微生物を工場にする技術「バイオものづくり」とは？

日本は、発酵で産業をつくってきた国

日本では古くから、麹菌や酵母を使って、酒、味噌、醤油がつくられてきました。微生物の働きを経験的に使いこなす技術は、長い時間をかけて磨かれてきたものです。

近代に入ると、その蓄積は新しい産業を生みます。1956年、日本の研究者が、グルタミン酸を大量に生産する細菌を発見しました。この発見をもとに、微生物にアミノ酸をつくらせる「アミノ酸発酵」が実用化され、日本発の技術として世界に広がりました。

微生物を「工場」にする、という考え方

バイオものづくりの基本は、微生物の細胞を、目的の物質をつくる「工場」として設計することです。細胞の中では、糖などの原料が、多数の酵素反応を経てさまざまな分子に変換されています。この反応の流れ（代謝経路）を調整し、目的の物質に原料が多く流れるようにするのが「代謝工学」です。

近年は、遺伝子を読む・書く技術が大きく進歩し、代謝経路をより精密に設計できるようになりました。開発は、次のような「DBTLサイクル」を繰り返して進められます。

1. Design（設計）：どの遺伝子をどう変えるかを設計する

2. Build（構築）：設計どおりの菌株をつくる

3. Test（評価）：培養して、生産量や性質を測る

4. Learn（学習）：結果を分析し、次の設計に生かす

実用化を阻む「スケールアップ」の壁

研究室のフラスコでうまくいった菌株が、そのまま工場で同じ性能を出せるとは限りません。培養の規模が数リットルから数十トンへと大きくなると、環境が大きく変わるためです。

• 酸素の供給：大きなタンクの中では、酸素を細胞全体に行き渡らせるのが難しくなる

• 混ざり方のむら：場所によって温度や栄養の濃度に差が生まれる

• 発熱の除去：微生物が増える際に出る熱を、効率よく取り除く必要がある

• 雑菌の混入：長時間・大規模の培養ほど、管理の難しさが増す

こうした課題を一つずつ解きながら、研究室の成果を量産へとつなげる工程は、バイオものづくりで最も時間とコストがかかる部分の一つです。

用語メモ

スケールアップ：研究室規模で得られた生産プロセスを、パイロット規模、さらに商業生産の規模へと拡大していくこと。

どの微生物を選ぶか

バイオものづくりでは、目的の物質に合わせて「どの微生物を工場にするか」を選ぶことも重要です。大腸菌、出芽酵母、コリネ型細菌など、産業で長く使われてきた微生物には、豊富な知見と実績があります。

一方で、これまで産業ではあまり使われてこなかった微生物の中にも、独自の代謝機能を持つものがあります。WAKUが取り組む分裂酵母もその一つです。基礎研究で積み上げられた深い知見を、ものづくりの技術へとつなげていくことが、私たちの挑戦です。

参考文献

1. Kinoshita S, Udaka S, Shimono M. Studies on the amino acid fermentation. Part 1. Production of L-glutamic acid by various microorganisms. The Journal of General and Applied Microbiology 3, 193–205 (1957).

2. Nielsen J, Keasling JD. Engineering cellular metabolism. Cell 164, 1185–1197 (2016).