我が国初の試みです！この技術は「デスバレー」を無事に越えました→

PHA に関しては、なじみがないと感じるかもしれません。

しかし、食器、食品包装、3Dプリント、繊維、医療機器など、多くの分野でPHAが使われ始めていると言うと、私たちの生活から遠くないと感じるでしょう。

清華大学生命科学学院教授で合成・システム生物学センター所長の陳国強氏は、PHA、つまりポリヒドロキシアルカン酸物質ファミリーは細胞から成長する新しい物質であると紹介した。自然界で完全に分解され、無毒で無害です。

陳国強は30年前に早くもPHAが将来のグリーン材料の方向性であると決定し、バイオ製​​造PHAの研究開発に着手しました。

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「細菌感染」の苦しみを解決

石油由来のプラスチックの使用を減らし、さらなる白色汚染を引き起こすのを避けるために、研究者たちは分解可能な代替材料を探してきました。バイオ製造は、認識されている代替材料生産経路の 1 つです。

バイオマニュファクチャリングとは、その名の通り、生物を再設計・改変して優れた性能を持つシャーシ細胞を取得し、その細胞を工場として利用して人類が必要とするさまざまな材料を生産するプロセスのことです。

多くの生体材料の中でも、PHA は生体適合性、熱可塑性、分解性などの利点を備えています。陳国強は、過去数年間の探求と実践に基づき、1994年に海外での博士研究を終えた後、清華大学に来てチームを結成し、PHAの大量生産を実現する方法の研究に専念しました。

実験室では、多くの問題を明らかにするのは簡単ではありません。しかし、工場では規模が拡大すると問題が発生します。陳国強は、まず第一の問題は「汚染」であることを発見しました。微生物細胞を培養する過程で、他の真菌微生物も一緒に増殖してしまうのです。

微生物細胞が「汚染」されると、発酵プロセス全体を最初からやり直さなければならず、大きな損失が発生します。細胞の感染を防ぐためには、厳格な無菌操作を実行する必要があり、これには設備と人員に対する厳しい要件が課され、多くのエネルギーが消費されます。

陳国強氏は、これまで多くの種類の微生物を試してきたが、偶然に極限微生物を思いつくまで問題を解決できなかったと回想している。

極限微生物は一般に、通常の微生物が生存することが困難で、他の微生物に感染されにくい極限環境で増殖します。これにより、複雑で面倒な滅菌操作を必要とせず、PHA 製造プロセスを比較的オープンにすることができます。そこで、陳国強は「汚染」しにくい好塩性微生物に注目した。

残念ながら、チームのメンバーは多くの場所を捜索しましたが、成果は得られませんでした。 2006年になってようやく、昼夜の温度差が大きく、海水よりも塩分濃度が高い低緯度の塩湖から採取した土壌サンプルから、耐塩性と成長の速さの両方の特徴を備えた菌株が分離されました。これは好塩菌です。

「シャーシ」の基礎を構築する

適切な菌株が利用可能になった今、シャーシセルの構築がバイオ製造を実現するための鍵となります。

発酵プロセス中、シャーシ細胞はグルコース、デンプン、植物油などの再生可能なバイオマスを PHA に変換できます。これらは、必要なポリマー材料を継続的に生産できる工場の機械のようなものです。 ”

シャーシ細胞を得るためには、好塩性細菌の遺伝子を分解し、組み立てる必要があります。新たな問題が発生します。好塩菌は特殊すぎるため、既製の分子操作ツールが不足しています。

「『分子メス』、『分子縫合針』、『分子トランスポーター』はいずれも必須のツールです。」陳国強氏は、それぞれ微生物の遺伝子の切断、組み換え、輸送の役割を担っていると説明した。

ツールがなければ、好塩性細菌は、見ることはできても使用できない「ブラックボックス」のようなものです。

プラスミドベクターは、組み換え遺伝子を受容細胞に導入する役割を担う、一般的に使用される「分子輸送媒体」です。 「このツールひとつだけでも、私たちのエネルギーは相当なものでした。陳国強氏のチームは何百もの既存のプラスミドを試しましたが、どれもうまくいきませんでした。

