未来社会を支える温暖化対策技術シンポジウム in 関西
2019年９月26日

持続可能な社会の実現を目指した
バイオリファイナリー生産技術の開発

公益財団法人地球環境産業技術研究機構(RITE)
バイオ研究グループ／グループリーダー、主席研究員

乾 将行

Presentation Outline

Confidential

１.はじめに■SDGs、バイオエコノミー■RITEバイオプロセス
２.研究開発■バイオ燃料; バイオジェット燃料生産
３.バイオ×デジタル基盤技術開発■NEDOスマートセル■SIP戦略的イノベーション
４.実用化事業■GEI (Green Earth Institute株式会社)■GCC (グリーンケミカルズ株式会社)
５.終わりに 今後の展開

2

Confidential

持続可能な開発目標 (SDGs)

2015年9月の国連サミットで全会一致で採択。先進国を含む国際社会全体の開発目標として、2030年を期限とする包括的な17の目標を設定。前身は2000年の「国連ミレニアム宣言」。
発展途上国の目標に追加された、先進国を含む国際社会全体の目標。

バイオテクノロジーが貢献すべき目標は17項目中 10項目以上
The Global Goals for Sustainable Development (SDGs)

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出典: 国際連合広報センター

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3

バイオエコノミー(Bioeconomy)

Confidential

Bioeconomy: バイオ技術に基づく産業、循環型社会とバイオ産業が融合

農業技術

農業・林業

再生可能資源
原料・バイオマス

リサイクル

バイオ
リファイナリー

化学品、医薬品
エネルギー、食品

バイオ技術が貢献する市場は2030年に200兆円規模
OECD加盟国全GDPの2.7%と予測
工業分野では全体の39%を占める

CO2吸収
BioValeの資料を参考にRITE作成

CO2・廃棄物消費

出典: 経産省

4Confidential

バイオ×デジタルが変える工業／エネルギー分野
生物情報
（BD）
DNA
RNA
タンパク質
代謝物他

✖

高度AI・
IT技術
深層学習
機械学習
進化工学
シミュレーション他

スマートセル
高度に機能がデザインされ、機能の発現が制御された生物細胞

生物機能をデザイン
Design

Build

Learn

Test

先端バイオ技術
ゲノム編集
高速シークエンス
代謝制御
培養・育種技術他

機能発現を制御

新産業創生

スマートセルインダストリー【スマートセル】を用いた工業・エネルギー群

工業(ものづくり)エネルギー

再生可能資源利用・省エネルギー

化石資源からの脱却

バイオ化学品バイオプラスチック
バイオ繊維・高機能化学品
バイオエンプラ・香料原料
医薬品・医薬品中間体など

バイオ燃料
バイオエタノール
バイオジェット燃料
バイオディーゼル
バイオガスなど

経産省 バイオエコノミーの実現に向けた国際動向と我が国の取組 H30年9月25日資料を参考に作成

5

過去のバイオ戦略と時代背景
2000
2005
2010

Confidential■京都議定書(1997)■ゲノム解析ブーム■バイオ燃料ブーム(バイオマスの利用)■バイオエコノミー■人工知能ブーム

バイオテクノロジー戦略大綱(2002)
目的: 研究開発の充実、産業化

ドリームBTジャパン(2008)
目的: 研究成果の社会還元、遺伝子組換作物のR&D
バイオマス利活用

2015
2020

バイオ戦略20196

バイオ戦略2019の全体概要

Confidential

全体目標
2030年に世界最先端のバイオエコノミー社会を実現(バイオファーストの実現)

ポイント: 分散型から集約型へ① 高機能バイオ素材① 市場領域からのバックキャスト② バイオ×デジタルを実現する
データ基盤の構築③ 国際バイオコミュニティ圏の創出④ 戦略司令塔機能の強化② バイオプラスチック③ 持続的一次生産システム

市場領域④ 有機廃棄物・有機排水処理⑤ 生活改善ヘルスケア、機能性食品、デジタルヘルス⑥ バイオ医薬品・再生医療・細胞治療・遺伝子治療関連産業⑦ バイオ生産システム⑧ バイオ関連分析・測定・実験システム⑨ 木材活用大型建築、スマート林業
2019年度中に、市場領域ごとにロードマップを作成

