 3, bio­pharmaceuticals, vaccines, and diagnostics have many appli­  cations to animal populations, both for disease prevention and for treatment. One example is  a  monoclonal  antibody  (MAb)­based  diagnostic  test  for  brucellosis  in  cattle,  a  bacterial  dis­  ease which often causes cows to abort pregnancies and which can infect farmers and people  who drink milk from an infected cow. Brucellosis vaccines can protect animals from abortion  but vaccinated cows can still carry the disease. The MAb test can distinguish between cattle  that carry the brucellosis bacterium and those that have only been vaccinated, whereas con­  ventional tests cannot distinguish between the disease­causing microbe and the vaccine.  Several  technologies  are  in  use  for  animal  breeding,  including  in­vitro  fertilization  (IVF)  and  embryo transfer. The latter is most frequently used in cattle to increase the production of off­  spring from cows with desirable traits (it is not cost effective as a means of increasing the size  of  average  stocks).  Embryo  transfer  is  largely  a  traditional  biotechnology,  with  the  first  successful  use  in  1890  in  rabbits  and  the  first  use  in  cattle  in  1949.  It  requires  minimal  training, with ranchers being able to use this technology without expert assistance. However,  embryo transfer can be combined with more modern biotechnologies to improve outcomes or  efficiencies. For example, it can be used with sex selection technologies to improve output of  a more economically valuable sex, or combined with embryo bisection to further increase the Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 31 of 172 

number  of  offspring.  In  the  future,  embryo  transfer  could  be  combined  with  nuclear  trans­  plantation to produce clones, if technical difficulties with cloning are solved. Embryo transfer,  by producing multiple offspring, can also be used to identify genetically inferior breed stock 70 .  Animal applications of biotechnology are highly relevant to the EU, due to the economic im­  portance of animal husbandry in European agriculture. These applications provide potentially  substantial savings in feed inputs and in healthcare and stock management costs, particularly  in  intensive  dairy,  pork,  and  poultry  production.  Improved  breeding  programmes  also  offer  benefits through an improvement in the quality of animal products.  3.3.2.2  Fisheries and aquaculture  Three  types  of  biotechnology  are  currently  in  use  in  fisheries  and  aquaculture:  recombinant  DNA biotechnology is used to develop GM varieties of fish for aquaculture, marker technology  is  used  to  improve  breeding  programmes  in  aquaculture,  and  DNA fingerprinting is  used  for  the  management  of  wild  fish  stocks  (including  traceability) 71 .  The  main  applications  are  for  faster growing fish species, controlling pests, and for fish stock management. Pharmaceutical  production is a small area that is covered in section 3.2.4.  GM methods have been used to increase growth rates and food conversion efficiency in At­  lantic salmon by inserting a Chinook salmon growth hormone gene that is switched on year­  round,  thereby  fostering  growth  year­round,  rather  than  mainly  in  the  summer.  The  variety,  marketed  as  AquaAdvantage®  salmon,  can  reduce  marketable growth  times  by  half.  The  product is not yet available within Europe or elsewhere as it is awaiting regulatory approval.  A second major application is to increase the immunity of fish and shellfish to pests, such as  bacteria and viruses. Research in this area has developed new GM strains of molluscs  with  improved  disease  resistance.  DNA  fingerprinting  can  also  be  used  to  identify  fish  diseases  and  parasites  in  farmed  populations  and  distinguish  between  harmful  and  benign  diseases.  For example, oysters can be affected by diseases that are difficult to distinguish. Some cause  high mortality rates and require the closure of the affected oyster farm, while others are rela­  tively harmless.  DNA fingerprinting has several applications for the management of wild fish populations, such  as distinguishing between different stocks of migrating fish. A fishery can be closed if an en­  dangered  stock  is  discovered  swimming  with  another  stock.  DNA  fingerprinting  can  also  be  used  to  determine  the factors  that  improve  the  survival  success  of  wild  species  that  are  re­  leased  from  hatcheries.  For  instance,  survival  can  vary  by  age,  location,  and  conditions  at  time of release.  There  are  several  potential  applications  of  biotechnology  for  European  aquaculture,  particu­  larly  for  salmon  and  molluscs  (clams  and  oysters).  The  relevance  of  biotechnology  for  managing European wild fish stocks partly depends on the economic value of migratory fish  stocks  that  are  subject  to  mixing  of  different  sub­populations.  In  this  context,  biotechnology  applications also include traceability in terms of distinguishing between farmed and wild­har­  vested products and the prevention of illegal over­fishing.  3.3.2.3  Insects  The  main  use  of  biotechnology  is  to  develop  GM  insects,  or  vectors  carried  by  insects,  for  pest resistance and pest control. An exception is to develop an insecticide resistance honey­  bee.  All  products  so  far  are  in  the  research  stage.  Research  on  pest  resistance  includes  breeding programmes to develop medflies (a serious tree fruit pest) that would reduce infes­  tation  levels,  either  through  male­only  strains  or  strains  that  pass  along  a  fatal  trait  to  de­  veloping  offspring.  Other  research  involves  developing  a  symbiont  of  the  vector  of  Pierce’s  70 

rd 

See Hasler JF. Factors influencing the success of embryo transfer in cattle, 23  World Buiatrics Congress, Quebec  City, 2004; Betteridge KJ. A history of farm animal embryo transfer and some associated techniques. Animal  Reproduction Sciences 79:203­244, 2003.  71  Future Fish: Issues in Science and Regulation of Transgenic Fish, PEW Initiative on Food and Biotechnology,  Washington DC, January 2003.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 32 of 172 

disease to kill the bacteria that cause Pierce’s disease in grapes, and developing GM bacteria  to express proteins that block the transmission of rice stripe virus by planthoppers.  The  relevance  within the  EU  of  the  application  of  biotechnology  to insects  is very  high,  par­  ticularly to develop methods of controlling insect pests or insect­vectored pests for high value  perennial  crops  such  as  vineyards  and  tree fruits  and for  high­value  horticultural  crops.  The  use of GM insects as a method for controlling insect pests could be an environmentally bene­  ficial and low cost solution for pest management.  3.3.3 

Crop production and forestry 

Biotechnology has a large number of applications to both food and non­food crops and con­  stitutes one of the largest areas of application of biotechnology to date. There are two main  applications:  MAS  (marker  assisted  selection)  to  speed  up  conventional  breeding  pro­  grammes and the development of GM crops. MAS is probably used at this time by all Euro­  pean seed firms, based on expected adoption rates in 1999.  3.3.3.1  Crop production using genetic modification  Globally, the visible commercial use of biotechnology in agriculture is dominated by the appli­  cation of GM technology to crops, with the use of MAS in conventional crops difficult to iden­  tify. This  is  largely  due  to first  generation GM  applications  based  on  a  single  gene  insertion  that confers either herbicide resistance or pest resistance (Bt varieties).  Almost all GM crop use is currently limited to four crop species; soybeans, maize, canola, and  cotton. This is partly due to the combination of economic and technical factors. Given the high  costs  of  developing  GM  varieties,  seed  firms  concentrated  their  research  on  major  global  crops with few technical barriers to GM. These provided the greatest opportunities for earning  a  return  on  their  investments.  Gradually,  the  cost  of  GM  has  declined  and  the  technical  barriers to GM modification in other major crops such as rice and wheat have been overcome.  Consequently, there are now GM varieties of wheat that should shortly be available and GM  has been applied to small market crops such as papayas and  some horticultural crops such  as lettuce. There are six main types of GM crops: grains, horticulture and vines, oil crops, fruit  trees, sugar beets, and non­food crops (primarily cotton).  Second  generation  GM  crops  based  on  improved  product  quality,  or  value­enhanced  crops  (VEC),  are  also  commercially  available  in  canola,  carnations,  peanuts,  soybeans  and  sun­  flowers. They account for only a very small percentage of total GM crop acreage. The product  quality characteristics that have attracted the most attention concern the characteristics of oils  and fats. Other product quality characteristics that are in the research stage involve the iron or  beta­carotene content of rice, storage and ripening characteristics, and protein content.  Many  applications  of  biotechnology  to  crop  production  have  commercial  applications  within  the EU, particularly for sugar beet, wheat, rapeseed (Canola) and maize. Bt­maize was grown  in  Europe  in  2005  commercially in five  countries  (ES,  FR,  CZ,  PT,  DE),  however  on  a very  limited area corresponding to about 0.5 % of the total acreage. Soybeans and cotton are not  as widely grown within the EU as in other countries such as the United States, South Ameri­  ca, and China.  3.3.3.2  Silviculture (forestry)  Biotechnology  applications to forestry  (excluding  orchard fruits)  include  the  use  of  MAS  and  GM in breeding programmes, and micropropagation, particularly using somatic embryogene­  sis.  Most biotechnology applications in tree breeding are still in the research stage and limited to  identifying markers or sequencing the genome of a few genera such as populus (aspen and  poplar), pinus (pine), eucalyptus and picea (spruce). Compared to breeding programmes for  crop plants, tree breeding is in a very early stage, with all plantation trees for wood and fibre  largely based on wild varieties. The only commercial GM tree plantation is in China. Research Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 33 of 172 

on  GM  trees  covers  herbicide  tolerance,  resistance  to  drought  and  stress,  wood  lignin  con­  tent, and pesticide resistance.  A potential application of biotechnology in silviculture is to create pest resistance in important  wood  and  fibre  tree  varieties  (pine)  and  in  ornamentals  and  street  trees  (elms,  chestnuts,  California oaks) that have been damaged by introduced pests. For example, the gene coding  for Bt has been experimentally introduced into poplar varieties to control leaf­eating insects.  Faster growing species is an important goal, but so far GM for this purpose is in the early ex­  perimental stages and based on higher efficiency of nitrogen assimilation and modification of  gibberellins synthesis.  A  major  use  of  wood  is  in  paper  production  and  as  a  source  of  energy.  Biotechnology  can  potentially  reduce  costs  by  producing  varieties  with  modified  lignin  that  is  more  suitable for  paper  manufacture,  or  types  of  wood  that  are  suited  for  specialty  papers,  such  as  for  high  quality  colour  printing.  An  alternative  is  to  reduce  paper  costs  (both  economic  and  environ­  mental) by developing better ligninolytic enzymes to break down lignin. For bio­energy, high  lignin tree varieties are preferred as they produce more energy per unit weight.  Micropropagation  covers  in  vitro  methods  of  vegetative  multiplication  of  large  numbers  of  clones through root cuttings, organogenesis, and  somatic embryogenesis. Root cutting tech­  niques are widely used for angiosperms (broadleaf trees) but are commonly viewed as part of  modern  biotechnology.  It  is  more  difficult  to  use  this  technique  for  conifers,  where  somatic  embryogenesis (SE) has attracted a lot of research attention, although not all technical prob­  lems have been solved. A major potential use of SE (with or without MAS) is to speed up tree  breeding programmes. Tree varieties often need to be grown for six or more years before it is  known if desirable traits are expressed, resulting in 15 to 20 years to develop a new variety,  compared to about 8 years for an annual crop plant. At six years of age, the tree is too old for  use  in  vegetative  propagation.  Different  varieties  developed  by  SE  can  be  both  grown  and  some clones frozen. The clones for the successful varieties can then be thawed  and propa­  gated, significantly reducing the time required for developing a new tree variety.  The relevance of biotechnology to forestry within the EU is limited by several important eco­  nomic constraints. The main future growth area for wood and fibre is in the tropics and semi­  tropics, where biomass production is many times greater than in the temperate forest zones  of the EU. As an example, one hectare of plantation in the tropics produces 40 cubic metres  of wood per year, with a harvest age at six years. In contrast, a hectare of forest in Sweden  produces 2 cubic metres per year with a harvestable age of 60 years. Not surprisingly, there  is  far  greater  interest  in  breeding  new varieties of fast­growing  short  rotation  trees  for  wood  and fibre in high growth tropical and sub­tropical zones. Second, Europe currently has a sur­  plus  of  wood,  with  annual  removal  only  60 %  of  annual  growth.  This  reduces  incentives  to  invest  now  in  new  plantations,  although  the  balance  should  turn  negative  by  2050.  The  net  result  is  that  there  has  been  very  little  private  sector  interest  in  using  GM  or  MAS  biotech­  nology to develop new wood and fibre tree varieties for temperate Europe. It is possible that  once current temperate forests have been fully exploited, most production will shift to warmer  countries.  The  main  relevance  of  biotechnology  to  European  silviculture  is  therefore  for  product quality rather than quantity and for pest resistance in ornamentals and street trees.  3.3.4 

