スマートセル
Smart Cell

■ 研究の背景 Background

Design

Build

Learn

Test

バイオテクノロジーの急速な進展により、これまで利用し得なかった、潜在的な生物機能を引き出すことが可能となっている。経済産業省は「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」をスマートセルと定義し、これを活用した新産業（スマートセルインダストリー）創出の戦略を示した。
欧米諸国はこれら技術を用いたバイオエコノミー戦略をすでに策定。本市場は2030年にはOECD加盟国において200兆円規模への発展が予想されている。
Innovations in biotechnology made it possible to maximize the potential of biological functions. METI defined “Smartcell” as a finely-designed, expression-controlled cell, and presented a strategy to create a new industry (“Smart cell”
industry) based on the Smart cells.
EU and USA designed policies for Bioeconomy, whose market will be developed to 1.6 trillion US$ (2.7% of GDP of OECD
countries) in 2030.

【生物機能をデザイン】【潜在的な生物機能の引き出し】

Designing of biological function【機能発現を制御】

Maximizing potential of biological functions

Regulation of biological functions

生物情報の蓄積
Advance in analytical technology

ゲノム編集技術
遺伝子合成技術

スマートセル

IT/AI技術の進歩

Genome editing technology
Gene synthesis technology

Smart cell

Advance in IT/AI

石油化学工業

スマートセルインダストリー

Petrochemical industry

Smart cell industry

CO2
高温・高圧プロセス

常温・常圧（超省エネ）プロセス

石油依存

High temperature/pressure process

Petroleumdependent

生理活性物質合成難Normal temperature/pressure process

再生可能
資源活用

生理活性物質合成可Utilization ofrenewable resources

Not applicable for bio-based chemicals

Applicable for commodity and ﬁne chemicals

高環境負荷・資源枯渇

持続可能な発展

Sustainable development

High environmental burden/resource depletion■コリネ菌を用いた有用芳香族化合物の生産性向上による代謝解析技術の有効性検証（RITE、神戸大学、産業技術総合研究所）
Validation of metabolic models by improving productivity of useful aromatic compounds by Corynebacterium glutamicum.

NEDO「植物等の生物を用いた高機能品生産技術の開発」（スマートセルプロ
ジェクト）で情報解析技術（スマートセル設計システム）を活用した高生産株のデザインと構築、実証検討を開始（2016年～）。
NEDO launched a project, “Development of Production Techniques for Highly Functional Biomaterials Using Smart Cells
of Plants and Other Organisms” (Smart cell project)(2016～).

従来型細胞育種 Conventional strain breeding
Screening &DesignAnalysis
Try & error
Genes (Enzymes) selection
Mutants screening

Model revision/update
Algorithm selection

Multiple steps cloning••

Low productivity
Limited product variety

Long-term strain breedingfor commercialization

DBTL
Cycle

Learn

Build

Manual assay
Try & Error
Huge manpower

Synthetic pathway
Genome-scale model
Gene cluster
Gene expression

Synthetic pathway

Test
•
•

スマートセル設計システム Smart cell design system
Build
Design (by programs)•••

Gene pairing
Gene synthesis
Gene cluster
Genome optimization

Test
High throughput assay
Multi-omics analyses

Model-based metabolism simulation ⇒ High productivity
Computer-aided pathway design⇒ Expanded product variety
Long chain DNA synthesis⇒ Eﬃcient strain construction

Fast

Shortening the period of strain breedingSlow

スマートセル設計システムの有効性検証
Validation of the smart cell design system

DesignBuild

代謝モデルからの代謝改変候補
遺伝子発現向上の改変案

代謝改変生産菌株の構築
配列改変遺伝子の発現

Metabolic modiﬁcation suggested from metabolic model
Sequence modiﬁcation for enhancing gene expression

Construction of production strains based onsuggested gene/metabolic modiﬁcations

産総研
AIST

Learn

神戸大学

Dry
Wet

Kobe univ.