7増殖非依存型バイオプロセスの概念図

Confidential

RITE Bioprocess®
特許: JP3869788

DE602004026192.0
JP4451393 DK1647594
US7368268 FR1647594
EP1647594 GB1647594
CH1647594

反応槽に微生物を高密度充填し反応混合糖完全同時利用可
高生産性

C5, C6糖

微生物が増殖しないため、生産物
バイオ燃料
バイオ化学品

発酵阻害物質耐性

菌体触媒（増殖なし）

JP4927297
US7598063EP1291428
JP4294373■増殖のためのエネルギーロスがなく、原料収率が高い。
■システムが簡便。

＊RITE Bioprocessは、公益財団法人地球環境産業技術研究機構の登録商標(登録第5796262号)です。

従来の発酵法微生物が増殖しながら物質を生成増殖

微生物が増殖するため、■スペースが必要■巨大な反応槽が必要■生産(反応)時間は微生物の増殖に依存
8Confidential

Product portfolio by RITE Bioprocess®
バイオ燃料
 ガソリン混合・代替・エタノール＊
 バイオジェット燃料
・イソブタノール＊・n-ブタノール＊
・100％グリーンジェット燃料
C9~C15飽和炭化水素+ 芳香族化合物
 バイオ水素グリーン化学品
 芳香族化合物
・シキミ酸 (インフルエンザ治療薬タミフル原料)
・フェノール＊(フェノール樹脂、ポリカーボネート)
・4-ヒドロキシ安息香酸＊(ポリマー原料)
・アニリン＊(石油外天然資源タイヤ原料(老化防止剤))
 有機酸
・D-乳酸＊、L-乳酸＊(ステレオコンプレックス型ポリ乳酸)
・コハク酸＊
 アミノ酸・アラニン (キレート剤)
・バリン (次世代飼料用アミノ酸、医薬品原料、食品)
・トリプトファン (飼料用アミノ酸、医薬品原料、飲料)
・メチオニン (飼料用アミノ酸、調味料)
 アルコール
・イソプロパノール (プロピレン原料)
・キシリトール (甘味料)
赤字; 世界最高の生産性を達成済＊; ポリマー原料

9バイオ燃料生産技術の開発10

Confidential

2020年 東京オリンピックでの導入を目指してO

http://www.jica.go.jp/

OOO

水素化処理

OO

油脂:トリグリセライド
C12 - C18

http://biodiesel-news.com/

50％混合

http://www.treehugger.com/

ヤトロファ
カメリナ

有機廃棄物他藻(Algae)

ガス化/熱分解

HOH2C

OOH

バイオマス（セルロース系）

CH2OH
OOHOHOH

酵素加水分解syngas

HO50％混合
FT法

水素化処理

H 3C

50％混合
ブタノール

CH3

C10 - C15パラフィン系
炭化水素

熱分解油

OHOH

微生物
変換

CH3

成分調整

オリゴマー化
水素化処理

CH3

<25％

S

微生物
変換

分岐鎖飽和炭化水素化合物
環状飽和炭化水素化合物
芳香族化合物100％<5％

ジェット燃料11

Confidential

バイオブタノール製造技術
原料バイオマス
非可食バイオマス
セルロース系

ｺｰﾝｽﾄｰﾊﾞｰ
ｺｰﾝｽﾄｰﾊﾞｰ
ｽｲｯﾁｸﾞﾗｽ他
ｽｲｯﾁｸﾞﾗｽ他

製造技術（微生物変換）

工業用
微生物
酵 母
大腸菌

コリネ型細菌オリゴマー化ジェット燃料

METI「国際共同研究開発プロジェクト(H27～31年)

米海軍、米空軍

RITE

ジブチルエーテル

Isobutanol
Butamax
Gevo

OH

ディーゼル燃料
ガソリン添加剤
ブチルゴム
LANXESS 脱水→ブチレン

PET
トウモロコシ小麦
サトウキビ他
食品由来の澱粉
ショ糖系

食糧系バイオマス

ABE
クロストリジウムOH

東レ ﾊﾟﾗｷｼﾚﾝ→ﾃﾚﾌﾀﾙ酸
Coca-Cola

n-Butanol

アクリレート類

Eastman Chemical (TetraVitae)
Ji-An Biochemical Co., Ltd.
Cathay Industrial Biotechnology Co., Ltd.
Green Biologics