Molecular farming 

Plants  and  animals  can  be  modified  to  express  complex  molecules  such  as  spider  silk  or  pharmaceuticals for  human  and  animal  use.  The most  developed  application is  for  pharma­  ceuticals,  where  there  are  three  main  uses:  production  of  vaccines,  diagnostics,  and  large  molecule bio­pharmaceuticals. In most cases the pharmaceuticals need to be extracted from  the  plant  or  animal  (such  as  from  goat  milk)  in  order  to  be  useful.  A  possible  exception  is  transgenic  plants  that  produce  vaccines  that  could  be  directly  consumed  by  humans.  Re­  search in this area is still in the laboratory stage.  For  diagnostics,  researchers  have  produced  transgenic  tobacco  plants  that  express  the  Hepatitis B core antigen. This antigen is used to  screen blood for Hepatitis B. Corn, rice ca­  nola,  tobacco,  tilapia,  and  goats  have  been  genetically  modified  to  produce  specific  human Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 34 of 172 

proteins  with  therapeutic  benefits.  Examples  include  the  anti­coagulant  Hirudin,  produced  in  transgenic canola, and human clotting factor VII, produced in the fish species tilapia.  3.3.5 

Barriers for the application of biotechnology in the agro ­food sector 

Animal  applications  of  biotechnology  within the  EU  faces  serious  ethical  barriers,  especially  for GM animals for food uses (GM animals for molecular pharming is less controversial) and  for GM supplements, particularly bST, and xenotransplantation. These raise ethical concerns  about  the  impact  of  biotechnology  on  animal  welfare  and  rights.  Public  acceptance  of  GM  animals for food is likely to take much longer to achieve than public acceptance of GM crops.  For the foreseeable future, the application of biotechnology to animal breeding is likely to be  based on MAS rather than on GM technology.  The  main  barriers  to  the  adoption  of  biotechnology  to  European  fisheries  include  environ­  mental, public health, and economic factors. The major environmental concern is the escape  of GM fish from open­water  pens into  surrounding  waters. This could reduce the genetic di­  versity of the wild population if the farmed fish mate with sexually compatible wild fish, or es­  caped transgenic fish could become an invasive species that replaces wild fish stocks. Public  health concerns include accidental changes to the edibility of GM fish and other marine ani­  mals  due  to  increases  in  allergens,  toxins,  or  hormones  due  to  the  change  in  the  genetic  make­up.  The main barriers for the application of GM technology to insects are environmental, techni­  cal, and economic. Because their additional traits remove some of the biological boundaries  that differentiate them from their non­GM counterparts, GM insects could become agricultural  or environmental pests. As an example, an insecticide resistant honeybee could be a disaster  if the honeybee interbred with aggressive varieties of bees  with little agricultural value and if  resistance  was  to  a  broad­spectrum  of  insecticides.  The  main  technical  barriers  concern  differences between laboratory results and field results, particularly because it is more difficult  to control a field release of a GM insect than a GM plant.  Consumer  resistance  to  GM  crops  is  the  single  largest  barrier  to  the  adoption  of  GM  crops  within  Europe.  There  is  no  visible  opposition  to  the  use  of  MAS  in  plant  breeding  pro­  grammes, however. The main economic problem raised by consumer resistance is likely to be  experienced  by  the  dwindling  number  of  small  seed  firms  that lack  subsidiaries  in  countries  such as Argentina, the United States, China, or Canada  where GM crops are  widely grown.  The  larger  European  seed  firms  (BASF,  Bayer,  Syngenta,  KWS  and  Limagrain)  are  less  affected because they have extensive research and marketing operations in countries where  GM crops are permitted. As long as CAP distorts farm gate prices and as long as the financial  benefits  of  GM  crops  are  low,  there  are  unlikely  to  be  significant  economic  effects  of  GM  crops on the European agricultural sector.  The  main  barriers  to  adoption  of  biotechnology  to forestry  concern  gene  flow  and  tri­trophic  effects,  where  GM forest  plantations  could  have  a  negative impact  on the food  chain. Gene  flow is of greater concern for some forestry species than in agriculture because of the size of  forest plantations and the distance where wind spread pollen is viable­ 600 km for some pinus  species.  Another  environmental  concern  has  economic  implications.  New  tree  varieties  are  likely to be grown in large, mono­culture plantations. An error, such as an unknown suscepti­  bility to a pathogen or an undesirable phenotypic trait, can lead to plantation failure, where the  entire tree crop is lost or damaged. Depending on the harvest cycle, this can take many years  to show up, increasing economic risk. As noted above, the main economic obstacle is that the  future growth area for wood and fibre is in the tropics and semi­tropics, where biomass pro­  duction is many times greater than in the temperate forest zones of the EU.  The barriers to ‘molecular pharming’ include concerns over bio­pharmaceuticals entering the  food supply (a problem that could be avoided by not using food plants such as canola, corn or  rice) and economic competition from alternative methods of producing large molecules. At this  time, it is not clear which method of producing bio­pharmaceuticals will have a cost advantage  over the long term. Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 35 of 172 

Finally,  many  applications  of  biotechnology  in  agriculture,  including  both  GM  and  non­GM  biotechnologies, must compete with alternative technologies to achieve similar ends. Conse­  quently,  a  major  barrier  consists  of  competitive  alternatives,  such  as  the  ability  to  develop  conventional  crop  varieties  with  desirable  traits  at  less  cost  than  developing  varieties  using  MAS or GM, or using feed additives instead of new varieties of feed crops to provide livestock  with trace nutrients.  3.4  3.4.1 

Biotechnology in industrial manufacturing, energy and environment  Introduction 

Industrial biotechnology uses biotechnological processes, mainly based on fermentation and  biocatalysis  (enzymatic  processes),  to  produce  a  large  variety  of  products.  The  distinction  between traditional biotechnology and modern biotechnology is especially in this sector hard  to  make.  Natural  processes  like  fermentation  are  being  improved,  optimised  by  all  kind  of  technologies, including new key biotechnologies. Nowadays fermentation has become a fully  controlled and highly efficient and modern process; though it is still fermentation.  The industrial biotechnological production chain starts with the raw materials. These are crops  and/or organic by­products from agricultural sources and households that are first converted  into sugars. During the production process  ‘green’ raw materials (or biomass) are converted  by  tailor­made  microorganisms,  cell  lines  or  isolated  enzymes  into  the  desired  products:  chemicals,  biomaterials  and  bio­fuels.  These  are  discussed  in  more  detail  in  section 3.4.2.  Enzymes  are  an  important  group  of  products  of  industrial  biotechnology.  A  number  of  en­  zymes are directly available in consumer products such as detergents, but a large number of  enzymes are used as biocatalysts in downstream industries. This is also part of the industrial  biotechnology chain (see figure 3.1) and is discussed in section 3.4.3.  The use of biotechnology in production as discussed in sections 3.4.2 and 3.4.3 can lead to  cleaner  production  processes  (less  use  of  chemicals  and  raw  materials,  less  emissions  of  chemicals  including  CO2)  and  higher  energy  efficiency.  Except  for  these  process­integrated  clean  biotechnologies,  also  the  so­called  ‘end­of­pipe’  use  of  biotechnology  –  i. e.  bioreme­  diation  ­  is  addressed  in  this  chapter.  The  treatment  of  air,  effluent  gases,  soil  and  land,  waste­water and industrial effluents, solid wastes and  the use of biosensors for bioremedia­  tion are presented in section 3.4.4. Biotechnology is often qualified as a sustainable alterna­  tive for chemical processes. Although, the chemical industry has been very successful in de­  veloping  sustainable  chemical  solutions,  the  uptake  of  biotechnology  has  met  some  serious  barriers; these are discussed in section 3.4.5.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 36 of 172 

Figure 3.1: 

The Industrial Biotechnology Production Chain 

Biomaterial  (biopolymers, etc) Production and  preparation of  biofeed stocks  (vegetable oils,  sugars, etc) 

Chemicals  (enzymes,  vitamins, acids,  antibiotics,  steroids etc) 

Food and Feed 

Textile and  Consumers  Pulp and Paper 

Biofuels (bio­  ethanol,  biodiesel) 

Others 

Specialised and supportive products and services (consultancy,  instruments, software, recruitment, etc) 

Source: 

Enzing and Kern (2004) 72 

3.4.2  Biotechnology for fuels, chemicals and materials  3.4.2.1  Biofuels  Biodiesel  and  bioethanol  are  already  on  the  market  in  a  number  of  countries  around  the  world, although in most cases tax credits are applied in order to achieve competitive market  prices.  Growth  volumes  of  9  to  10 %  are  expected  the  coming  ten  years  due  to  the  imple­  mentation of EU regulations.  Biodiesel – an equivalent to petroleum distillate ­ is derived from de­esterification and methy­  lation of plant and animal oils and fats. New sources like algae are under investigation. Bio­  ethanol is mostly made from sugar cane, corn and other starch crops. Biogas or methane is  produced by the fermentation of organic matter including manure, wastewater sludge, munici­  pal solid waste.  Large research programs are running in order to develop high­yield low­cost bio­fuel crops, to  improve the capacity of bacteria to transform sugars to ethanol, to enhance  ethanol tolerant  microorganisms to speed up the fermentation process of sugars into ethanol, to develop effi­  cient  and  low­cost  bioprocessing  technology  for  ethanol  recovery,  and  to  degrade  trace  amounts of toxic organic compounds into harmless compounds. The advent of high through­  put genome mapping and microarray analysis of gene/protein expression has provided scien­  tific breakthroughs in the understanding in plant biotechnology, and of structure and function  in  plant  systems  for  biofuels  and  chemicals  production.  A  specific  problem  that  has  to  be  tackled  deals  with  the  plant  cellulose.  By  weight,  plants  consist  of  70­80 %  of  cellulose  (cell  72 

Enzing, C.M. and S. Kern (2004): Industrial Biotechnology in the Netherlands. Economic Impact and Future  Developments (in Dutch), Delft. 

