科学技術と日本の将来発酵・ゲノム編集・3D プリンターがバイオ産業を革新する

東京農工大学工学部

化学システム工学科
両角3年

光平

[序論]
筆者は大学の交換留学制度を活用して、半年間インドネシア大学に留学し、メタン発酵の研究に従事した。また、留学中に体感した豊かな自然環境に影響され、環境を浄化する分野に興味を持った。帰国後は、微生物を活用して水を浄化できる反応器の製作などを専門とする研究室に入った。本論文で、微生物について学んできた筆者が思い描く、発酵・ゲノム編集・3D プリンターがバイオ産業を革新することを述べる。

[本論]
1.

バイオ産業の現状
OECD は 2030 年のバイオ市場が GDP の 2.7 %(約 200 兆円)に成長すると推算し、健康分野が 25 %、農業分野が 36 %、工業分野が 39 %になると予測している(図 1)。
農業分野からは、酵母から醸造されるビールや品種改良された農作物などの食料と、バイオ燃料やバイオプラスチックなどの化学品が得られる。工業分野からは、植物や微生物による環境浄化などが期待される。健康分野からは、医薬品の製造や再生医療及び周辺産業が望まれる[1]。
MIT メディアラボ創業者のニコラス・ネグロポンテ氏は、”Bio is the new digital”と述べている。ゲノム解析に必要な時間と費用が近年に大幅に減少し、AI/IT の技術が発達し、CRISPER/Cas による高精度かつ安価なゲノム編集が可能になった現代は、生物機能をバイオとデジタルの両面から理解して向上させられるのである[1]。
DNA や RNA、タンパク質などの生物情報を集約し、AI などの技術で解析すれば、ゲノム編集技術に有用な知見が得られ、スマートセル(賢い細胞)の作製に活かせる。

高度な機能になるように制御された生物細胞によるスマートセルインダストリーは、農林水産業・エネルギー産業・工業・ヘルスケア産業など広範な産業の構造を変え、様々なグローバル課題を解決する可能性がある[1]。
産総研のアレルゲンフリー食品開発や武田の腸内環境を制御する薬品の製造などの健康・未病社会への貢献、カネカのバイオプラスチック開発や三菱ケミカルの車体用バイオ素材開発などの炭素循環社会への貢献、スパイバー社の人工クモ糸の衣服への応用やマイクロソフト社の DNA ストレージなどの成長社会への貢献の例もある[1]。
次に、バイオ産業における発酵・ゲノム編集・3D プリンターの可能性を詳述する。

2.

発酵
発酵の定義は、パスツールは「微生物の無酸素条件下での呼吸に伴ったエネルギー獲得手段」とし、ブフナーは「微生物によりつくられた酵素という化学物質が起こす触媒反応」としたが、現代では「微生物による人間にとって有益な物質の生産活動」と広い意味で捉えられることが多い[2]。発酵を司る微生物は主にカビ・酵母・細菌の3 種類があり、種類ごとに独特な反応を促進する[3]。発酵工業の主な製造品は、酒・発酵食品・有機酸・アミノ酸・核酸関連物質・抗生物質・生理活性物質・糖類関連物
質・微生物菌体タンパク質・炭化水素からの発酵物など、豊富な種類が存在する[4]。
筆者の専門分野である環境浄化に関しても、廃水中に含まれる有機物を微生物による発酵で処理でき、大量の化学物質を使う方法に比べて、経済的・環境的に優れている
場合が多い[5]。筆者はインドネシア留学中に廃水処理でも用いられるメタン生成菌を牛糞やレモングラスに作用させ、燃料源となるメタンガスを製造する研究を行った。
発酵は日本において、気候風土が多様という地の利と古くから生活に根差した知恵が活かされ、他国に比類ないユニークな伝統として注目されている[6]。2025 年万博や2020 年東京オリンピックを控えている日本にとって、日本でしか製造が難しい伝統の発酵食品を訪日外国人に振る舞うことは、日本文化に興味を持って頂く機会となり、印象的な「おもてなし」として成功すると思う。筆者は現在、健康に良い発酵食品を独自に開発中であり、2019 年内の販売開始を目指して奮闘している。

3.