アセテート

ABE:アセトン･ブタノール・エタノール発酵法

溶剤
グリコールエーテル
12Confidential

コリネ型細菌におけるイソブタノール生合成経路
2NAD+2NADHSugars

Phosphoenolpyruvate
Lactatepyruvate

副生経路の遮断

Succinate
Acetateブタノール生合成系遺伝子の高発現

Pyruvate + Pyruvate

コリネ型細菌由来
酵素遺伝子(バリン経路)① Acetohydroxyacid synthase(AHAS)
NADH
NAD+

② Acetohydroxyacid isomeroreductase(AHAIR)

2,3-Dihydroxyisovalerate③ Dihydroxyacid dehydratase(DH)D-Pantothenate

2-Ketoisovalerate

Isobutyraldehyde
NADH
NAD+

⑤ Isobutanol dehydrogenase(IDH)

Isobutanol

細胞内
酸化還元バランスの調整

L-Valine④ 2-ketoacid decarboxylase(KDC)

L-Leucine

他微生物
酵素遺伝子

フィードバック阻害の解除

Acetolactate

高基質特異性酵素遺伝子の探索・改良
13Confidential

生産性比較: イソブタノール生産
Isobutanol
productivity(g/L/h)Aerobic /Anaerobic

KDC

ADH

220.20Micro-aerobic

kivD

adh2

Saccharomyces
cerevisiae 2)

0.63

0.007

Aerobic

aro10

adh2

Bacillus subtilis 3)

5.5

0.09

Micro-aerobic

kivD

adh2

Synechococcus
elongatus 4)

0.45

0.003

Aerobic

kivD

yqhD

Corynebacterium
glutamicum 5)130.26

Shift tooxygen deprivation

kivD

adh2

Corynebacterium
glutamicum 6)

27

1.1

RITE bioprocesskivDadhP

1) Nature 451:86-90. 2008.
2) Biotechnol. Biofuels 5:65. 2012.
3) Microb. Cell Fact. 11:101. 2012.

4) Nat. Biotechnol. 27:1177-1180. 2009.
5) Appl. Environ. Microbiol. 77:3300-3310. 2011.（Germany）
6) Biotechnol. Bioeng. 110:2938-2948. 2013.（RITE）

Microorganisms

Isobutanol(g/L)

Escherichia coli 1)

kivD : Lactococcus lactis
aro10: Saccharomyces cerevisiae
adhP: Escherichia coliadh2: Saccharomyces cerevisiae
yqhD: Escherichia coli14Confidential

二相反応系を用いたイソブタノール生産
600

反応槽全体

イソブタノール(mM)

500
400

二相反応系有機溶媒相
反応液相

有機溶媒相

300200反応液相1000010203040時間(h)50

イソブタノール(mM)

生産性(mol/mol％)

RITE Bioprocess®

240

57

RITE Bioprocess®
+ 二相反応系

50578607015

JALバイオジェット燃料フライト

Confidential

古着(綿)を原料とした、バイオジェット燃料の製造に挑戦〉〉

日本航空株式会社は、環境にやさしい社会の実現に向け、CO2の削減に効果があるバイオジェット燃料の普及にも努めています。
この度、皆さまの衣料品を原料とした国産バイオジェット燃料の製造に挑戦します。
まず初めに日本環境設計株式会社の協力のもと、全国の皆さまから古着を回収します。
その後、 Green Earth Institute株式会社 の技術的サポートのもと、公益財団法人地球環境産業技術研究機構 が開発したバイオプロセスを使用し、衣料品から国産バイオジェット燃料の製造に挑戦します。
最終的には、2020年中にこのバイオジェット燃料を使用したチャーターフライトの運航を目指します。
16

スマートセル創製
技術開発17

合成生物工学によるスマートセルの創製
従来型細胞育種発見(discover)
解析(analysis)

スマートセル(高度に機能がデザインされた生物細胞)の創製
システム生物学ツール
新規遺伝子クラスター同定
統合オミクス解析
ゲノム解析
転写制御解析

構築(Built)