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 37 of 172 

walls).  It  is  very  expensive  (partly  due  to  the  cost  of  the  enzymes  used  in  this  process)  to  make  the  plant  cellulose  ­  especially  the lignocellulose  and  hemicellulose  ­  available for fer­  mentation  processes.  Biotechnological  research  is  currently  developing  cheaper  enzymes  and new bacterial strains in order to make the cellulose sugars better available.  Bioconversion technologies are under development for the production of liquid fuels such as  ethanol  from  synthetic  gas.  Synthetic  gas  is  produced  through  partial  oxidation  of  carbon  containing materials and contains CO, H2  and CO2. Traditionally, wood was the main source  of  synthetic  gas,  but  agricultural,  municipal,  and  paper  waste  are  now  being  used.  Some  types of biomass are also specially grown for this purpose.  The application of biotechnology in the fuels sector also includes the microbial desulphurisa­  tion  of  fossil  fuels.  Sulphur  has  to  be  removed  from  fossil  fuels  because  the  combustion  of  sulphur  molecules  in  coal  and  petroleum  leads  to  the  production  of  sulphur  oxides,  which  have a very negative environmental impact. Through genetic and metabolic engineering, new  microbial strains have been produced that  have a desulphurisation activity 100 times higher  than  wild  strains.  Biotechnology  is  being  used  for  recovering  additional  oils  from  in­ground  crude oil­formations. This includes the use of biosurfactants: bacteria injected in the crude oil­  formations  secrete  surfactants  that  solubilise  oil that was  not  released  in  the  initial  pumping  operation.  Other  applications  of  more  traditional  biotechnology  are  the  decentral  biogas  powerplants and the application of bacteria for purifying oil and coal for more efficient power  generation will not be addressed.  3.4.2.2  Chemicals  Biotechnology is increasingly penetrating the chemical industry as some chemical processes  are replaced by bioconversion processes (fermentation through microorganisms or cell lines)  and  as  biocatalysts  (enzymes)  replace  chemical  catalysts.  However,  a  large  number  of  products of the chemical industry traditionally always have been produced through bioconver­  sion processes, including enzymes, antibiotics, amino acids, vitamins and fine chemicals such  as chiral building blocks for the pharmaceutical industry 73 .  The  microorganisms  (e. g.  bacteria,  moulds,  fungi,  and  yeasts)  or  cell  lines  from  animal  or  human origin that perform the bioconversion processes in the chemical industry can be con­  sidered as mini­production plants based on the metabolism of the microorganism or cell. Re­  search  is  constantly focussed  on  improving  these  processes  by  up­grading  the  enzymes  in­  volved in the metabolic reactions. The genomes of most industrial organisms that are used for  a wide range of biotechnological production processes in the chemical industry have already  been sequenced. Genomics­based research strategies will lead to in­depth knowledge of the  microbial  activity  of  these  organisms.  On  the  basis  of  this  knowledge,  genetic,  protein  and  metabolic pathway engineering tools are and will be used to optimise the industrial organisms  in  order  to  achieve  more  efficient,  cheaper  production  processes  with  higher  yields  and  to  develop production processes for new enzymes and other products.  New  enzymes can also be found in microorganisms that live in difficult environments (extre­  mophiles living in the deep sea, on geothermal vents, or on heavily polluted sites). As some of  the  features  of  the  novel  natural  enzymes  are  undesired  when  removed  from  their  natural  habitats into the industrial context, engineers use the ‘directed evolution’ technique in combi­  nation  with  the  ‘DNA  shuffling’  technique for modifying  the  properties  of  natural  enzymes  or  proteins in order to create desirable properties.  Examples  of  production  processes  in  the  chemical  industry  in  which  one  or  more  chemical  production steps have been replaced by bioconversion steps and biocatalysis are the produc­  tion of Vitamin B2 (riboflavin) and of Cephalexin and Amoxicillin (both antibiotics). In the Vi­  tamin B2  production  process,  the  eight­step  chemical process  has  been  replaced  by  a  one­  step fermentation process (moulds and yeast are used). The 10­step (bio)chemical synthesis  process of Cephalexin has been replaced by a biotechnological process including fermenta­  73 

Gavrilescu, M. and Y. Chisti (2005): Biotechnology – a sustainable alternative for Chemical Industry. A research  review paper.  Biotechnology Advances 23, pp 471­499.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 38 of 172 

tion  and  enzymatic  reactions.  The  new  all­enzymatic  production  process  of  Amoxicillin  has  replaced a partly chemical synthesis process that created problems (colouring of product) 74 .  A somewhat different application of bioconversion in the chemical sector is the use of bacteria  in the mining process of medium and high­value chemicals, such as copper, zinc and cobalt.  Bioleaching (with bacteria) and extraction from sulphide ores through bio­oxidation are being  used in this sector.  3.4.2.3  Bio­based polymers  A  separate  category  of  chemicals  consists  of  biomaterials.  This  includes  the  production  of  bioplastics from starch (corn, potatoes). Biotechnology research is focussed on the develop­  ment  of  new  metabolic  pathways  in  microorganisms  that  produce  polymers  or  polymer  building blocks  with specific characteristics. Cahill and Scapolo (1999) 75  expect that in 2010  10  to  20 %  of  the  world  production  of  chemical  materials  will  be  replaced  by  biomaterials.  However, a more recent study states that the future markets share of bio­based polymers in  Europe will stay relatively small: 1 to 4 % in 2020 (IPTS, 2004) 76 .  Poly­lactic acids (PLA) have been synthesised for more then 150 years from biomass, but it  had  some  major  disadvantages:  unstable under  humid  conditions.  In  2002,  a  bioconversion  process  using  a  bacterium  was  developed  that  converted  corn  sugar  into  mono­lactic  acid  molecules.  By  heating  these  mono­lactic  acid molecules,  a  bio­degradable  PLA for  use  in  a  large  variety  of  plastics,  including  polyesters,  was  developed.  The  polymers  are  used  for  clothing, packaging materials and electronic goods.  Other  developments  in  this  field  include  the  development  of  fibres  on  the  basis  of  1,3­pro­  panediol, with properties better than polyesters and nylon. A pilot plant for the production of  1,3­propanediol will come into production in 2006. On the basis of a rational design strategy,  eight genes (from yeast and from Klebsiella sp) were inserted into E.coli bacteria; additionally  eighteen  chromosomal  genes  were  altered.  In  the  final  process  glucose  was  converted  through  a  number  of  steps  into  1,3­propanediol.  Each  step  produces  intermediate  products  (1,2­propanediol, DHAP, DHA, glycerol, reuterin) that can also be  used as intermediates for  other products 77 .  3.4.3 

Use of biocatalysts in down stream sectors 

The  enzymes  produced  by  the  chemical  industry  are  used  in  consumer  products  and  in  in­  dustrial production processes in a number of down stream industries. The most important are  food and feed, textile and leather, and pulp and paper. Enzymes are also used in the produc­  tion of intermediates for the pharmaceutical industry (see above) and on a much smaller scale  in a number of other sectors, including the degreasing of galvanised metal 78 .  3.4.3.1  Food and feed industry  Biotechnology is an important tool in the food industry and one of the most important are en­  zymes. Enzymes in food processing are used for enhancing processing characteristics (such  as  higher  yields,  more  specific  conversions,  shorter  production  cycles),  enhancing  product  characteristics (flavour and colour) and enhancing product qualities (better digestibility). The  most commonly used enzymes in food production are amylases (hydrolyses of starch), prote­  ases (processing of cheese and meat), pectinases (clarification of juices), lipases (modifica­  tion of fats) and glucose isomerase (production of fructose).  The latter represents the most  important  in  terms  of  volume  and  is  used  in  the  production  of  High  Fructose  Corn  Syrup  74 

OECD (2001): The Application of Biotechnology to Industrial Sustainability, Paris.  Cahill, E., Scapolo, F. (1999) Technology Map, Futures Report Series 11, EUR­19031­EN, Dec 1999. Published  online at: http://futures.jrc.es/menupage­b.htm  76  IPTS (2005): Techno­economic feasibility of large­scale production of bio­based polymers in Europe, EU­JRC­  IPTS, Seville.  77  Sasson, A. (2005): Industrial and Environmental Biotechnology. Achievements, Prospects and Perceptions, UNU­  IAS Report.  78  For an overview see: IPTS (1998): Biocatalysis: state of the art in Europe, EU­JRC­IPTS Seville. 75 

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 39 of 172 

HFCS. Then there is also the use of enzymes for cheese making. Chymosin, or rennet, is the  milk clotting enzyme used to make cheese. It was traditionally extracted from calf stomachs,  but the gene for the enzyme was cloned in microbes so that it could be produced by fermen­  tation.  The main food industries that use enzymes are the bakery sector, dairy industry, beer, wine  and soft drinks industry, olive and edible oils industry, and the meat and fish sector.  Enzymes are increasingly used to improve animal feed. They are used for the enhancement  of  general  nutrient  availability,  for  the  degradation  of  non­starch  polysaccharides  (found  in  cereals and vegetable proteins), for the increased availability of dietary energy in feed and for  the improvement of nutrient availability of cell­wall carbohydrates.  3.4.3.2  Textile and leather  Biotechnology, in this case the use of enzymes, is becoming increasingly important in the tex­  tile and leather industry. Enzymes are used in the pre­treatment of textiles (including desizing,  degreasing,  scouring  and  bleaching)  and  finishing  (including  bio­stoning  of  denim,  bio­  polishing,  fibre  modification  such  as  anti­felting,  depilling,  improved  dye  uptake  and  sof­  tening).  Such  as  pectinases  and  hemicellulases  for  removing  pectins  and  hemicelluloses  associated  with  flax;  pectinases,  hemicellulases,  proteases  and  lipases  for  cleaning  raw  cotton; oxidoreductases and peroxidases for bleaching fibres; catalases for removing residual  hydrogen peroxide associated with the fibre bleaching process, etc. The leather industry uses  enzymes for soaking, bating (improve pliability), degreasing and enzyme­assisted dehairing of  skins.  However, biotechnology also offers the opportunity to produce fibres with improved or novel  features such as new breeds of genetically modified cotton that contains a bacterial gene that  makes a poly­ester like substance. Other applications are the microbially based fermentation  process for the production of fibres which is discussed in the biopolymer section  3.4.3.3  Pulp and paper  Traditionally  in  this  sector  biotechnologies  were  mainly  applied  in  the  waste  treatment  pro­  cess.  Nowadays  cleaner  production  is  achieved  also  by  process­integrated  water  treatment  using biologically treated process water. Application of enzymes in the pulp and paper indus­  try  include  biopulping,  de­inking,  biobleaching,  reduction  of  fibre  coarseness,  improving  the  drainage rate of water out of the pulp material, increasing paper density and smoothness, and  improving the appearance of paper products. The application of enzymes contributes to better  availability of wood raw material, savings in the consumption of white carbon, surface active  chemicals and chlorine; and decreases in chemical costs, cleaning frequency and the number  of  stops.  For  the  latter  the  microbial  reduction  of  pitch  (the  extractives  that  cause  negative  effects  in  the  paper making  process)  is  carried  out  by microbes  or  by  an  enzymatic method  (using  lipases)  on  refined  fibres  before  papermaking.  The  lipase  treatment  also  allows  for  savings in the consumption of white carbon, surface active chemicals.  3.4.4 

Bioremediation 

Bioremediation  consists  of  processes  that  use  microorganisms  or  their  enzymes  to  clean  waste  streams  of  industrial  processes  or  contaminated  sites  from  specific  contaminants.  Generally, bioremediation technologies can be classified as in situ or ex situ. In situ bioreme­  diation  involves  treating  the  contaminated  material  at  the  site  while  ex  situ  involves  the  removal  of  the  contaminated  material  to  be  treated  elsewhere.    A  specific  application  of  biotechnology is the use of biosensors for in situ monitoring of bioremediation processes. The  role of modern biotechnologies in bioremediation is rather small and can be found mainly in  79  biosensors  . 