何をするか？範囲を拡大し、新しいプラスミドを探すことによってのみ。たゆまぬ努力の末、私たちは可能性のある 200 種類以上のプラスミドを選別し、1 つずつテストした結果、ついに転機を迎えました。そのうち 3 つが使用可能だったのです。

プラスミドにより、微生物の遺伝子組み換えの「ブラックボックス」が開かれた。

これを基に、チームは遺伝子編集、代謝調節、ネットワーク最適化のための一連のツールを開発し、さまざまなレベルからシャーシ細胞のパフォーマンスを変更および調節できるようになりました。

研究開発チームが分子操作ツールを開発するのに丸10年かかりました。最後に、シャーシセルがチームによって構築されました。

次のステップは生産検証でしたが、これにはさらに 7 ～ 8 年かかりました。私たちは、発酵プロセスの改善、細菌の形態変化、物質の分離・抽出などの困難を乗り越え、ついに産業規模拡大の「死の谷」を越えました。

「変革」の道を歩む

産業規模拡大キャンペーン中、2018年に陳国強は世界で初めて「次世代産業バイオテクノロジー」を提案し、「小規模試験」、「パイロット試験」、大規模生産で検証されました。

しかし、これはこの技術が企業に認められることを意味するものではありません。チームは、結果の変革という新たなハードルに直面しています。

「『次世代産業バイオテクノロジー』は、生産時に滅菌を必要としない連続発酵システムを活用しています。オープンで効率的、エネルギー消費量が少なく、水資源を節約できるという利点があります。これは、従来のバイオ製造技術の2.0アップグレードバージョンです。」ウー・フーチン氏は、これらの破壊的な特徴が伝統的な発酵企業に多くの懸念を引き起こしていると述べた。

「これまでも厳重に密封し、高温で殺菌することが求められてきた。今はそれが必要ないからやらないのか？」企業によっては、R&D チームが「自分たちを騙している」と考えるところもあります。

紆余曲折を経て、チームはついに、このプロジェクトに挑戦する意欲のある大手発酵会社を見つけました。相手の懸念を払拭するため、企業現場で発酵テストを実施しました。

200立方発酵タンク、初テスト、成功！

他のエンジニアはこう疑った。「運」の要素があるのだろうか？もう一度試してみましょう。また成功するでしょう!協力は成功裏に達成されました。

2021年に成果転換企業である北京微細構造工場バイオテクノロジー株式会社（以下、「微細構造工場」という）が設立され、工業化が急加速しました。

「会社設立後、市場の牽引により、研究所の科学研究の進歩は全面的に加速しました。」マイクロストラクチャー工場の副社長である欧陽鵬飛氏は、「過去には、この菌株は9年間で3世代に及んだが、近年は1年間で3世代が繰り返され、今年は4～5世代になると予想される」と述べた。

反復により、菌株のパフォーマンスが向上し、産業化のためのより強固な基盤が提供されます。

北京市順義に年間生産量1,000トンのインテリジェント生産デモラインを建設し、湖北省宜昌に年間生産量3万トンの生産拠点を設立しました。「また、Twinings Bioと提携して医療グレードのPHA産業の応用を推進し、安徽省合肥に「灯台工場」を建設してさまざまな応用シナリオを模索しています。」欧陽鵬飛が紹介されました。

2023年、国際代謝工学学会は好塩性細菌の開発と利用、および「次世代産業バイオテクノロジー」による産業界への貢献に基づき、陳国強に「国際代謝工学賞」を授与しました。現在、関連技術はバイオ製造のオープン生産に広く利用されています。

習近平総書記は最近開催された全国科学技術会議、全国科学技術賞大会、中国科学院・中国工程院院士会議において、今後の科学技術と産業の発展の高みを目指し、新世代情報技術、人工知能、量子技術、バイオテクノロジー、新エネルギー、新素材などの分野で科学技術革新を加速し、新興産業と未来産業を育成・発展させなければならないと強調した。

将来を見据えて、陳国強は自信に満ちている。 「我々は科学技術革新と産業革新の深い融合をしっかりと推進し、PHAの産業化レベルを継続的に向上させ、中国の『デュアルカーボン』目標とグリーン開発の実現に貢献します！」

出典：科技日報

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