DBTLサイクル
学習(Learn)
人工知能(AI)
機械学習等

試験(test)

合成生物工学ツール
人工代謝パス構築
統合プラットフォーム構築
遺伝子クラスター合成
ゲノム編集

設計(Design)

設計(design)
組換え(built)

Confidential

試験(Test)
自動ハイスループット
アッセイ

人工的な代謝経路・遺伝子回路を計算機科学的に設計し、合成生物工学により設計通りに遺伝子を合成・編集し生産細胞を創製

18

Confidential

全国の連携機関
RITEは全国の学術研究機関と連携

産総研 北海道
生物プロセス研究部門

RITE

バイオ研究グループ

京都大学

大学院医学系研究科

東北大学

大学院農学研究科

神戸大学

大学院科学技術イノベーション研究科

産総研 つくば生物プロセス研究部門

プロジェクトリーダー

九州大学

大学院農学研究院

産総研 臨海副都心
人工知能研究センター最先端バイオ技術探求グループ

大阪大学

大学院情報科学研究科

理研 横浜

環境資源科学研究センター

19

Confidential

スマートセル設計システムを用いたDBTLサイクル
従来の代謝設計
ここを止めてこっちをつなげて・・
いや、やっぱりこっち？
それとも全部試す？

・ トライアル・アンド・エラー
・ 多大な労力・ 検索範囲に限界
・ 個人の経験に依存

スマートセル設計システム
ランク付き改変提案
1. abcD遺伝子の破壊
2. efgH遺伝子の導入
3. A133G 配列変換
・・・・ 最小限の試行
・ 大規模データベースから広範囲に検索
・ シミュレーションに基づく代謝経路の最適化
・ 人の発想を超えた改変提案
20

Confidential

スマートセル設計システムを用いたDBTLサイクル
代謝設計サイクル(代謝経路・配列設計)
L
D
B
T
L
D
B
T
L
D
B
T
L
D
B
T
L
D
B
T

FBAによる経路予測
最高収率経路提案
検討株構築
生産検討
HyMepによる経路予測
改変指針提案
検討株構築
生産検討
低発現蛋白質予測
高発現配列設計提案
検討株構築
発現検証
生産検討
HyMepによる経路予測
改変指針提案
検討株構築
生産検討
HyMepによる経路予測
改変指針提案

機能遺伝子探索サイクル

代謝設計サイクル(副生経路遺伝子破壊)

L
D
B
T
L
D
B
T

FBAによる生産速度予測
破壊遺伝子提案
検討株構築
生産検討
FBAによる生産速度予測
破壊遺伝子提案

DB
TL
D
B
T
B
T

検討株提案
検討株構築
トランスクリプトーム解析
ネットワーク解析
機能遺伝子候補提案
検討株構築
機能遺伝子同定
生産検討株構築
機能遺伝子実証

検討株構築
生産検討

各技術を生産株に統合

検討株構築
生産検討

実用化可能な高生産株

21

芳香族ジオール
目的芳香族化合物

芳香族ジオール

単価(/kg)2,000円

年間世界生産量

2.0万 t世界市場規模400億円

用途

香料、重合禁止剤、抗酸化剤、医薬品、農薬の合成原料、レジストの剥離剤、脱酸素剤、メッキ処理剤の原料＜ターゲットの選定理由＞
・化粧品、医薬品等の原料であり、特に香料分野での需要が高く、今後大きな市場の伸びが期待される。
・微生物に対する毒性が強く従来技術では発酵生産が困難。

Confidential

22最短代謝経路探索による生産濃度向上

Confidential

スマートセル設計システム: 代謝設計技術
Flux Balance Analysis, FBAにもとづく代謝シミュレーションを行い、生産経路を選定

代謝経路
設計技術

Glc

target代謝経路
設計技術

生産濃度比向上: 0 → 1.023

最適代謝経路探索による生産濃度向上

Confidential

スマートセル設計システム: 代謝設計技術
Hybrid Metabolic Pathway design tool, HyMePにもとづく代謝シミュレーションを行い、生産経路を追加