Test

RITE

代謝モデルの最適化
配列設計手法の最適化

生産性・発現量評価
オーミクスデータ取得

Optimization of metabolic modeland sequence design method

Evaluation of productivity/gene expression
Multi-omics data acquisition

公益財団法人地球環境産業技術研究機構

Fast
Slow

バイオ水素生産技術開発
日米仏国際共同研究

R&D of bio-hydrogen production
Japan-U.S.-France collaboration research■ 研究の背景 Background

微生物を利用した水素生産（バイオ水素生産）は将来のCO2フリー水素製造技術として期待され、世界中で様々なプロセスの研究開発が進められているが、生産性（生産速度、収率）が低いことが課題となっている。

Biological production of H2 is expected as a CO2-free H2 production technology in the future. However, drawbacks of thebio-H2 production (low production rate and low yield) still remain as unsolved issues.

H2

H2

2 mol

Cellulosic
biomass

H2

CNRS

2 mol

8 mol

High performanceH2-producing enzyme

Formate2 mol

Acetate
2 mol

Sugar
1 mol

Dark
fermentation

NREL

RITE & Kyoto University

Photofermentation
RITE

NREL：National Renewable Energy Laboratory, CNRS：Centre national de la recherche scienti�que＊暗発酵と光発酵の統合による水素収率：最大12 mol/mol グルコース

Maximum 12 mol of H2 is produced from 1 mol of glucose by integrating the dark fermentation and thephotofermentation systems.

＊課題：生産速度と収率の向上
Technical challenge: improvement of production rate and yield

水素生産微生物触媒の技術開発を実施し、糖やギ酸からの高速水素生産に成功した。
R&D of bio-H2 production was carried out, and we succeeded to achieve a high H2 production rate by high-density
microbial cell catalysts.
Cell
preparation

FormateHydrogen生産速度：300 L H2/h/L⇒
2 Lリアクターで1 kW級家庭用燃料電池の駆動が可能Production rate: 300 L H2/h/L, which means that a 2-L reactor is
suﬃcient to operate 1 kW fuel cells for housing.

Anaerobic conditions
Aerobic
cultivation

FHL
expression

H2
production

バイオ水素生産装置

燃料電池

Bio-H2 production device

Fuel cells＊ギ酸を介する水素生産経路
Formate-dependent H2 production pathway＊高密度菌体触媒
High-density cell catalyst＊菌体増殖工程と水素生産工程の分離
Separating H2 production process from cell growth■ 非可食バイオマスからの高効率水素生産技術の開発
Development of technology for highly eﬃcient bio-H2 production from non-food biomass

経済産業省「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開発事業（2015～2019年）」において、糖からの水素収率の大幅向上に向けた技術開発を実施中。
METI project of bio-H2 production technology development (2015-2019) has been carried out by RITE.
暗発酵水素生産微生物の改良

光発酵水素生産微生物の改良

Metabolic engineering of Escherichia coli (dark fermentation)

Metabolic engineering of Rhodobacter sphaeroides (photofermentation)

H2 evolution system in Escherichia coli
HycD HycC
Formate hydrogen lyase(FHL) complex
Hydrogenase HycG

GlucoseFormate dehydrogenase
Pyruvate

2e-

2H+

Hydrogenase

FdhF

HycF
HycB

Light energy

16ATP

2H+

Accessory proteinsrequiredforbiosynthesisofAdditional H2 production[NiFe]-hydrogenase
via hydrogenase inducedCN

Protease for activation
HycI

CO
Ni

8e- 8H+

N2

Nitrogenase

16ADP

AcetateNi-Fe-CO-CN
cofactor

CO2

H2

Formate CO2

Fe

AcetateHycE

H2[NiFe]-hydrogenase
large subunit

H2 evolution from acetatein purple non-sulfur photosynthetic bacteria

NH3

H2

Acetate metabolism via ethylmalonyl-CoA
pathway in Rhodobacter sphaeroides
AcetateAcetyl-CoA

Higher H2 yield by introductionof glyoxylate bypass
Isocitrate

HypC
Acetoacetyl-CoA

HypD
HypE

(R)-3-Hydroxybutyryl-CoA

HypF

Crotonyl-CoA

HypA

Glyoxylate
MalateEthylmalonyl-CoA

HypB

公益財団法人地球環境産業技術研究機構

Succinate

Succinyl-CoAバイオブタノール生産技術開発
日米国際共同研究

R&D of bio-butanol production
Japan-U.S. collaboration research■ 研究の背景 Background