79 

BIO (2004): New Biotech Tools for a Cleaner Environment. Industrial Biotechnology for pollution prevention,  Resource Conservation and Cost Reduction, Biotechnology Industry Organization, USA, OECD (1998)

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 40 of 172 

3.3.4.1  Water  Bioremediation technologies have to compete, on the basis of cost­benefit analysis, with other  technologies.  They  have  proven  to  be  the most  attractive techniques  for treatment  of  waste  water containing the more common organic pollutants, and for domestic and industrial waste  water. Biological treatment techniques include both anaerobic and aerobic treatment with mi­  croorganisms, depending on the type of water to be processed. Effective and controlled bio­  removal of nitrate and phosphate contamination from wastewater has become possible.  3.4.4.2  Air and effluent gases  Bioremediation technologies that remove contaminants from air and effluent gases (odorous  gases, toxic pollutants) primarily consist of biofiltration, followed by bioscrubbing and biotrick­  ling filtration.  These  techniques  are  widely  applied,  but  compete  with  other  technologies,  as  they are not able to treat all types and concentrations of pollutants.  3.4.4.3  Soil  The use  of biotechnologies in soil treatment is still rather limited. Land farming is the use  of  bacteria  to  clean  in  situ  contaminated  sites,  with  minimal  disruption  and  the  degradation  of  pollutants  to  harmless  substances.  Old  industrial  sites  (former  refineries,  and  gas  works,  petrol filing stations) can especially benefit from biotechnological treatment methods.  3.4.4.4  Solid waste  Bioremediation is used in organic waste management in a large number of countries, but it is  largely limited to wastes with a high proportion of organic materials. Other applications could  be the detoxification of solid waste and digestion of waste with organic content (oil, solvents).  3.4.4.5 Biosensors  Biosensors are used for continuous and in situ applications in bioremediation processes, but  also  in  groundwater  surveillance.  They  monitoring  contaminated  organic  media  or  process  streams  that  contain  mixed  organic  wastes.  They  measure  the  interaction  of  pollutants  with  biological  systems  through  a  biomolecular  recognition  capability  attached  to  a  signal  trans­  ducer.  The  sensing  element  can  be  enzymes,  antibodies  (as  in  immunosensors),  DNA,  or  (genetically modified) microorganisms.  3.4.5 

Barriers for the application of biotechnology in industrial manufacturing, ener­  gy and environment 

Cost of raw materials  One  of  the main  barriers  in the first  stages  of  the industrial  biotechnology  business  chain  is  the price of raw materials. Sugars are currently the preferable renewable raw material for in­  dustrial bioprocesses, but sugar prices are relatively high, especially in Europe ­ where they  are  kept  high  to  protect  European  farmers  from  foreign  competition.  The  competitive  edge  may come from tax credits, but also from government support for R&D­programmes that lead  to new bioprocesses that use cheap feedstock, such as agricultural waste streams.  The cost of producing biofuels has to compete with the lower cost of fossil fuels. The oil price  has  increased  considerably  in the last  two  years,  which  brings  the  break  even  point for  bio­  fuels closer to the cost of fossil fuels. Because of the important contribution of biofuels in de­  creasing  CO2  emissions,  some  governments  have  recently  implemented  tax  credits  and  regulations to stimulate the use of biofuels. 

Biotechnology for Clean Industrial Products and Processes, Paris and OECD (1994) Biotechnology for a Clean  Environment. Prevention, Detection, Remediation, Paris.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 41 of 172 

Economic and environmental competitiveness of industrial bioprocesses  The  barriers  that  prevent  an  increased  uptake  of  bioconversion  processes  in  industrial  pro­  cesses have been analysed thoroughly. This has been done from an economic perspective,  through  comparative  cost­benefit  analysis  of  bioconversion  technologies  with  competing  chemical and physical technologies. Research  has also included the public good benefits of  bioconversion  from  its  environmental  advantages.  These  are  due  to  lower  operating  tem­  peratures and pressures and biocatalysts are biodegradable, whereas inorganic catalysts are  not.    One  of  the  main  conclusions  of  these  studies  was  that  without  external  pressure,  en­  vironmental  improvements  alone  are  unlikely  to  lead  companies  to  change  their  production  processes. Governmental legislation, for instance by offering financial incentives for improved  sustainability,  as  is  already  the  case  in  the  use  of  biofuels,  can  be  a  main  driver  for  this  80  change  .  Consumers’ acceptance of GM produced enzymes  Consumers’ acceptance hardly plays a role in this sector as most products are inputs for pro­  duction  processes,  i. e.  they  operate  in  a  business­to­business  market.  An  exception  is  the  use  of  enzymes  in  food  production  that  are  produced  by  genetically modified  organisms.  In  the  past,  in  some  countries  consumers  and  consumers  organisations  have  expressed  their  resistance to this use of specific enzymes, for instance in cheese making. Also, the produc­  tion  of  food  additives  such  as  vitamins  by  GM  organisms  is  a  controversial  topic  for  some  consumers.  A  Commission  supported  survey  of  public  attitudes  in  Europe  showed  that  GM  enzymes for the production of environmentally friendly soaps and detergents is seen as use­  ful and is supported by a majority of Europeans (France is an exception) 81 .  Bioremediation  As  bioremediation  takes  place  at  the low­value,  end­of­pipe  part  of the  industrial  production  chain,  fewer  resources  are  available  to  develop  bacteria  or  enzymes  that  have  higher  cleaning capacity or that can treat more substances then now is possible, for instance heavy  metals or toxic substances. Government policies (regulations, taxes, R&D programmes) can  provide incentives to increase the development and use of end­of­pipe biotechnologies.  Sunk investments and sunk cultures  A  general  barrier  for  all  sectors  covered  in  this  chapter is  that  high  investments  have  to  be  made  in  new  bio­based  production  facilities.  Notwithstanding  the  promises  of  biotechnology  as a cleaner technology, the sunk investments in existing processes are a serious barrier for  the  introduction  of  bio­based  processes.  Introduction  of  biotechnology  implies  considerable  investments in the building of new or pilot plants and equipment for treating waste water, soil  or air. Optimisation of existing processes seems to be the main cost­saving strategy.  Another related barrier deals with the cultural differences between chemical and petrol based  disciplines and biological disciplines. As most companies that use or can  use bioconversion  technologies are traditionally chemical companies or chemical­mechanical engineering com­  panies  (in  the  case  of  remediation),  it  is  difficult  to  persuade  chemical  engineers  of  the  ad­  vantages  of  bioconversion  techniques.  So,  not  only  sunk  investments  but  also  sunk  ex­  periences and cultures work against the adoption of bio­based principles in industrial produc­  tion processes 82 . This is one of the reasons why there is a lack of awareness within chemical  companies of the pro’s and con’s of introducing biobased productions processes. 

80 

Ast, van J. et al (2004) Industrial Biotechnology Sustainable Tested. An investigation into the contribution of  industrial applications of biotechnology to sustainable development (in Dutch), in order of the Dutch Ministry of  Housing, Spatial Planning and the Environment, Den Haag.  81  Gaskell et al. (2003): Europeans and Biotechnology in 2002. Eurobarometer 58.0, A report to the EC Directorate  General for Research from the project 'Life Sciences in European Society', Brussels.  82  Enzing, C.M., B.F. Filius and R. van der Meijden (1993): Mid­term Evaluation of the Innovation Research  Programme on Catalysis Research (in Dutch), TNO­STB, Apeldoorn.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 42 of 172 

4.  Concept for elaborating indicators  4.1 

General approach 

The  key  objective  of  Task  1  is  to  identify  appropriate  indicators  for  assessing  the  conse­  quences  of  biotechnology  applications  in  Europe.  This  requires  a  conceptual  framework  for  differentiating  biotechnology  into  several  stages  that  can  be  measured  through  indicators.  Figure 4.1 summarises these stages and identifies three main types of indicators.  Figure 4.1: 

Conceptual framework for biotechnology indicators  Policy goals 

impact 

Products  output  Application  fields 

Services  Processes 

input 

Biotechnology 

The focus of the analysis is on identifying indicators that can capture the development, diffu­  sion  and  impacts  of  biotechnology  in  specific  application  fields.  Therefore,  indicators  are  classified into three main categories (figure 4.1).  Input  indicators  describe  capabilities  and  capacities  in  researching  and  developing  biotech­  nologies. They include the necessary knowledge to develop biotechnology applications and to  apply them in various economic sectors.  Output indicators evaluate the extent of adoption and use of biotechnology products, services  and processes within each application field.  Impact indicators assess the economic, social and environmental impacts of modern biotech­  nology  applications.  Biotechnology inputs  such  as  R&D  can  also  directly  affect  policy  goals,  as indicated by the arrow on the right hand of figure 4.1, independently from its adoption by  various industry sectors.  The  general  approach  to  developing  suitable indicators  according  to  this  framework  com­  prises three steps: first, to describe the phenomena to be measured by each indicator cate­  gory; second, to propose  suitable indicators for these  phenomena; and third, to assess  data  availability  and  quality  for  the  proposed  indicators.  This  three­step­procedure  is  followed  in  chapters 5 to 9.  4.2 

Generic, application­generic, and application­specific indicators Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 43 of 172 

In addition to the typology of input, output and impact indicators noted in figure 4.1, there are  also generic, application­generic, and application­specific indicators.  Generic indicators use comparable numerators and denominators common to all applications.  An  example is  total  R&D  spending  on  biotechnology, or  the  share  of  biotechnology  patents  out of all patents. Many generic indicators can also be created for specific applications (appli­  cation­generic), such as total R&D spending in health biotechnology or biotechnology patents  for industrial applications. Application­specific indicators are only available for a specific appli­  cation  and  have  no  equivalent for  other  applications.   An  example is  the  share  of  crop  hec­  tares planted to GM varieties.  Generic indicators are essential for assessing the main economic consequences of biotech­  nology. However, the focus on the consequences of biotechnology means that it is essential  to  be  able  to  construct  application­generic  and  application­specific  input,  output  and  impact  indicators.  Application­specific  indicators  are  required  because  many  of  the  expected  eco­  nomic and social benefits of biotechnology are due to conditions that cannot be generalized  across  sectors.  The  use  of  GM  crops, for  example,  should  reduce  employment  in  the  agro­  food chain whereas biotechnology applications in therapeutics could increase employment in  the  pharmaceutical  sector.  Many  application­specific  indicators  are  also  of  relevance  to  the  social and environmental consequences of biotechnology.  Table 4.1 gives examples of the types of biotechnology indicators used in this report. Of note,  three of the nine cells are largely empty, with very few relevant indicators.  Table 4.1: 

Typology of biotechnology indicators with examples  Generic 

Inputs 

Total biotechnology  R&D/ total R&D  ­­ 2 

Outputs 

Impacts 

Application­generic  Total biotechnology  health R&D / total bio­  technology R&D  ­­ 2 

Total value­added of  Total value­added of  biotechnology goods  health biotechnology  and services / total GDP  goods and services /  health sector value­  added 

Application­specific  ­­ 1 

Hectares planted with  GM maize / total hec­  tares planted with maize  Number of DALYs  gained per year from  bio­therapeutics per  capita 

1:  There are few, if any inputs that are only application specific (financial inputs, researcher FTEs, publications,  patents, etc).  2:  Largely empty cells, as most outputs are application­specific. Two examples of generic output indicators are the  number of biotechnology products on the market, which has very poor comparability across application fields,  and the number of firms using at least one biotechnology in production. 