代謝経路
設計技術

Glc

代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

target代謝経路
設計技術

外来遺伝子を導入して2経路を同時利用

生産濃度比向上: 1.0 → 2.024

Confidential

タンパク質発現量調節による生産濃度向上
スマートセル設計システム: 導入遺伝子配列設計技術○全ゲノムから相対的に発現量が低い遺伝子を予測○mRNAの5’側の二次構造を崩すことで翻訳を促進
配列設計(産総研)mRNA

RNA二次構造のためリボソームによる翻訳停止
配列変更

SDS-PAGEによる発現量比較(RITE)
WT

設計
配列Enzyme1:
45.2 kDa

Enzyme2:22.3 kDa

二次構造を解消し翻訳促進

配列設計によりタンパク質発現量が大幅に増加→ 生産濃度も向上

25

Confidential

タンパク質発現量調節による生産濃度向上
スマートセル設計システム: 導入遺伝子配列設計技術
コドン使用頻度、mRNAの二次構造形成能にもとづく自由エネルギーシミュレーションを行い、高発現配列を設計

代謝経路
設計技術

Glc

代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

target代謝経路
設計技術

導入遺伝子配列設計技術

配列設計により代謝酵素発現量アップ

生産濃度比向上: 2.0 → 2.426最適代謝経路探索による生産濃度向上

Confidential

スマートセル設計システム: 代謝設計技術
Hybrid Metabolic Pathway design tool, HyMePにもとづく代謝シミュレーションを行い、酸化還元バランスを調整
NADHの蓄積による解糖系阻害を防ぐためNADPH型酵素をNADH型酵素と入れ替えた解糖系で生じたNADHが蓄積するとこの反応を阻害する

入れ替え

NADPH型酵素

NADH型酵素

代謝経路
設計技術

Glc

代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

target

代謝経路
設計技術

導入遺伝子
配列設計技術

生産濃度比向上: 2.4 → 2.5

この反応はNADPHを消費する

27

Confidential

スマートセル設計システムによる生産濃度向上
代謝経路
設計技術

輸送体
探索技術

導入遺伝子
配列設計技術

代謝経路
設計技術

Glc
代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

target導入遺伝子
配列設計技術ターゲット生産濃度比

代謝経路
設計技術

1.0

2.0

2.4

代謝経路
設計技術

輸送体
探索技術

代謝経路
設計技術

2.5
従来報告の最高濃度0
代謝設計
技術

代謝設計
技術

導入遺伝子
配列設計技術

代謝設計
技術

代謝設計
技術

代謝設計
技術

導入遺伝子
配列設計技術

輸送体
探索技術

・・・

28

SIP
革新的バイオ素材・高機能品等の機能設計／生産技術開発
29

Confidential

バイオマテリアル設計・生産技術統合システム
Input

高耐熱／高剛性ポリマー
ゴム・エラストマー
生分解性制御ポリマー

Output高機能ポリマー

Outputバイオ合成可能なモノマー

Output代謝経路・高活性酵素

Input

所望のポリマー特性

高機能ポリマー・
バイオモノマーの設計

バイオモノマーの効率生産30

Confidential

バイオポリマー設計
Output高機能ポリマー高耐熱／高剛性ポリマー
ゴム・エラストマー
生分解性制御ポリマー

既存バイオモノマー由来
新規バイオモノマー由来

Outputバイオ合成可能なモノマー

Input

所望のポリマー特性

機械学習の活用

ポリマー合成高次構造測定量子化学・MDシミュレーション

Input

ポリマー候補の特性
モノマー候補の特性

代謝経路
デザインリスト化

Input

バイオ合成可能なモノマー候補の構造31

Confidential

バイオモノマーの効率生産
データ駆動型酵素開発とバイオモノマーの効率生産の実現
新規バイオモノマー
リスト(DB)
代謝経路デザイン
プロトタイプ酵素の探索

酵素の高機能化,機能評価

バイオモノマーバイオモノマー合成酵素

高機能化酵素・グラフ構造理論等の導入による代謝経路探索技術の最適化
・バイオ合成可能な新規モノマーのDB化

機械学習によるプロトタイプ酵素の探索アルゴリズムの開発

計算化学・機械学習・進化工学的操作による酵素の機能改変

バイオポリマー設計グループへ
代謝デザイン支援

Wet支援

酵素情報

酵素機能・生産性評価基盤

Wet支援・酵素改変体の酵素機能検証と有効変異点の同定
・バイオモノマー生産株の構築

Wet支援

生産菌株の拡張

CO2固定微生物・原料の拡張(糖からCO2へ)にに向けた電気合成微生物の単離・ライブラリー化、およびバイオ生産能力の検証
・バイオモノマー効率生産の実現に向けた生産菌株の拡張32