ブタノールは、エタノールと比較して発熱量が大きく、水への溶解度が低いなど、ガソリン代替としてエタノールよりも優れた特性を有する。また、化学的にオリゴマー化することによってジェット燃料に変換可能なため、近年になって特に非可食原料であるセルロース系バイオマスからの生産が注目を集めている。しかし、ブタノールが有する強い細胞毒性のため発酵生産が阻害され、収率が低いことが課題である。
Butanol is attractive as a biofuel due to higher energy density and lower solubility in water than ethanol. Butanol
fermented from cellulosic biomass can be converted into jet fuel by chemical oligomerization. However, due to its
toxicity, inhibition of the fermentation process leads to low yield of butanol.

■ バイオブタノール生産技術の開発 R&D of bio-butanol production

RITEの発酵生産技術と、米国NREL（国立再生可能エネルギー研究所）のセルロースバイオマス前処理・糖化技術の連携により、高炭素収率を特徴とする革新的なブタノール製造技術開発、および米国PNNL（パシフィック・
ノースウエスト国立研究所）と連携して、ブタノールの化学的オリゴマー化技術の共同研究を行っている。現在、経済産業省「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開発事業（2015～2019年）」 に参画し、「高炭素収率を特徴とするセルロース系バイオマスからのバイオ燃料ブタノールの製造に関する研究開発」で上記共同研究を推進中。国内ではパーベーパレーション膜を用いた濃縮と蒸留を組合わせた「省エネ型ブタノール濃縮精製技術」の開発を進めている。
Combination of RITE’s fermentation technology and NREL’s pretreatment/ saccharification technology for cellulosic
biomass will achieve a novel butanol-producing technology with high carbon yield. Combination of the RITE’s
technology and PNNL’s chemical catalyst technology will achieve oligomerization of butanol for drop-in fuels. METI
R&D project of butanol production (2015-2019) has been carried out by RITE, NREL and PNNL.
R&D of energy-saving bio-butanol concentration and purification has been carried out also. A pervaporation (PV)membrane process was used for concentration of butanol prier to distillation process. The combined process can
reduce total energy input required for bio-butanol concentration and purification.
ブタノール耐性株の創製、 Bio-butanol-producing bacteria with high yield
革新的高効率ブタノール生産菌の開発

RITE‐NREL

省エネ型
バイオブタノール
膜濃縮・精製・蒸留

糖化液
NREL
前処理バイオマス

Mixed sugars

Pretreated biomass

Concentration and puriﬁcation of
bio-butanol by combination of PV
membrane and distillation

RITE Bioprocess®

RITE‐PNNL
オリゴマー化

ドロップイン燃料（自動車燃料、航空燃料）
Drop-in fuels (motor fuel, jet fuel)バイオブタノール

oligomerization

Bio-butanol■ Alcohol to Jet (ATJ) 生産技術開発 R&D of ATJ with GEIRITEの遺伝子組換え技術により創製したバイオ燃料ブタノールを高生産可
能なコリネ型細菌を用い、糖から一貫生産したブタノールを原料に「バイオジェット燃料」を製造する「ATJ生産技術開発」をRITE発のベンチャー企業であるGEI（Green Earth Institute（株））と共同で進めている。更に、これを実際にジェット燃料と混合して商用飛行を行うことを目指している。
Bio-butanol, produced by application of RITE’s molecular breeding technology and fermentation technology, will bechemically converted to “bio-jet fuel”.
The bio-jet fuel will be mixed with jet fuel for the flight event. The R&D will be achieved by collaboration with GEI andsome other companies.

セルロース系非可食バイオマス
Cellulosic non-food biomass

RITEバイオプロセス
RITE Bioprocess®

コリネ型細菌Coryneform bacteria

原料

前処理

糖化

イソブタノール生産

Raw materials

Pretreatment

Sacchariﬁcation

Isobutanol production

イソブタノール濃縮・精製
Concentration and puriﬁcation of isobutanol

C8H18
C12H26
C16H34 ・・

iso-butanol
C4H10O

イソパラフィン系
炭化水素

OH

ジェット燃料との混合

脱水・オリゴマー化

Mixed with conventional jet fuelDehydration・Oligomerization
RITE Bioprocess is a registered trademark of RITE.

