Confidential

革新的環境技術シンポジウム2020
2020年12月９日

サーキュラー・バイオエコノミーの実現を目指した
グリーンバイオプロセスの開発
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

Confidential⑴ はじめに■サーキュラー・バイオエコノミー■RITEバイオプロセス⑵ 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■NEDOデータ駆動型統合バイオ生産マネジメントシステム⑶ 海洋生分解性バイオプラスチック開発■NEDOムーンショット⑷ 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)2

サーキュラー・バイオエコノミー

Confidential3

バイオ戦略2020

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
９つの市場領域① 高機能バイオ素材② バイオプラスチック③ 持続的一次生産システム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

基盤的施策① 新型コロナウィルス感染症対策に係る研究開発等の推進② 市場獲得を実現するデータ連携促進●バイオデータ連携・利活用ガイドライン策定③ グローバルバイオコミュニティ(２地域程度)、地域バイオコミュニティ(数都市程度)の形成④ 市場領域に係る基盤的施策(未確定)●データ基盤の整備、バイオコミュニティ形成等⑤ バイオ戦略を推進する司令塔機能の強化●KPI設定し有識者会議で評価●市場領域ロードマップ策定、ガイドラインの策定

本年冬を目途に以下を策定
・市場領域ロードマップ
・「バイオ戦略2020(市場領域施策確定版)」

4コリネ型細菌
Corynebacterium glutamicumとはConfidential

 非病原性、非運動性、通性嫌気性、土壌性のグラム陽性桿菌
 グルタミン酸を培地中に排出する微生物として日本で分離
 RITEはC. glutamicum R株の全ゲノム配列を独自に決定
SEM

コリネ型細菌

TEM

5

増殖非依存型バイオプロセスの概念図

Confidential

RITE Bioprocess®
反応槽に微生物を高密度充填し反応

特許混合糖完全同時利用可
高生産性

C5, C6糖

菌体触媒（増殖なし）

JP4712716
JP4927297
US8604180
US7598063
DE602004026192.0 JP4294373
FR1647594

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

JP3869788
JP4451393
US7368268
EP1647594■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
6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

7

Confidential

NEDO

スマートセル
創製技術開発8

Confidential

バイオ×デジタルが変える工業／エネルギー分野

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

生物情報（BD）
DNARNA
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

先端バイオ技術

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

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

脱炭素社会へバイオ燃料
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

9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

スマートセル(高度に機能がデザインされた生物細胞)の創製発見(discover)

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

解析(analysis)

設計(Design)

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

構築(Build)

DBTLサイクル

設計(design)

組換え(build)

Confidential

学習(Learn)
人工知能(AI)
機械学習等

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

10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. 遺伝子Aの破壊
２. 遺伝子Bの導入
３. A133G 配列変換
・・・

・ 最小限の試行
・ 大規模DBから広範囲に検索・ 計算機を用いた代謝経路の最適化
・ 人の発想を超えた改変提案
11

スマートセル設計システムを用いた
DBTLサイクル

Confidential

サイクル１

代謝設計・配列設計
酵素選択
D B FBAによる経路予測
L T 生産検討・フィードバック
D B HyMepによる経路予測
L T 生産検討・フィーッドバック
D B 高発現配列設計
L T 生産検討・フィーッドバック

サイクル２ネットワーク解析
D B ネットワーク解析
レギュレータ提案
L T生産検討・フィーッドバック

サイクル３排出体探索
D B 中間体排出体探索
L T 生産検討・フィーッドバック

D B HyMepによる経路予測
L T 生産検討・フィーッドバック

D B 中間体排出体探索
L T 生産検討・フィーッドバック

D B HyMepによる経路予測
L T 生産検討・フィーッドバック

D B カテコール排出体探索
L T 生産検討・フィーッドバック

D B FBAによる破壊遺伝子提案
L T 生産検討・フィーッドバック
D B
L T

高発現配列設計
生産検討・フィーッドバック

D B
L T

プロテオーム・代謝設計
生産検討・フィーッドバック

D B
L T

酵素選択・選択生産検討・フィーッドバック

サイクル４

知識ベース
株構築理論提供
D B
知識ベース開発
L T
新規改変提案D B 株構築理論提供知識ベース開発
L T
新規改変提案

各技術を生産株に統合

最終目標達成株・実用化可能な高生産株

12Confidential

カテコール
目的
芳香族化合物

カテコール

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

Carbofuran
phenolVanillin

Heliotropin

https://www.openpr.com/news/766676/Catechol-Market-Key-Players-analysis-Solvay-UBE-Industries-Camlin-FineChemicals-Sumitomo-Chemical-Co-Trivenichemical-Mitsui-Chemicals.html