4.3 

Data evaluation 

Four main criteria are used to evaluate data availability and comparability across countries or  application fields: · Data coverage (share of countries and/or application fields for which data are available at  a reasonable cost and effort) · Data source Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 44 of 172 

· Definition (how biotechnology is defined) · Timeliness (latest available year, period covered)  Data availability can be determined after the data gathering exercise by evaluating data avail­  ability by country or application field. An assessment of comparability requires information on  the data source, definition, and timeliness.  For all indicators, metadata 83  on these criteria need to be collected for each country.  As an example, the metadata on business R&D expenditures would need to include, for each  country, the source of the data, the definition of both biotechnology and a biotechnology firm,  and the reference date for the indicator. All three characteristics can affect the comparability  of data across countries. Of note, full comparability across countries is an unrealistic goal at  this time.  In most  cases,  data  for the  denominator for indicators  will  come from  highly  reliable,  official  sources, such as population data (per capita, working population, number of researchers). In  a  few  cases  data  for  the  denominator  will  be  obtained  from  a  survey  and  will  require meta­  data. An example is the indicator biotech revenues/total revenues. The data on total revenues  of biotechnology firms will also come from a survey.  Data source: The most reliable indicators are obtained from complete population data, such  as  for  patents,  field  trials,  or  the  number  of  bio­pharmaceuticals  with  marketing  approval;  followed  by  data  from  official  national  surveys  based  on  samples  (such  as  R&D  data),  data  from  public  research  groups  and  consortia 84 ,  and  lastly  from  data from  surveys  run  by  con­  sulting firms 85  (number  of  core  biotechnology firms  or  biotechnology venture  capital). Wher­  ever possible, official national data and data from public research groups are preferred over  data  from  consulting  firms.  However,  some  types  of  indicators  are  only  available  from  con­  sulting firms or from a range of eclectic sources.  Definition  of  biotechnology:  The  OECD  list­based  definition  of  biotechnology  (see  chap­  ter 2)  has  been  adopted  by  several  countries  and  will  therefore  improve  comparability  for  these  countries.  Other  definitions  are  also  in  use.  For  example,  Japan  includes  traditional  food  fermentation  in  biotechnology,  although  the  OECD  list­based  definition  excludes  this  form of traditional biotechnology.  An issue that is particularly relevant to biotechnology statistics is differences in the definition  86  of the  population  of  ‘biotechnology’ firms,  excluding  public  research  organisations  (PROs)  .  Three main definitions are in use: 1) all firms with some biotechnology activities, 2) dedicated  or ‘core’ biotechnology firms where biotechnology is central to the firm’s activities or business  strategies, and 3) small core or dedicated biotechnology firms with less than 250 or 500 em­  ployees (the size cut­off varies by country).  The second and third definitions are more widely used than the first definition because of diffi­  culties  in  identifying  the  biotechnology  activities  of  large  firms.  Studies  based  on  the  third  definition  of  dedicated  biotechnology  firms  usually  assume  that  all  employment  or  R&D  is  ‘biotechnology related’. This is already a heroic assumption for small firms, but it is completely  untenable for large multinational firms for  which  biotechnology  could  be  only  a  small  part  of  83 

Metadata refers to all information on the data source, such as survey quality, plus other relevant information, such  as differences in the wording of a survey question.  84  See for instance, Reiss et al. (2005), Enzing et al. (2005).  85  The main disadvantage of data from consulting firms is that the data provider rarely gives details on the size of  surveys and response rates and the data sources. This makes it impossible to assess the quality of the data. In  addition, consulting firms are usually in the business of promoting the biotechnology sector. This could be one reason  why consulting firm estimates for employment or revenues are often higher than estimates obtained from official  surveys.  86  A PRO is an organisation performing research of which the main source of funds comes from other public  organisations, and which is in public ownership or control. Research organisations of officially recognised charities or  foundations, which raise the majority of their funds from the general public, are also considered as PROs. (Definition  from EU funded BioPolis project).

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 45 of 172

their total R&D, employment, or sales. For this reason, it is crucially important that metadata  on  the  definition  of  biotechnology  firms  be  collected  with  all  data  on  biotechnology  inputs  (employment, R&D, revenues etc). Furthermore, input indicators for the business  sector can  only be compared across countries when based on the same definition of biotechnology firms.  Reference  date:  Biotechnology  is  a  rapidly  changing  field.  Therefore,  the  latest  available  reference  date  for  each  indicator  is  very  important  and  will  influence  comparability  across  countries. For example, biotechnology R&D data for 2000 in country x is unlikely to be com­  parable  with  biotechnology  R&D  data for  2003 for  country  y.  In  order  to  evaluate trends,  in­  formation  should  also  be  collected  on  the  number  of  years  for  which  comparable  data  are  available.  Time  series:  Time  series  data  are  very  useful for many  purposes,  such  as  determining  the  rate of adoption of biotechnology, extrapolating trends into the future, or evaluating changes  over  time  in  research  fields  (for  instance  using  patent  data).  Consequently,  information  on  time series data should be gathered. This includes the first year of data availability and infor­  mation  on  breaks  in  time  series,  such  as  a  change  in  the  definition  of  an indicator.  Unfortu­  nately, many  useful indicators,  such  as  R&D  investment,  are  only  available for  a few  years,  with frequent changes to the indicator definition.  4.4 

Indicator construction 

Constructing  indicators  first  requires  collecting  statistics  on  biotechnology.  A  statistic  is  a  simple  data  point,  such  as  the  number  of  biotechnology  firms,  or  the  total  amount  of  public  sector expenditures on biotechnology R&D. An indicator places a statistic in context, such as  the share of all public R&D expenditures spent on biotechnology. Each statistic can be used  to  construct  a  number  of  indicators  by  varying  the  denominator.  For  example,  a  statistic  on  the  number  of  biotechnology  patents  can  be  used  to  construct  indicators  for  biotechnology  patents per capita, per 1,000 researchers, or per 1,000 employees.  Traditional science and technology indicators are based on national data. For example, data  on business expenditures on R&D are obtained from national surveys of firms and patent data  are  based  on  an  analysis  of  patent  records  by  the  nationality  of  the  applicant  or  inventor.  Similarly, national data sources are required for many biotechnology input indicators, such as  for R&D, patenting, or revenues from the sales of biotechnology products. In contrast, many  biotechnology  indicators  for  outputs  and  impacts  can  be  constructed  from  a  mix  of  national  and non­national data sources (Arundel 2002 87 ). The latter can include one­off surveys or the  results of scientific studies in a single country.  As an example, many large molecule bio­pharmaceuticals have been approved for the treat­  ment of orphan diseases, with evidence on efficacy or improvements in disability adjusted life  years (DALY) based on a limited number of epidemiological studies in a few countries. This  data  can  be  combined  with  national  estimates  of  the  affected  population  to  estimate  the  health benefits in terms of DALYs at the national level. It is also possible to estimate health  benefits without national data on the size of the affected population by using data on disease  prevalence rates in countries with a similar genetic population.  A second example is to combine field study data on the effect of different types of GM crops  on pesticide use, yields and farm income 88  with national level data on the number of hectares  under cultivation with non­GM varieties of the same crop. In the absence of national data, the  benefits  (or  costs)  from  switching  to  GM  varieties  can  be  estimated  by  assuming  similar  changes  in  pesticide  use  and  yields  as  observed  in  other  countries  after  non­GM  varieties  were replaced with GM varieties.  4.4.1 

Composite indicators 

87 

Arundel, A. (2002): Agro­biotechnology, innovation and employment. Science and Public Policy 29: 297­306.  Brookes and Barfoot (2005a, 2005b) have summarized the results of studies on the effect of GM crops on pesticide  use, farm incomes, and yields for four crops (soybeans, maize, cotton and canola) in the United States, Canada,  South America, Mexico India, China, and Australia. 88 

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 46 of 172 

There  are  three  main  types  of  composite  indicators.  First,  several  composite  indicators  are  constructed from aggregating data measured in the same units. National GDP is an excellent  example.  Given  data  availability,  it  might  be  possible  to  construct  a  composite  indicator  for  total  value­added  from  biotechnology  by  adding  estimates  of  biotechnology  value­added  in  each application area. This type of composite indicator is discussed in chapter 9.  The  second  type  of  composite  indicator  evaluates  data  measured  in  different  units.  The  classic example is cost­benefit analysis, where the costs are measured in economic units but  the benefits are measured in other units, such as DALYs (in health applications) or a reduc­  tion in tonnes of greenhouse gases (in environmental applications). Similar indicators are in­  cluded  in  chapter 6  on  health  applications  of  biotechnology  and  in  chapter 7  on  agricultural  applications.  The  third  type  of  composite  indicator  produces  an  index  that  summarizes  a  range  of  data  measured in different units. These are widely used in comparing national performance across  countries.  For  example,  it  would  be  possible  to  construct  a  ‘biotechnology  impacts  per­  formance  index’  for  the  EU,  the  United  States,  and  for  other  countries.  The  construction  of  these types of indicators is beyond the remit of this report.  4.5 

Input indicators 

To date, the majority of available biotechnology indicators cover inputs such as  R&D invest­  ments, employees active in biotechnology firms, scientific publications, and patents. Patents  measure  inventions,  but  as  many  of  these  will  never  be  directly  commercialized,  they  are  closer to an input than to an output measure.  Input  indicators  can  be  grouped  into  the following  categories:  R&D,  industry­firm  knowledge  transfer (a secondary R&D measure), knowledge transfer from universities (a secondary R&D  measure), employment, education, venture capital, firm counts, publications, and patents (see  chapter 5).  Many  of  these  are  only  available  as  generic  indicators  that  aggregate  across  application fields.  The number of employees active in biotechnology research is one of the best available input  indicators,  but  it  is  often  not  completely  available  due  to  difficulties  in  obtaining  employee  counts from large firms. A widely used alternative is firm count data, but this suffers from poor  comparability across countries, due to potentially large differences in average firm size.  4.6 

Output and impact indicators 

There are two classification issues: the boundary between input and output/impact indicators,  and the boundary between output and impact indicators.  A  problem for  defining  the  boundary  between  input  and  output  indicators  concerns  biotech­  nology adoption. Indicators of the adoption of biotechnology research methods or capabilities  in  developing  biotechnology  uses  are  defined  as  input  indicators.  Conversely,  indicators  for  the actual use of biotechnology to produce products or in production processes are defined as  output indicators.  The outputs and impacts of biotechnology are often closely linked and difficult to classify. Al­  most  all  useful  (see  footnote  2  to  table 4.1)  output  statistics  and  indicators  are  application  specific rather than generic. They include, at the national level, indicators such as the number  of  bio­pharmaceuticals  developed  by  national  firms,  the  percentage  of  all  agricultural  land  planted  with  GM  crops,  and  the  percentage  of  paper  produced  using  biotechnology­based  processes. In industrial biotechnology, this could include indicators for the number of bio­en­  zymes produced and, because these enzymes are used in down­stream industries, the num­  ber of products of these industries.  Generic  impact  indicators  are  based  on  employment,  value­added,  or  revenues  that  allow  comparisons across application fields. They measure the economic impacts from the use of Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 47 of 172 

biotechnology.  Examples  include  the  retail  sales  value  of  bio­pharmaceuticals,  GM  seeds,  industrial bio­enzymes, bio­detergents, or bioremediation services.  Many impact indicators for the benefits and costs of biotechnology for the environment and for  the quality­of­life are application specific.  Many of these can be transformed into generic indi­  cators with the same denominator, as when the environmental costs or benefits of a change  in  pesticide  use,  or  the  benefits  of  improved  quality  of  life  due  to  bio­pharmaceuticals,  are  assigned economic values. However, these types of indicators require intensive analysis and  many  assumptions that  are  often  specific  to  particular  countries  and  circumstances 89 ,  which  defeats the purpose of developing internationally comparable indicators.  The alternative is to develop first­level environmental and quality­of­life impact indicators that  are sector specific. Examples include the effect of a GM versus non­GM crop on pesticide use  (in  toxic  equivalents)  per  hectare,  the  share  of  national  morbidity  days  treatable with  bio­  pharmaceuticals, the additional DALYs due to bio­pharmaceuticals (either for disease­specific  treatment  or  for  all  bio­pharmaceuticals  as  a  class),  or  the  annual  change  in  greenhouse  gases from bio­fuels.  Most  output  and  impact  indicators  are  not  collected  by  national  statistical  offices 90  and  will  need to be developed using an eclectic range of data sources. 