研究実施体制

Confidential

研究代表およびプロジェクトマネジメントチーム

理化学研究所(経営企画部、イノベーション事業本部、情報システム本部等)

ポリマーMI開発グループ■計算科学チーム【メンバー】
理化学研究所、物質・材料研究機構、
名古屋大学■高分子化学チーム【メンバー】
理化学研究所、産業技術総合研究所■高次構造チーム【メンバー】
理化学研究所、九州大学

バイオモノマー生産グループ
バイオモノマー合成酵素開発チーム【メンバー】
・代謝経路デザインサブチーム:
理研、産総研・プロトタイプ酵素探索サブチーム: 京大・酵素反応拡張サブチーム:
SyntheticGestalt㈱・活性中心改変サブチーム:
東北大、産総研、理研
・全体配列改変サブチーム:
理研、SyntheticGestalt㈱・Wet評価サブチーム:
RITE、東北大、産総研

CO2直接固定チーム【メンバー】
産業技術総合研究所、理化学研究所

33

実用化に向けた取り組み

34

Green Earth Institute㈱ (GEI)

Confidential■設立目的： RITE Bioprocessの事業化■設立:

2011年9月1日■代表取締役: 伊原智人
■本社:

東京都文京区本郷7-3-1
東京大学アントレプレナープラザ■研 究 所 :千葉県木更津市かずさアカデミアパーク■事業内容 :

非可食バイオマスを原料としたバイオ燃料・化学品の生産■製Green Earth 研究所

品:【アミノ酸】工業用、食品用アミノ酸
海外の複数の国で生産プロジェクトが進行中【バイオ燃料】ブタノールを原料とした「JALバイオジェット燃料フライト」プロジェクトに参画【化粧品原料】化粧品用エタノールの国内販売開始

海外メーカーとのコラボレーション
右はRITE本庄専務理事、左はGEI伊原社長

35

グリーンケミカルズ㈱ (GCC)

Confidential(グリーンフェノール開発㈱から社名変更)■設立目的: グリーン化学品の事業化■設

立: 2014年5月27日(RITEと住友ベークライト㈱で設立したグリーンフェノール・高機能フェノール樹脂製造技術研究組合を組織変更して設立)■代 表 者 : 代表取締役社長 林 茂 (住友ベークライト㈱)■本社: 京都府木津川市木津川台9-2(RITE内)■拠点: ・RITE内■拠点:・住友ベークライト㈱静岡工場内■事業内容:

パイロット生産設備

・NEDO事業を受託(H26.5～27.3)、千葉県かずさアカデミアパークにパイロット設備を設置、RITEが開発した2段工程法を利用したグリーンフェノールの生産に成功(住友ベークライト静岡工場内に移設)。

グリーンフェノールモノマー/樹脂・NEDO事業助成により(H27.8～30.2)精製プロセスを導入、グリーンフェノールのバイオ生産～精製までの一気通貫生産を実現。
・同パイロット設備において各種グリーン化学品生産を検討中。

地球環境産業技術研究機構(RITE)

グリーンフェノール
樹脂材料成形品

住友ベークライト㈱グリーンケミカルズ㈱(GCC)36

まとめConfidential

RITE Bioprocess■高生産性■混合糖類(C6, C5糖)の完全同時利用性■発酵阻害物質への高度耐性
バイオ燃料生産技術の開発■バイオジェット燃料生産(JALバイオジェット燃料フライトプロジェクト)
スマートセル創製技術の開発■バイオ技術 × デジタル技術の融合
事業化に向けた取り組み■Green Earth Institute㈱、グリーンケミカルズ㈱37＊ BioJapan2019 に出展します ＊Confidential

日程: 10/9(水)～11(金)場所: パシフィコ横浜 展示ホール
小間番号: D-16

38

Thank you for your attention
Contact Information: mmg-lab@rite.or.jp
www.rite.or.jp

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