市場拡大傾向OtherNorth America

China
Japan

Global Catechol Revenue: 2015-2026

EuropeGlobal Revenue Market Share by Region in 201913

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 → 1.0倍14

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

target

代謝経路
設計技術
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 → 2.0倍
15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

16

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

target

代謝経路
設計技術
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 → 2.4倍17Confidential

酸化還元バランス調整による生産濃度向上
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

target

代謝経路
設計技術
代謝経路
設計技術

導入遺伝子
配列設計技術代謝経路
設計技術

この反応はNADPHを消費する

生産濃度比向上: 2.4 → 2.5倍18

前駆体供給強化の試み

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、前駆体の消費を抑制
前駆体を消費する系を破壊
前駆体を消費しない系を追加

グルコース取り込み系を変更
代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

Glc

Glc

代謝経路
設計技術

target

代謝経路
設計技術
代謝経路
設計技術

導入遺伝子
配列設計技術

代謝経路
設計技術

生産濃度比低下: 2.5 → 1.6倍

19

糖取込み強化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、糖取込み経路の強化２系統の取り込みを同時に利用グルコース取り込み系を変更
代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

Glc
代謝経路
設計技術

Glc

target

代謝経路
設計技術
代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

導入遺伝子
配列設計技術

代謝経路
設計技術

生産濃度比向上: 1.6 → 3.2倍

20

工学的手法による生産濃度向上

Confidential

生産濃度のさらなる向上を目指し、培養液中からカテコールを除去しつつ生産する技術の検討を行った

膜分離 + 吸着樹脂
カテコール選択的吸着樹脂

菌体分離膜

有機溶媒重層カテコール選択的吸収溶媒21

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
Glc

target

代謝経路
設計技術
代謝経路
設計技術

代謝経路
設計技術

導入遺伝子
配列設計技術

代謝経路
設計技術

x5.6
ターゲット
生産濃度比x4.7
x3.2
x2.0

x2.4

x1.0

x2.5
x1.6

従来報告の最高濃度0
代謝設計 代謝設計
技術
技術

導入遺伝子
配列設計技術代謝設計 代謝設計 代謝設計
技術
技術
技術

工学的手法

工学的手法

・・・

22

Confidential

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

23

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

OutputOutputバイオ合成可能なモノマー

高機能ポリマー

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
24Confidential

バイオモノマーの効率生産

高機能酵素を効率的に創製することで、微生物によるバイオモノマーの生産を飛躍的に効率化し、開発期間を大幅に短縮

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

バイオモノマー選定

バイオポリマー設計グループ

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

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と、代謝経路を提示

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

新規バイオモノマー
リスト(DB化)

代謝デザイン支援

機能評価

Wet支援酵素機能・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

25

ConfidentialNEDO

カーボンリサイクル実現を加速する
バイオ由来製品生産技術の開発

26

データ駆動型統合バイオ生産マネジメントシステム(Data-driven iBMS)の研究開発

Confidential【プロジェクト概要】

A) 標準化された培養評価方法の共有
B) あらゆる培養情報のデジタル化・標準化による共有により、バイオ生産開発の一気通貫マネジメントの強化→ バイオ生産・製品の社会実装を格段に推し進める。

C) 新規シーズを創出する微生物機能探索・育種基盤の構築
D) 並列AI 自動制御型の次世代生産プロセスの開発→ 多様なニーズ・市場サイズに合わせた生産規模への対応力を大幅に強化する。

4. 次世代バイオプロセス開発

AI制御

並列型のAI制御システム
AI制御並列化

3. バイオ生産プロセス基盤
標準培養装置の設定

標準培養装置スケーラビリティー確保

司令塔
5. Data-driven iBMS

実証
1. 新規ターゲット探索基盤
新規シーズ増出標準化された情報の収集
培養データ駆動プロセス化
2. 産業用スマートセル開発
新規シーズ増出オーダー

新規機能探索ターゲット物質、宿主、機能

DBTLで改良改良株を構築■ 研究開発責任者 京都大学 小川 順 教授
・ 国立大学法人京都大学
・ 国立大学法人九州大学
・ 株式会社ニコンインステック
・ 独立行政法人製品評価技術基盤機構
・ 国立大学法人⾧岡技術科学大学
・ 学校法人早稲田大学
・ 国立大学法人広島大学
・ 株式会社オンチップ・バイオテクノロジーズ
・ 国立研究開発法人産業技術総合研究所
・ 国立大学法人東京大学
・ 花王株式会社 ・ 宇部興産株式会社
・ 不二製油グループ本社株式会社
・ 学校法人新潟科学技術学園新潟薬科大学
・ 公益財団法人地球環境産業技術研究機構
・ 国立大学法人東北大学
・ 佐竹化学機械工業株式会社
・ 合同酒精株式会社
・ 学校法人常翔学園大阪工業大学
・ 国立大学法人大阪大学
・ 株式会社ちとせ研究所
・ 一般財団法人バイオインダストリー協会*iBMS=integrated
Bioproduction
ManagementSystem27テルペン系化合物生産のためのコリネ菌産業用スマートセル構築
ターゲット