5.  Input statistics and indicators  The  main  inputs  to  the  development  of  biotechnology  products  and  processes  include  R&D  investments, research collaboration, skilled employees, capital investment in new biotechnol­  ogy  firms,  including  venture  capital,  and  specialized  knowledge,  as  measured  by  scientific  publications, and patents. Patents also measure inventions, but as many of these  will never  be directly commercialized, they are closer to an input than to an output measure.  Since most generic indicators are obtained from national surveys, it is a comparatively simple  task to link them to a wide range of denominators. For this reason, this chapter focuses on the  availability of biotechnology input statistics by country. For each statistic, it is possible to con­  struct several indicators using denominator data from publicly available sources  such as the  OECD  MSTI  database  or  Eurostat’s  NewCronos  database.  For  example,  statistics  on  business expenditures on biotechnology R&D can be turned into indicators for the biotechnol­  ogy  share  of  total  business  expenditures  on  R&D  (using  Eurostat  data  on  total  BERD),  bio­  technology R&D expenditures per capita (using population data), or the share of all biotech­  nology R&D performed by businesses (using data on private sector R&D).  Almost all available biotechnology input data are limited to generic indicators, with only a few  application­generic indicators available. The best coverage by country is for generic biotech­  nology inputs in the private sector. An example is the total number of firms with biotechnology  activities. There are far fewer input statistics and indicators by field of application and very few  input indicators for public sector activities. For both generic and application­generic statistics,  we evaluate the types of data available from four sources:  1.  2.  3.  4. 

Business sector statistics from official surveys or reports.  Public sector statistics from official surveys or reports.  Database statistics (patents, publications, and citations).  Consulting firm statistics (Ernst and Young reports, venture capital associations, etc). 

Comparability is a serious problem for many of the input indicators derived from firm surveys,  such as for employment and R&D investment, due to differences in how biotechnology is de­  fined  and  how  a  biotechnology firm  is  defined.  For  this  reason,  information  on  data  sources  for  input  indicators  are  given  in  this  chapter in  table 5.1  through  table 5.3,  along  with  a  dis­  89 

For instance, the estimated value of one additional DALY depends on expected income levels and retirement ages,  which vary by country, whether or not health care costs are covered by the state or the individual, etc.  90  An exception is Canada, where the Government collects data on revenues from biotechnology products.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 48 of 172 

cussion of the problems. (In contrast, the data sources for many application indicators identi­  fied in chapters 6­9 are given in an annex.)  5.1 

Generic input statistics 

In  contrast  to  many  application­specific  indicators,  generic  indicators  are  largely  available  from a variety of national surveys, either from official sources or by consulting firms. To date,  this information has not been assembled in one publication 91 , which makes it very difficult to  determine sources, data availability and the latest year and time period. Due to the complexity  of input data, detailed information for specific countries is given in tables 5.1 through 5.3.  5.1.1 

Business sector statistics 

Table 5.1  gives  data  availability  for  generic  input  statistics  on  the  business  sector,  derived  from official surveys or reports for 15 countries: four non­EU countries and eleven EU coun­  tries. The results are limited to statistics after 2001. Given the rapid rate of change in biotech­  nology,  statistics  from  before  2001  will  not  be  comparable  with  more  recent  statistics.  The  most  recent  national  data  are  for  2003,  with  some  countries  reporting  results  for  2004.  The  indicators presented in table 5.1 are given without denominations because most of them are  obvious  (such  as  total  number  of  firms,  total  R&D  expenditure,  total  employment)  and  pro­  vided by official statistics.  To  the  best  of  our  knowledge,  comparable  national  data  are  not  available  for  fourteen  EU  countries: Austria, Czech Republic (some data should be available in 2006), Cyprus, Estonia,  Greece, Hungary, Luxembourg, Latvia, Lithuania, Malta, Poland, Portugal, Slovakia, and Slo­  venia. The statistics for four countries, the UK, Ireland, Netherlands, and Spain, are from con­  sulting firms. Government surveys were conducted in 2004 in Ireland, Spain, and Poland, but  the results were of very poor quality and therefore unusable 92 .  There are few problems of comparability based on the definition of biotechnology. Eleven of  the 14 countries use the OECD definition of biotechnology, three use another definition limited  to modern biotechnology (OTM), and biotechnology is undefined in Spain and Sweden (UD),  although in both cases the definition is likely to be limited to modern biotechnology.  In  most  countries,  biotechnology  firms  are  also  limited  to  those  that  perform  biotechnology  R&D and exclude equipment suppliers. An exception is Ireland, which includes both suppliers  and firms that do not perform R&D.  It is not clear if suppliers are included in the results for  Spain. The German survey also provides separate data for equipment suppliers.  There  is  greater  variation  in  the  definition  of  a  biotechnology  firm.  A  major  comparability  problem is between studies that are limited to dedicated or ‘ core’ biotechnology firms (DBFs),  which are almost always limited to SMEs, and studies that include all firms with biotechnology  activities, both DBFs and large firms (DBF + L). Seven countries obtain data from R&D sur­  veys  that  will  capture  all firms,  of  any  size, that  perform  some  R&D  on  biotechnology,  while  another  seven  countries  use  a  range  of  data  sources  to  identify  both  DBFs  and  large  firms  active  in  biotechnology.  These  results  should  be  comparable.  In  contrast, the  results for  the  UK,  Finland  (with  the  exception  of  the  R&D  statistics),  and  Sweden  (which  excludes  large  pharmaceutical firms) are mostly limited to DBFs.  Comparisons  of  basic  statistics  on  R&D  and  employment  between  these  two  groups  will  be  unreliable,  because  the  first  group  includes  the  activities  of very large firms,  while  the latter  will not. For example, table 5.1 shows that data on the number of R&D employees in biotech­  nology for Canada and the United States includes both employment by both DBFs and large  firms,  while  the  R&D  employee  results  for  the  UK  are  limited  to  DBFs.  This  makes  cross­  country comparisons between the UK and Canada and the United States unreliable, with the  UK results underestimating R&D employment. In some countries, as in Spain, the R&D and  91 

A forthcoming OECD publication will provide biotechnology indicators for the OECD member countries.  Data for Japan are not comparable while there are no relevant data for Singapore and South Korea as of February  th  20  , 2006 92 

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 49 of 172 

employment  of  a  few  large  firms  is  several  times  greater  than  the  combined  R&D  and  em­  ployment of all DBFs, which highlights the size of potential comparability problems.  The best data coverage is for the number of firms, the size distribution of firms, biotechnology  R&D,  biotechnology  R&D  employees,  and  total  employment  among  biotechnology  firms.  When  biotechnology  employment  data  are missing  (either  R&D  or  biotechnology  active  em­  ployees), firm count data by size can be used to estimate total employment in biotech firms.  Firm count data alone is not very useful because of differences in the average firm size. For  example,  the  average  American  biotechnology  firm  has  1,100  employees,  versus  18  em­  ployees in Denmark.  The  number  of  ‘biotechnology  active’  employees,  which  includes  research,  production, mar­  keting,  and  other  employees  with  biotechnology­related  responsibilities,  provides  a measure  of the impacts of biotechnology on employment. However, in most countries with data on both  biotechnology active and biotechnology R&D employment, a substantial share of all biotech­  nology employees are involved in R&D. For this reason, the biotechnology employment data  are better suited as an input indicator than as an output indicator, particularly because only a  few countries collect data on biotechnology active employees.  Five  countries  collect  data  on  collaborative  activities,  particularly  for  R&D,  but  there  is  little  consistency in the types of collaboration indicators across countries. There is very little data  on the amount of capital raised, and slightly more on the contribution of venture capital (VC).  Consequently,  data  on  the  ability  of  biotechnology  firms,  particularly  DBFs,  to  raise  capital  must  rely  on venture  capital  associations.  The main  disadvantage  is  that  this  data  does  not  give a measure of the importance of venture capital compared to other funding sources. The  venture  capital  share  of  all  capital  raised  was  13 %  in  Denmark,  22.5 %  in  Canada,  and  44.5 % in the UK.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 50 of 172 

Table 5.1: 

Business sector input indicators from government surveys (consulting firms when no official data) 

Country 

Latest  year 

Definition of:  Biotech  Biotech  firm 10 

Canada  Switzerland 3  United States  Iceland 4  Belgium  Denmark  Finland 2  France  7  Germany  Italy  1,5  Ireland  8  Netherlands  1  Spain  Sweden  UK 1 

2003  2003  2002  2004  2003  2003  2003  2003  2004  2003  2003  2005  2003  2003  2003 

OECD 11  OECD  OECD  OECD  OECD  OECD  OECD  OECD  OECD  OECD  12  OTM  OTM  UD 13  UD  OTM 

DBFs + L  R&D  DBFs + L  R&D  DBFs + L  R&D  DBFs + (L)  R&D  DBFs  R&D  DBFs + L  9  DBFs (+L)  DBFs + L  DBFs + (L)  DBFs 

#  Firms 

#  Total  Firms  R&D  by size 

ü

ü

ü

ü

ü

ü

ü ü ü  ü ü

ü ü ­  ü  ü 

ü ü ü ­  ­ 

ü ü ü  ü  ü 

ü ü  ­  ­  ­ 

ü ­  ü

Available indicators  Biotech  Employment  Collabora­  Capital  R&D  tion  raised  $  Empl.  Total empl.  Biotech  active empl.  ü ü ü ü ü ü ü  ü ü ü ü ü  ­ 6  ü ü ü ü  ü ü ü ü  ­  ­  ü ü ü  ü ü ­  ü ü ü  ü  ­  ­  ü  ­  ­  ­  ­  ­  ü ü ü ü  ü ü ü 

­  ü

ü ü

ü ü  ü 

ü ­ 

VC 

ü  ­  ­  ü  ­  ­  ü 

ü  ­ 

ü

ü 

1: Survey or data collection by a consulting firm.  2: Large Finnish firms are included for R&D data only, otherwise results limited to 181 DBFs with less than 250 employees.  3: Results for Switzerland are expected in Spring 2006, so it is not clear what data will be provided, other than total biotech R&D.  4: Results for Iceland should be available in spring 2006.  5: One­third of the Irish firms are not active in R&D, but as the report combines data for Northern Ireland and the Republic of Ireland, we don’t know if this ratio holds for the  Republic. Some results, such as firm counts, can be identified for the Republic of Ireland only.  6. Ernst and Young provides estimates for the United States.  7. Data for large firms active in biotechnology are provided separately.  8. Data were collected under the responsibility of BioPartner, an organisation set up by the Dutch Ministry of Economic Affairs, with a mission to set up 75 new DBFs in 5 years  (2000­2004). The data were collected by the staff of BioPartner Network.  9. Data about large firms active in biotech (diversified firms) have been collected for 2002 only.  10: DBF = dedicated biotech (or ‘core’) firm, L = large firm, R&D = firm that performs biotech R&D, as identified in an R&D survey. All indicators in the row refer to the definition  of the biotech firm. For example, ‘total employees’  for Canada refers to the total employees among biotech firms, defined as DBFs plus large firms active in biotechnology.  For the UK, total employees only refers to employment in DBFs. For further details, see section 5.1.1.  11. OECD: OECD definition of biotechnology  12 OTM: Other definition of modern biotechnology  13. UD: Biotechnology undefined Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 51 of 172 