ゲノム編集
ゲノム編集とは、生物の設計図であるゲノム(全遺伝情報)を編集する技術である[7]。

従来の品種改良や遺伝子組み換えなどの手法と異なり、ゲノム編集は特定の塩基配列を高精度で操作でき、全ての動植物に用いることができると考えられる汎用性を有し、短時間で安価かつ簡単に練習すれば誰でも使用できる点が特徴的である[7]。現在では、ケイクリスト社の「植物油に加工された際にトランス脂肪酸を発生しない大豆」や、ダウ・デュポン社による「スティックのり用の粘り気が強いコーンスターチ」などが、一般消費者から反発されにくい商品として、ゲノム編集を用いて開発されている[8]。
また、2010 年にサンガモ・セラピューティクス社がゲノム編集によってエイズ患者の免疫力を大幅に向上させることに成功し、2015 年には英国のグレート・オーモンド・ストリート病院で当時 1 歳の白血病患者がゲノム編集で劇的に回復し、寛解した[9]。
様々な課題はあるが、医療のために基礎研究・臨床研究で進展が期待されている[10]。

4.

3D プリンター
3D プリンターは、立体形状を薄い断面を積み重ねて作る製作装置のことである[11]。

3D プリンターは、切削などの高度な技術を持たない一般人でも簡単にモノ作りできる環境を生み出し[12]、製品の企画段階にアイデア検討するための試作品作成で重宝し、デザイナーの意図などを伝えるコミュニケーションツールとしても使われてきた[13]。
しかし大量生産に関しては、生産数を増やしても製品 1 個当たりのコストが変わらず、使える材料の種類も限られるため、射出形成などの従来の方法に劣ることが多い[14]。
一方で、3D プリンターは仕様を柔軟に変える必要のある製品の少量生産に向いている。
その特徴が活かせるため、近年では 3D プリンターの医療での応用が注目されている。
医者が手術前に医療シミュレーターと呼ばれる人体模型で練習することがある。その模型が工業製品として大量生産されている場合、患者の体の特徴と異なることがある。
基本的に微妙な違いは無視できるが、難易度の高い手術では、医療シミュレータ―と患者の体の違いが違和感となり、手術が難しくなる恐れがある。そこで、患者の体をスキャンし、3D プリンターで患者と酷似した模型を作ることで、医者は手術前に良い練習ができる[15]。患者に合う人工骨や気管支を広げる器具であるスプリントなども3D プリンターで製造された事例もある[16]。将来的に、人工臓器[17]や薬[18]なども3D プリンターで個人に合うものが製造できるようになることが期待されている。

[結論]
バイオ産業は将来的に成長が見込まれており、発酵・ゲノム編集・3D プリンターが果たす役割は大きい。図 2 のように、プロセスとしての発酵・ソフトウェアとしてのゲノム編集・ハードウェアとしての 3D プリンターと捉えると、「ゲノム編集により機能が向上した微生物が 3D プリンターで製作した反応器内で発酵して廃水処理する」といったアイデアも生まれる。筆者は発酵・ゲノム編集・3D プリンターという 3 つの科学技術を活かして、日本の将来を明るくすることを志している。それぞれの技術を融合した製品を開発する大企業を築くことが筆者の夢である。本論文がバイオ産業を革新するヒントとなり、読者・日本・世界の役に立てば幸いである。

図１ バイオエコノミー (出典 [1])

発酵(プロセス)

ゲノム編集

3Dプリンター(ソフトウェア)(ハードウェア)図２ バイオ産業を革新する発酵・ゲノム編集・3D プリンター

[参考文献][1] https://www.nedo.go.jp/content/100870410.pdf (閲覧日 2019 年 2 月 8 日)
[2] 発酵 ミクロの巨人たちの神秘, 小泉武夫, 1989, 中公新書, pp.47-49[3] 同上, p.83
[4] 同上, p.102[5] 同上, pp.166-168[6] 同上, p.193[7] ゲノム編集からはじまる新世界, 小林雅一, 2018, 朝日新聞出版, pp.26-34[8] 同上, pp.138-140[9] 同上, pp.156-160[10] 同上, pp.185-187[11] 3D プリンターで世界はどう変わるのか, 水野操, 2013, 宝島社新書, p.20
[12] 同上, pp.41-43[13] 同上, pp.45-50[14] 同上, pp.57-61[15] 同上, pp.66-73[16] 同上, pp.74-79[17] 同上, pp.194-203[18] 同上, pp.210-213