連携

「カロテノイド」
市場規模＝2019年時点で1500億円

天然色素

医薬品原料
栄養補助食品Confidential

2.1.1 「培養データ駆動型細胞内ダイナミクス解析技術開発」(京大、産総研)
培養プロファイル予測モデル構築
2.1.3 「細胞内因子量制御技術開発」(産総研)
可溶化タンパク質発現調節の遺伝子配列設計

化粧品

本研究開発
目的 産業レベルでカロテノイド生産可能なコリネ菌の創製
課題

・ カロテノイドの低生産性
・ 生産物による細胞損傷ストレス・ 酸化による生産物の劣化
・ 精製工程に影響を与える副生成物

開発 1. カロテノイド高生産のための代謝設計と生産株構築技術の開発
2. スケールアップに伴い現れる課題解決技術の開発
項目 3. 産業培養条件下での高生産可能な生産株構築技術の開発

野生株

カロテノイド生産株28

Confidential

NEDO

ムーンショットプロジェクト
非可食性バイオマスを原料とした海洋分解可能なマルチロック型バイオポリマーの研究開発

29

Confidential

ムーンショットプロジェクト

非可食性バイオマスを原料とした海洋分解可能なマルチロック型バイオポリマーの研究開発
タイヤ摩耗粉

プラゴミ

球晶
触媒
漁網

繊維くず

化学分解
光
分子解体

廃棄

オンデマンド
高速分解

摩耗
摩洗濯
成形加工プロセス

強靭化

化学プロセス

精密
重合

動的架橋
超分子
構造解析

環境分解性ポリマー
アカデミアとの連携でトレードオフを打破

強靭性

環境分解
化学分解

目標

酵素

バイオプロセス
HOO

O

OH

モノマー

RITE

非可食系
バイオマス

RITE

光合成

マルチロック機構

現状

トレードオフ海洋分解性30非可食性バイオマスを原料としたバイオモノマー生産プロセスの開発
ポリマー

漁網

Confidential

モノマー

ポリアミド
ポリグリコール酸など

グリコール酸
アジピン酸
ε-カプロン酸など

ポリエステル
ポリアミドなど

コハク酸
1,4-ブタンジオール
アジピン酸など

ポリエステルなど

テレフタル酸
フタル酸
2,5-フランジカルボン酸
エチレングリコールなど

ポリイソプレン
ポリブタジエンポリウレタンなど

イソプレンブタジエン
ポリオール
イソシアネートなど

衣類

プラスチック摩タイヤ

バイオモノマー生産プロセス

生産したバイオモノマーはマルチロック型バイオポリマー原料として使用

31

Confidential

ポリマー分解酵素の高機能化
高機能化酵素によるポリマーの分解促進
光
漁網ゴミ
環境分解
化学分解
繊維くず

プラゴミ

酵素

ex.
PET分解酵素
ゴム分解酵素H2O

ポリマー分解酵素の高機能化

タイヤ摩耗粉環境に散逸した
ポリマー

非可食バイオマス

32

Confidential

実用化に向けた
取り組み

33

Green Earth Institute㈱ (GEI)
設立目的

RITE Bioprocessの事業化

設

2011年９月１日

立Confidential

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ラボ

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

Green Earth 研究所【アミノ酸】 工業用、食品用アミノ酸 (アラニン、バリン)
海外での商用生産を実施中
製品【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
国産バイオジェット燃料の製造に成功【化粧品原料】 化粧品用エタノールの国内販売実施

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伊原代表取締役

34

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

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

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・ 住友ベークライト㈱静岡工場内

事業内容

グリーンフェノール開発で培った技術を基盤に、各種グリーン化学品の製造技術に展開し、早期事業化を目指す。
OO

OH

OHOH

HOOH

OHOH

O

パイロット生産設備

OH

グリーンフェノールモノマー/樹脂

OH

開発品
プロトカテク酸

シキミ酸

４-HBA

グリーンフェノール
樹脂材料成形品

地球環境産業技術研究機構(RITE)

住友ベークライト㈱グリーンケミカルズ㈱(GCC)35

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

NEDO: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

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
・ 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

NEDO:カーボンリサイクル実現を加速するバイオ由来製品生産技術の開発
・ データ駆動型統合バイオ生産マネジメントシステム(Data-driven iBMS)の研究開発

NEDO:ムーンショット 海洋生分解性プラスチック開発
・非可食性バイオマスを原料とした海洋分解可能なマルチロック型バイオポリマーの研究開発

事業化に向けた取り組み

・ Green Earth Institute㈱、グリーンケミカルズ㈱36