Table 5.1 data sources:  Canada  Switzerland  United  States  Iceland  Belgium 

Denmark 

Finland 

Canadian Trends in Biotechnology, biotech.gc.ca, 2005  France  Van Beuzekom, B. Biotechnology in OECD Member Countries: An  Germany  inventory. STI Working Papers 2004/8, OECD, Paris.  Survey of the use of biotechnology in US Industry, Dept of  Italy  Commerce, Nov 2003  Van Beuzekom, B. Biotechnology in OECD Member Countries: An  Ireland  inventory. STI Working Papers 2004/8, OECD, Paris.  The biotech industry in Belgium: National Report to the OECD TIP  Nether­  case study on biotechnology, April 2005  lands 

Biotechnology in Denmark: A preliminary report, Carter Bloch,  Spain  Danish Centre for Studies in Research and Researcy Policy,  Working Paper 2004/1, April 2004. Uses results of R&D survey  and various sources on biotech firms.  Hermans R, Kulvik M, Tahvanainen A­J. ETLA 2004 survey on the  Sweden  Finnish Biotechnology Industry. ETLA Discussion Paper 978, April  22, 2005 (ETLA); Biotechnology, Ch 13 in Science and Technol­  ogy in Finland 2004, Statistics Finland March 2005 (SF).  UK 

Unpublished preliminary data  DE Statistics: Unternehmen der Biotechnologie in  Deutschland, 2005  Van Beuzekom, B. Biotechnology in OECD Member  Countries: An inventory. STI Working Papers 2004/8,  OECD, Paris.  InterTradeIreland. Mapping the Bio­Island, Newry, 2005.  The Netherlands Life Sciences Sector reports 2001, 2002,  2003, 2004, 2005  Enzing, C.M. and S. Kern (2004) Industrial Biotechnology  in the Netherlands. Economic Impact and Future De­  velopments (in Dutch), in order of the Dutch Ministry of  economic Affairs, TNO­report, STB­04­36, Delft., Enzing  C.M., A.M. van der Giessen en S.J. Kern (2002) Life  Sciences in Nederland: Economische betekenis, tech­  nologische trends en Scenario’s voor de Toekomst, TNO,  Delft.  Genoma Espana, Spanish biotechnology: Economic im­  pacts, trends and perspectives, June 2005. 

VINNOVA, Nationella och regional klusterprofiler, 2004;  Unpublished preliminary data 

DTI, Comparative statistics for the UK, European and US  biotechnology sectors, analysis year 2003. February  2005.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 52 of 172 

5.1.2 

Public sector statistics 

Table 5.2  summarizes  the  available  data  on  public  sector  inputs  for  biotechnology.  Data  are  only  available for seven countries, including five EU Member States. Six of the seven countries collect ex­  penditure data on biotechnology R&D in the public sector. This can be combined with public data on  total public sector R&D to produce an indicator on the share of all public sector R&D spent on biotech­  nology. This equals 12.6 % in Canada and 6.7 % in Finland. Only Spain and Denmark provide count  data on the number of researchers in the public sector that are working in biotechnology. As an addi­  tional  input  measure  the  number  of  PhD  graduates  in  biotechnology  could  be  used.  However,  such  data is only available for life sciences in general and not for biotechnology. The life sciences data are  provided  by  the  OECD  Education  database  and  covers  most  EU  countries  as  well  as  the  USA  and  Japan.  Table 5.2: 

Public sector input indicators 

Canada 

Biotech  R&D 

Public sector  spin­offs 

ü

ü 

Biotech  researchers 

ü 

United States  Denmark 

ü

Finland 

ü

UK 

ü  ü

Spain  1 

Sweden 

Subsidies of private sector  biotech R&D (US$) 

ü  ü  ü

ü 

(ü) 

1: Higher education sector only.  Table 5.2 data sources:  Canada 

Canadian Trends in Biotechnology, biotech.gc.ca, 2005 

Denmark 

Biotechnology in Denmark: A preliminary report, Carter Bloch, Danish Centre for  Studies in Research and Researcy Policy, Working Paper 2004/1, April 2004 

Finland 

Science and Technology in Finland, 2004, p 280­281 

UK 

Personal communication from Steve Churchill 

Spain 

Genoma Espana, Spanish biotechnology: Economic impacts, trends and perspec­  tives, June 2005 

Sweden 

Unpublished data 

Canada  and  Finland  also  provide  data  on  the  number  of  biotechnology  firms  that  were  created  as  spin­offs from public universities or research institutes. This is a very good indicator for measuring the  commercialisation  of  public  research  –  one  of  the  main  goals  of  the  Lisbon  Council.  A  second  measure  of  the  contribution  of  public  support  for  the  commercialisation  process  is  the  amount  of  business R&D expenditures financed by the public sector (subsidies of private sector R&D). We have  only found relevant data for this for Spain and the United States.  Table 5.2 shows that coverage of public sector biotechnology activities is generally very poor. This is  basically due to the fact that existing statistical systems are not designed to capture public sector in­  vestments  in  biotechnology,  which  would  require  a  specialised  survey.  Budget  allocations  to  public  93  94  sector  R&D  are  divided  into  different  fields  of  science  categories  using  13  NABS  categories,  but  these do  not contain enough detail to separate out biotechnology R&D within each of many different  categories that contribute to biotechnology. 

93 

Part of government budget appropriations or outlays for R&D (GBOARD), which can include both funding of private sector  and public sector research.  94  Nomenclature for the analysis and comparison of scientific programmes and budgets.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 53 of 172 

In  2006  the  results  of the  BioPolis  project  will  be  published 95 . The  report  will include  public  expendi­  tures  on  biotechnology  research,  technology  transfer  and  commercialisation  for  all  25  EU  Member  States, four candidate countries and Iceland, Norway and Switzerland, through government programs  (dedicated  biotechnology  programmes  and  general  programmes  that  also  address  biotechnology).  Expenditures will be broken down by main sub­areas of biotechnology (including plant biotechnology,  animal  biotechnology,  health­related  biotechnology  and  industrial  biotechnology).  Data  will  be  pro­  vided for the period 2002­2005.  5.1.3 

Database statistics 

Public  and  private  databases  provide  statistics  on  biotechnology  patents  and  bibliometrics  (publica­  tions  and  citations  to  publications).  Patent  data  are  available  free  of  charge  from  the  EPO,  the  USPTO,  and  other  jurisdictions.  Bibliometric  data  are  available,  usually  at  a  fee,  from  private  firms,  such as the ISI database, managed by Thomson.  The  OECD  publishes  data  on  biotechnology  patents  in  its  Main  Science  and  Technology  Indicators  (MSTI) series. The most recent data includes biotechnology patent applications at the EPO for 2001  and patent grants at the USPTO for 1999. Both are becoming increasingly out­of­date, although they  should be  updated in the Spring of 2006. The biotechnology patent counts are based on a validated  list  of  patent  classes  that  consist  of  a  substantial  proportion  of  biotechnology  patents.  Nevertheless,  the classification system includes an unknown level of error, from biotechnology patents assigned to  non­biotechnology classes and from non­biotechnology patents within the biotechnology classes.  To the best of our knowledge, there are no regularly produced, comparable international bibliometric  statistics.  This  work  is  usually  done  by  academics  or  consultants  on  a  one­off  basis 96 .  The  most  common national indicators are the absolute number of biotechnology publications, the share of global  publications, and the mean citation rate.  Patents  are  more relevant than  bibliometrics for  research  on  the  social  and  economic  effects  of  bio­  technology  because  they  measure  activities  that  are  closer  to  the  market  than  publications.  Biblio­  metric data, on the other hand, provide good information on scientific activities in biotechnology or re­  lated  to  biotechnology,  thereby  measuring  an  important  facet  of  biotechnology  capacities  at  the  re­  search end.  5.1.4 

Consulting firm statistics 

As  shown  in  table 5.1,  the  only  available  national  statistics  for  several  EU  countries  are  from  con­  sulting firms. In some cases, these reports are funded by government offices, such as the report for  the UK.  Ernst and Young (E&Y) provides near global coverage of biotechnology inputs, although not all results  97  are  broken  down  to  individual  countries,  but  are  combined  into regions  (Europe,  Asia­Pacific)  .  The  main E&Y indicators cover the activities of "biotechnology firms" and include: revenues (plus net profit  or loss by region), R&D expenses, number of employees, number of publicly­traded firms, number of  privately­owned firms, cash flow, and equity financing.  There  are  two  main  disadvantages  with  using  private  consulting  reports  to  measure  biotechnology  inputs: little or no information is given on sampling methods or how firms are identified, and the defini­  tion of a ‘biotechnology firm’ is unclear. In E&Y reports, a biotech firm is usually defined as a DBF with  less than 500 employees. But, the biotechnology activity itself is undefined, which means that the firms  could be included because they claim to be active in biotechnology. 

95 

Enzing, C.M. et al. (2006): Inventory and analysis of national public policies that stimulate research in life sciences and  biotechnology, its exploitation and commercialisation by industry in Europe in the period 2002­2005.  96  Recent examples include Campbell et al., Scan of Canadian Strengths in Biotechnology, Science­Matrix, Montreal, 2005,  Genoma Espana for Spain; Reiss et al. Performance of European Member States in biotechnology, Science and Public Policy  31, 344­358, 2004; and the ongoing EU­BIOPOLIS project. This project aims at gathering public sector­specific biotechnology  R&D expenditure data for all Member States. We are in the process of determining if the NSF of the United States obtains  comparable bibliometric statistics for biotechnology.  97  Ernst and Young (2005): Gaining Momentum.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 54 of 172 

As an illustration of the problems, the number of identified biotechnology firms in E&Y publications can  differ  substantially  from  official  data.  For  instance,  E&Y  reports  278  biotechnology  firms  in  France,  98  versus official statistics that identify 755 firms with R&D activities in biotechnology  . These differences  could  have  large  impacts  on  the  estimated  amount  of  private  sector  biotechnology  R&D,  since  the  E&Y reports do not capture R&D spending in biotechnology by large firms or firms that do not report  that  biotechnology  is  their  core  business.  For  these  reasons,  E&Y  reports  (plus  other  consulting  re­  ports  using  a  similar methodology)  provide  a  poor  estimate  of  total  biotechnology inputs  and  should  only be used when official survey data are unavailable 99 .  Venture capital associations such as EVCA in Europe provide data on biotechnology venture capital,  but  this  is  mixed  with  venture  capital  in  health  fields,  so  it  is  more  accurately  ‘health/biotechnology’  venture  capital.  The  OECD’s  2005  Science,  Technology  and  Industry  Scoreboard  gives  results  for  many target countries for 2003.  5.2 

Generic application statistics for inputs 

Generic input statistics by application field are available from official data sources for the private and  public sectors. Some statistics are also available from private consulting firms (not discussed here). To  date, there are very few application­generic statistics for patents and bibliometrics because of the diffi­  culties  in  determining the  application for  biotechnologies  that  are  relevant to many  different fields 100 ,  but  it  is  possible  to  tailor  patent  and  bibliometric  analyses  specifically  to  different  applications.  Such  101  work has been done or is underway by academic groups within specific research projects  .  5.2.1 

Business sector statistics 

Table 5.3 replicates table 5.1 for generic input indicators that are available by application field 102 .  Table 5.3: 

Availability of business sector input indicators by application field.  # of  Firms 

Canada  Switzerland  United States  Belgium 1  Denmark  Finland  France 2  Italy  Ireland  Netherlands  Spain  Sweden  UK 

Total R&D  expenditures 

ü ü

ü

ü  ü  (ü)  ü ü

Biotech R&D  expenditures 

Total  employees 

ü

Biotech  R&D  employees  ü

ü ü 

ü (ü) 

ü

Biotech  active  employees 

Capital  raised  ü 

ü  (ü) 

(ü)  ü

ü  ü 

ü  ü

ü 

Notes: see table 5.1 for definitions and sources.  1: Application fields in Belgium for R&D employees and biotech active employees limited to pharmaceutical/ non­  pharmaceutical.  2: Application fields in France limited to NACE sectors. 