公益財団法人地球環境産業技術研究機構

新規バイオプロセスによる100％グリーンジェット燃料生産
技術の開発
R&D for a novel bioprocess for production of
100% green jet fuel■ 研究の背景 Background

100％使用も可能なグリーンジェット燃料のバイオプロセスを利用した製造技術の確立を目指しているが、ジェット燃料サイズの環状・分岐鎖化合物は細胞毒性が高く、従来のバイオプロセスでは高生産が困難であり、毒性物質の高生産に適応した新規バイオプロセスの開発が必要。
A novel bioprocess is required to overcome toxicity of jet fuel range of precursor compounds and to achieve productionof 100% green jet fuel.
＜ICAOʼs＜ICAOʼs target＞

Pretreatment&
Sacchariﬁcation＜IATAʼs target＞

HOH2C

O
OH

）

Jet fuel range
Cyclic-/branchedcompounds

Microbial
fermentation

CH2OH
O
OH

OH

OH



100% Green jet fuel
RITE’s technology

Lignocellulosic
biomass＞HO

Hydrodeoxygenation

Jet fuel range
Isoparaﬃns
Cycloparaﬃns
Aromatics

logP value 1.5～3.5

OHOH

Toxic to microbes

Hydrophobicity and productivity of fermentation products

ICAOʼs

IATAʼsICAOʼs global market（～

Application

Voluntary）～

Mondatory

Products

Hydrophobicity

logP

Productivity （g/L）

Ethanol (C2)

Low

-0.3

1001)

Isobutanol (C4)

High

0.77

272)

Isoamyl alcohol (C5)

High

1.26

43)

PhenolHigh

1.46

1 (direct fermentation) 4)

1) Appl. Microbiol. Biotechnol. 78:449-454 (2008). 2) Engineering in Life Sciences, 10:35-40 (1990).
3) Biotechnol. Bioeng. 110:2938-2948 (2013). 4) RITE Today 2015.

航空機からのCO2排出削減目標
Mitigation of CO2 emissions by the aviation industry

発酵産物の毒性と生産量

Correlation between toxicity and productivity in fermentation■ 高汎用性バイオプロセスとグリーンジェット燃料生産技術開発
R&D for a novel versatile bioprocess and production of 100% green jet fuel経済産業省「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開発事業」で革新的高汎用性バイオプロセスの開発と、本プロセスを利用した100%グリーン
ジェット燃料生産技術の開発を実施中。
METI project of development of versatile bioprocess for 100% green jet fuel production is now in progress by RITE.

稲わら
Rice straw

コーンストーバー
Cornstover

非可食バイオマス
Nonfood-based
biomass

有用化学品

高汎用性
バイオプロセス

Useful chemicals

ジェット燃料サイズの
環状・分岐鎖化合物

Versatile bioprocess

Jet fuel range of cyclic-/branched compounds

耐性機構の導入
水素化脱酸素Introduction of toxic compound-resistant system

Hydrodeoxygenation

100%グリーン
ジェット燃料

分岐鎖・環状飽和炭化水素化合物

100% Green Jet Fuel

Iso- and cycloparaﬃns

芳香族化合物
Aromatic compounds【特徴】
細胞毒性が高い有用化学品やジェット燃料前駆体でも微生物発酵法による高生産を可能にする。
【Signiﬁcance】
This is a novel bioprocess which enables high production of useful chemicals and jet fuel precursors showing
toxicity to microbes.

■ 経済産業省プロジェクトの成果 Achievements of the METI project

耐性機構を微生物に導入することにより、これまで微生物の細胞への毒性が高いために、高生産ができなかった化学品の高生産も可能な微生物株を構築中。
Creating a novel microbe harboring a toxic compound-resistant system which enables it to produce high amount of
useful but toxic compounds.

■ 今後の展開 Future schedule

パートナー企業との協力体制を築き、2030年の実用化を目指す。
Technologies for industrialization will be developed with partner companies by 2030.

公益財団法人地球環境産業技術研究機構

グリーンケミカルズ株式会社（GCC社）
Green Chemicals Co., Ltd. (GCC)■ 会社概要 Company Outline（公財）地球環境産業技術研究機構（RITE）と、住友ベークライト（株）が共同で設立（グリーンフェノール開発（株）から社名変更）。グリーン化学品の早期事業化を目指す。
Green Chemicals Co., Ltd. (GCC) (renamed from Green Phenol Development Co., Ltd.) was established by RITE and
Sumitomo Bakelite Co., Ltd. GCC is making efforts to commercialize useful chemical compounds.

■ GCC社設立の経緯 Company History■2014年5月:

・経済産業省大臣承認を受けて、「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」が株式会社に組織変更（グリーンフェノール開発（株））。
・NEDO実用化ベンチャー支援事業採択、パイロットプラント（500 L反応槽）を建設。

■2015年: 3ヶ年（2015-17年）実用化技術開発計画の推進。

・NEDO戦略的省エネルギー技術革新プログラム／実用化開発／
非可食バイオマス由来グリーンフェノールの工業生産に向けた技術開発に採択。既存パイロット設備への濃縮精製プロセス導入。

■2018年4月: グリーンケミカルズ株式会社（GCC社）へ社名変更。
グリーンケミカルズ株式会社

・GPD (Green Phenol Development Co., Ltd.) wasestablished in 2014 for industrialization ofgreen phenol by RITE and Sumitomo BakeliteCo., Ltd.
・In NEDO project, a pilot plant (500 L jar fermenter) was constructed in 2015.
・In NEDO project, a plant for concentration andpurification process was constructed in 2016.
・GPD changed its name to GCC, and started totreat many bioproducts including high-value
added green chemicals in 2018.

グリーンフェノール開発㈱グリーンケミカルズ㈱・様々なグリーン化学品をターゲッ
トとするグリーンケミカルズ㈱へ
社名変更
・グリーンフェノールで培った基盤技術を活用し、付加価値の高いグリーン化学品に対してもバイオ
事業展開

バイオ変換工程設備

濃縮精製工程設備

Plant for bioconversion process

Plant for puriﬁcation process

グリーンフェノール樹脂

グリーンフェノール樹脂材料
成形品

Green phenol resin

Molding parts made fromgreen phenol■ 事業内容 Business Outline

・NEDO事業を受託し（2014.5-2015.3）千葉県かずさアカデミアパークにバ
イオ変換工程パイロット設備を設置後、バイオプロセスによるフェノールの実生産に成功（その後、設備は住友ベークライト静岡工場内へ移設）。
・NEDO事業助成により（2015.8-2018.2）、既存パイロット設備への濃縮精製プロセス導入。糖類からのフェノールのバイオ生産、濃縮、精製までの一貫生産を実現。
・グリーンフェノール開発で培ってきた技術を基盤に、フェノール以外の有用な芳香族化合物を含めたグリーン化学品の早期事業化を目指している。
・In NEDO project (2014.5 to 2015.3), a pilot plant for bioconversion process was constructed at Kazusa Academia Park in
Chiba prefecture, and green phenol was successively produced. Then it was transferred to Sumitomo Bakelite Co., Ltd.
in Shizuoka prefecture.
・In NEDO project (2015.8 to 2018.2), a plant for purification process was constructed in 2016, and bioconversion and purification processes are now in operation.
・Based on green phenol technologies, GCC is making efforts to commercialize green chemicals including high-value
added compounds.

グリーンケミカルズ株式会社
Green Chemicals Co., Ltd.

グリーン芳香族化合物のバイオ生産の新展開
New trends for biotechnological production ofgreen-aromatic compounds■ 研究の背景 Background

芳香族化合物の微生物生産は当該化合物の細胞毒性のため困難とされてきた。バイオ研究グループでは、細胞毒性化合物に対し高耐性を有するコリネ型細菌と増殖非依存型バイオプロセスの優位性を生かし、様々な有用芳香族化合物の高効率バイオ生産技術の開発を推進している。
Microbial production of aromatic compounds from biomass has been difficult due to their high cytotoxic effects on
microbial host cells. Our research group has been developing bioprocesses for highly efficient production of aromaticcompounds utilizing the advantages of Coryneform bacteria and RITE Bioprocess that show high tolerance to cytotoxic
aromatic compounds.