98 

Other differences are as follows, with the E&Y estimate given first: Sweden (178 versus 154), Denmark (80 versus 267),  Finland (69 versus 123), Belgium (70 versus 73).  99  This is not a criticism of E&Y reports, which are written to meet the needs of investors in biotechnology firms. These investors  are largely interested in small DBFs and not in large firms with some biotechnology activities.  100  An exception is by King J and Schimmelpfennig D, Mergers, acquisitions and stocks of agricultural biotechnology intellectual  property, AgBioForum 8:63­88, 2005. They give the total number of USTPO agricultural patents between 1976­2000.  101  e. g. Reiss et al. (2004): Performance of European Member States in biotechnology, Science and Public Policy 31, 344­358,  2004; and the ongoing EU­BIOPOLIS project.  102  For the latest year, definitions, and source, see table 5.1.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 55 of 172 

Unless marked otherwise, all application data in table 5.3 are available for health, agro­food, and in­  dustrial fields. International comparability is generally good, although there are small variations in how  each  application  is  defined,  particularly in  agro­food. Some  countries  include  silviculture  and  acqua­  culture in this field, while others do not.  The main problem is that the number of internationally comparable input indicators by application field  is limited, both by the number of countries for which such data are available and the number of indi­  cators that can be disaggregated by application. Two key input variables are employees and R&D, but  these are not consistent across countries. In particular there are three different measures of R&D: total  R&D in biotech firms, biotech R&D, and biotechnology R&D employment. None of these three indica­  tors  are  consistently  available.  The  most  consistent  option  is  biotechnology  R&D  expenditures  by  application field, which is available for four countries.  5.2.2 

Public sector generic input statistics by application field 

Only  Canada  and  Spain  provide  R&D  expenditures  in  biotechnology  in  the  public  sector  by  field  of  application.  No  other  disaggregated  indicators  are  available  for  inputs.  The  BioPolis  report  to  be  published  in  early  2007,  will  also  provide figures  on  public  R&D  spending  through  governments  pro­  grams on the sectoral level (plant, animal, food, health, industrial, environmental).  5.3 

Recommendations for future data collection 

The  availability  of  input  indicators  is  almost  inversely  proportional  to  the  value  of  the  indicator  for  assessing inputs into biotechnology and potential outputs. Availability is greatest for basic firm counts,  which is a highly misleading indicator, and lowest for biotechnology R&D investment and biotechnol­  ogy employment by field of application, which are possibly the two most useful indicators for inputs.  With  the  exception  of  input  indicators  using  patent  or  bibliometric  data,  all  of  these  indicators  are  based on surveys of firms or public sector organisations and are consequently difficult, expensive, and  time­consuming to collect. It will therefore be necessary to focus future data gathering exercises on a  few high­value indicators. As part of this process, table 5.4 summarizes the strengths and weaknesses  of 23 input indicators, in 7 categories, for evaluating inputs. The 23 indicators are drawn from both the  examples  of  data  sources  given  in  tables  5.1,  5.2,  and  5.3  and  include  additional  indicators,  for  example on patents and bibliometrics.  The most valuable indicators in table 5.4, and which should be included in a future survey of European  biotechnology firms,  are  R&D  expenditures  in  biotechnology  and  the  number  of  employees  active  in  biotechnology  (the latter can  also  serve  as  an  indicator  for  economic impacts). Of  course,  collecting  these  indicators  should  automatically  provide  other  low  value  data,  such  as  on  firm  counts.  In  both  cases,  the  most  useful  data  would  be  expenditures  on  biotechnology  R&D  and  biotechnology  active  employment by field of application. Both can usually be estimated by the firm’s major area of biotech­  nology activity, rather than asking for a breakdown of biotechnology R&D or employment into specific  fields.  Data  on  total  R&D  or  employment  is  only  worth  collecting  if  the  survey  also  collects  data  on  biotechnology R&D and biotechnology active employment.

Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 56 of 172 

Table 5.4: 

Value of input indicators for assessing investments in biotechnology and future potential outputs 

Description of indicator 

Strengths & limitations 

Value 

Last  year 

Data  Avail­  ability 

Data  Quality 

Strengths: None, unless no other data on biotechnology activity is avail­  able.  Limits: Large differences in how a biotechnology firm is defined, plus a  highly misleading measure of impacts.  Strengths: Gives an idea of commercial opportunities plus availability of  start up capital.  Limits: New firms and spin­offs could more closely reflect availability of  risk capital than commercial opportunities.  Strengths: Can estimate total employment.  Limits: Crude estimate, cannot estimate biotechnology active employ­  ment. 

VL 

2003 







­ 







2003 





Strengths: Combined with biotech R&D, can estimate the share of firm  research for biotech.  Limits: By itself, without additional data on biotech R&D, it can be mis­  leading, but easy to collect.  Strengths: Good indicator for private sector investment in biotech R&D.  Limits: R&D is not a measure of potential outputs, long lag between re­  search and commercial results  Strengths: Best indicator for private sector investment in biotech R&D.  Limits: R&D is not a measure of potential outputs, long lag between re­  search and commercial results.  Strengths: Good indicator for public sector investment in biotech re­  search.  Limits: Very difficult to obtain from existing data collection methods.  Strengths: Best indicator for private sector investment in biotech R&D.  Limits: Extremely difficult to obtain from existing data collection methods.  Needs detailed follow­through study to pinpoint specific technologies;  long lag between research and commercial results. 



2003 







2003 







2003 







2003 







2003 





1. Firm counts  1a 

Number of firms active in biotech­  nology. 

1b 

Number of spin­offs or recently  created firms. 

1c 

Counts of firms by size. 

2. R&D  2a 

Total R&D by biotech firms. 

2b 

Biotech R&D by biotech firms. 

2c 

Biotech R&D by biotech firms by  application field. 

2d 

Public sector investments in bio­  tech R&D. 

2e 

Public sector investments in bio­  tech R&D by application field 

Table 5.4 continued Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 57 of 172 

Description of indicator 

Strengths & limitations 

Value 

Public sector subsidies of business  Strengths: Measures dependence of firms on public support, particularly  R&D.  if there is a lack of private capital sources.  Limits: Long way from commercialisation.  3. Employment 



­ 

3a 

Total biotech firm employment. 



3b 

Total biotech employment by  application. 

3c 

PhD graduates in biotechnology,  including by application field  Biotech active employees 

2f 

3d 

3e 

Biotech active employees by  application. 

3f 

New biotechnology active em­  ployee hires as a percentage of  total hiring 

Strengths: Combined with biotech employment, can estimate the share  of firm effort in biotech.  Limits: By itself, without additional data on biotech employment, it can be  misleading, but easy to collect.  Strengths: Combined with biotech employment, can estimate the share  of firm effort in biotech and disaggregation by application provides better  information on consequences.  Limits: By itself, without additional data on biotech employment, it can be  misleading, but more difficult to collect than disaggregated total em­  ployment.  Strengths: Good indicator for capacity of the education system.  Limits: Presently only available for life sciences, not for biotechnology.  Strengths: Good indicator for employee inputs into biotechnology and  can also serve as an impact measure.  Limits: Requires careful question design to collect.  Strengths: Best indicator for employee inputs into biotechnology and can  also serve as an impact measure.  Limits: Only feasible to collect if all employees in a firm are assigned to a  specific application.  Strengths: Medium term plans of the industry, especially when data  available by sector.  Limits: Need data on the expected job function of new hires, i. e. In re­  search, production etc. 

Last  year 

Data  Avail­  ability  L 

Data  Quality 

2003 







2003 







2004 







2003 







2003 







­ 







Table 5.4 continued Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 58 of 172 

Description of indicator 

Strengths & limitations 

Value 

Last  year 

Data  Avail­  ability 

Data  Quality 



2004 







­ 







­ 





Strengths: Measures ability of firms, particularly SMEs, to raise capital.  Limits: To be useful, would need data on the purpose of the capital, i. e.  for research or to take a product to the market. 

L­I 

2003 





Strengths: Intermediate measure between inputs in terms of R&D and  outputs in terms of commercial inventions, also a measure of knowledge  base in biotechnology and national research capabilities. Can be tailored  specifically to application fields.  Limits: Data will both over­ and underestimate biotechnology patents,  probably the majority of biotechnology patents will never be commer­  cialised. Time lag in data availability.  As above. 

H­NS 

2002 





H­NS 

2002 





4. Collaboration  4a 

Can refer to R&D, marketing, or  other types of collaboration. 

2c 

Number of collaborations between  large firms and DBFs by applica­  tion field.  2d  Number of collaborations between  large firms/DBFs and public re­  search organisations.  5. Capital raised  5a 

Total capital raised in the previous  year. 

Strengths: Can serve as an indicator of knowledge inputs or of pre­  paredness for commercialisation.  Limits: No consistency in how collaboration is defined.  Strengths: Flow of knowledge between small and large firms, particularly  useful if for late stage product development and marketing.  Limits: Data quality, not all collaborations can be identified.  Strengths: Flows of knowledge between public research sector and  firms.  Limits: Often far from commercialisation. 

6. Patents  6a 

Number of patents in defined bio­  technology patent classes. 

6b 

Number of patents by field of  application. 

Table 5.4 continued Consequences, opportunities and challenges of modern biotechnology for Europe  Final Report/Deliverable 3  Page 59 of 172 

Description of indicator 

Strengths & limitations 

Value 

Last  year 

Data  Avail­  ability 

Data  Quality 

Strengths: Indicator for early stage research, also a measure of  knowledge base in biotechnology and national research capabilities.  Limits: Far from commercialisation.  Strengths: As above, also early stage efficiency indicator.  Limits: Far from commercialisation. 

H­NS 

2004 





H­NS 

2004 





7. Bibliometrics  7a 

7b 

Number of biotechnology publica­  tions or citations to biotechnology  publications.  Biotechnology publications or cita­  tions by application field (per  million inhabitants or thousand  researchers) 

Value: H = high, priority for future data collection, M = moderate, only worth collecting if existing availability is High or Moderate in order to complete data sets, L = low, VL =  very low, I = data collection difficult so indicator value is impractical.  Last year: Last year for which comparable data are available for several countries.  Data availability: Complete = all countries covered in study; high = 10 or more countries, medium = 5­9 countries, low =