■ シキミ酸や芳香族カルボン酸の高効率バイオ生産を実現
Highly eﬃcient production of “green”-shikimic acid and “green”- phenolic acids in Corynebacterium glutamicum
GlucoseGlucoseXyloseシキミ酸 Shikimic acidArabinose

O

GlucoseG6P

HOPentose phosphatepathway

Glycolysis
pathway

PEP
TCA
cycle

OH

OH

OH

OH

E4P

Pyruvate

インフルエンザ治療薬タミフルの原料として需要が高く、美白剤等の化粧品原料としても有望なシキミ酸の高効率生産に成功（世界一の生産性、収率達成）。

DAHP

Acetyl-CoA

PhenolShikimic acidO

OH

4-Hydroxybenzoic acid

Chorismicacid

4-ヒドロキシ安息香酸

液晶、パラベン、医薬品、化粧品、
高機能ポリマー等の原料として有用
な4-ヒドロキシ安息香酸、及び、エン
ジニアリングプラスチック原料、栄養補助剤、染料、医薬品原料等として有用な4-アミノ安息香酸の高効率バイオ生産（いずれも世界一の生産濃度）に成功した。

4-Aminobenzoic acid

4-アミノ安息香酸

O

OH

NH2

Shikimic acid is known as a precursor of ananti-inﬂuenza drug, Tamiﬂu® (oseltamivir).
It is also useful as a building block for thesynthesis of various pharmaceuticals or
cosmetics such as skin-whitening agents.
We succeeded in highly eﬃcient productionof shikimic acid (The world’s highest
productivity and yield). This opens the wayfor enhanced production of aromaticcompounds.

4-Hydroxybezoic acid is useful as a building block for liquid crystals, paraben,
pharmaceuticals, cosmetics and functional polymers. On the other hand, 4-aminobenzoic
acid is a promising compound to produce engineering plastics and also has applications as
nutraceuticals, azo-dyes, and pharmaceuticals. We have succeeded in eﬃcientbioproduction of these phenolic acids from renewable sugars with the world’s highest
product titer.

■ 多種多様なグリーン芳香族化合物の高効率バイオ生産への新展開
New trends for highly eﬃcient biotechnological production of various kinds of green-aromatic compounds

効率的、且つ迅速な代謝モデリング、遺伝子探索と評価、及び高生産株構築
非可食バイオマス由来の糖原料からグリーン芳香族化合物を高効率生産
Efficient and rapid modeling of metabolic pathways, high-throughput gene screening, and construction of strains to
overproduce aromatic compounds with various applications from non-food biomass-derived sugars.

CH2OH
O

Glucose HO
PTS

PEP

OH

糖原料

HOH2C

OH

OH

OH

NADP+ NADPH

Pentose phosphatepathway

G-6-P
F-6-P
F-1,6-P2

6-PGlucono-lactone

GAP
DHAP
NAD+
GAPDH
NADH

PYR

XyloseXyloseRib5P

Applications

Arabinose
araA

Xylulose

Ribulose
araB

xylB

Ribulose-5P

NADP
CO2 H
Ribu5P

araD
Xlu5P

GAP

Sed-7-P

PEP

F-6-P
F-6-P
GAP

Ery-4-P

Pyruvate：経路上の中間代謝産物

用途

OH

OH

PGP

：経路上の最終産物

O
OH

HOH2C

xylA

NADP+
6-PGluconate

Arabinose

Pentosetransporter

PYR

EM pathway

コリネ型
細菌

OH

O
OH

汎用品から高付加価値品まで広範な用途

高耐熱・高強度ポリマー、液晶
Heat resistant polymer
High-strength polymer
Liquid crystal materials

DAHP
QuinateDHQ

Shikimatepathway

DHS

Shikimate

Tryptophan
Phenylalanine

ANT

Chorismate

PPY

4-HBA 4-ABA

Phenol

非可食バイオマス由来
グリーン芳香族化合物
Non-food biomass-derived
green-aromatic compounds

医薬・農薬原料

Tyrosine

Medical and agrochemical products

Phenol

香料・化粧品原料

R1

Perfume, ﬂavor and cosmetic products

R2

公益財団法人地球環境産業技術研究機構