【OVERVIEW】在藻類的物質生產中，光的自遮擋效果帶來的細胞密度上限，以及發光能量無法集中用於物質生產這兩個問題，是藻類生產實用化的障礙。神戶大學先端生物工學研究中心的蓮沼誠久教授在解決這一課題時，發現了在維持二氧化碳（CO2）的吸收和代謝的狀況下，讓細胞停止分裂的細胞增殖控制因子。蓮沼誠久教授正在嘗試組合AI與代謝工程學加速藻類物質生產，同時實施實驗操作的自動化。
蓮沼 誠久
神戶大學 先端生物工學研究中心 教授
2019年度起擔任未來社會創造事業研究開發代表
從大量資訊中提取特徵
發現物質生產高產化因子
製作生物製品有使用酵母和黴菌的方法，但必須採購植物原料。收割培育出來的植物，加工成微生物容易使用的形狀，之後才能進行生物的物質生產。這種做法的缺點是，這些前端處理會給環境增加負荷。如果使用微細藻類，就可以實施自身吸收的CO2的物質生產，不需要初步處理和植物原料。需要的只是太陽光、水、CO2以及少量養分，能爲高效率物質生產做出貢獻。
但這種方法也存在着一定的問題。微細藻類利用光轉換CO2，此時物質生產和細胞分裂聯動，發光能量的利用效率較低。而且當細胞密度變大時，光會難以照射到每個細胞，導致出現代謝效率下降的遮蔽效果。挑戰這些課題的，是擔任未來社會創造事業「透過細胞分裂控制技術，培育物質生產特化型藍藻以及應用於光合芳香族的生產」專案研究開發代表——神戶大學先端生物工程研究中心的蓮沼誠久教授。蓮沼教授發現了能夠在維持CO2吸收和代謝的狀態下停止細胞分裂的細胞增殖控制因子，並在芳香族化合物的高效生產方面實施了世界最高水平的生產量。
爲了實施社會應用，就需要進一步提高生產性，但此時又出現了新的課題。生產性雖然提高了，但藻類是生物，壽命有限。蓮沼教授指出：「我希望最終能研究出長生不老，並且只專注於生產的物質生產特化型細胞。雖然這個理想聽起來像癡人說夢，但如果能實施的話，將是一個巨大的轉機。」
蓮沼教授爲了實施這個轉機，開發了對生物活體內包含的多種代謝物質的種類及數量進行全面代謝素解析的技術。其關鍵是能夠精準高效處理龐大資料的系統。透過這種方式得到的結果可用於提高產量和生產效率的代謝途徑設計，使高功能物質在更短時間内生產出來成爲可能。
另外，蓮沼教授還研究了實驗操作的自動化。開發出了可以在一次實驗中處理大量樣本、提供正確資料的機器人系統，加速了對生命的理解。將處理龐大資料的技術與AI相結合是該系統的優勢。蓮沼教授笑道：「透過在代謝工程學中組合這些基礎技術，可以更快地提取生物所表現的特徵，也有助於發現物質生產的高生產化因子。」
汽水域中發現的藻類
儲存的澱粉變成油脂
這種AI和生物固定的方法，在發現未知酶上也能發揮作用。鎮痛藥原料的苄基異喹啉生物鹼（BIA）是從植物中提取的化合物，但由於需要大規模栽培和工業處理，造成了環境和經濟上的負擔。透過將植物遺傳基因導入微生物中進行培養，可以有效發酵生產出BIA，但構成代謝途徑的酶中的一部分還屬於未知。蓮沼教授等人建立了機器學習預測模式，成功發現了未知酶，同時實施了利用大腸桿菌的BIA生產（圖1）。
圖1 利用AI技術探索未知酶
構築了由設計（Design）、構建（Build）、評價（Test）、學習（Learn）組成的DBTL工作流程。透過資訊科學設計化學反應，透過基因工程製作重組酶，透過代謝工程評價酶功能，透過機器學習進行未知酶的探索。在研究中，透過將該流程與預測模式相結合，發現了生成阿片類鎮痛藥的前驅物化學物質（BIA）的酶。
此外，蓮沼教授還從臺灣的汽水域中單獨分離出了微綠藻C萊茵衣藻ghlamydomonas sp.JSC4，這種藻類能透過光合作用固定CO2生產油脂。這種微綠藻的特徵是，容易增殖，可蓄積大量澱粉，而且在蓄積澱粉時，如遭遇海水刺激，則會將澱粉轉換爲油脂。如果能夠提高產量，那麼微綠藻還有可能擔負起生物燃料的生產。蓮沼教授與量子科學技術研究開發機構量子束科學部門的佐藤勝也上席研究員等一起，開發了將微細藻類的碳資源由碳水化合物分配給油脂的方法。
由於這種新的單獨分離藻類沒有過往的知識積累，研究人員正透過照射離子束誘發突變，尋找有用生產種。最終在實驗中找到了即使在明暗週期條件下也能量產油脂的綠藻變異株Chlamydomonassp.KOR1。通常，綠藻細胞内的澱粉在明期增加，在暗期分解減量，未完全分解的澱粉大多數都積累下來。另一方面，KOR1透過澱粉修枝酶的破壞，非澱粉的另一種多醣類植物糖會在明期增加，在暗期被完全分解。
研究人員還發現在KOR1中，澱粉代謝途徑和油脂合成途徑的中間代謝物全面增加。蓮沼教授解釋了該成果的要點：「從這些發現中可以明確，作爲由ISA1基因破壞導致的油脂生產提升的代謝機制是，植物肝醣被迅速分解，碳資源透過中間代謝物被再分配到油脂生產中。」（圖2）。
圖2 將碳水化合物轉化爲油脂的微細藻類
油脂生產性微綠藻Chlamydomonas sp.電子顯微鏡照片（左）和澱粉修枝酶基因被破壞形成的變異株的油脂生產模式（右）。分析結果表明，破壞ISA1基因造成的油脂生產提升的代謝機制是，植物肝醣（碳水化合物）被分解，碳資源被再分配給油脂生產。
雖然AI和自動化的進步可以大幅縮短研究時間，但這並不意味着不需要人的工作。輸入給AI的龐大資料，需要透過人進行的實驗來積累。並且，輸入什麼樣的資料，取決於研究人員的知識和經驗，因此研究人員需要擁有廣闊的見識。
蓮沼教授表示：「對於今後的研究人員來說，擁有國際視野非常重要。我的研究室也會提供國際交流的機會，以便大家能夠接觸到各種各樣的文化差異、習慣與知識，積極拓展大家的見識。」目前因爲疫情，面對面的交流減量了，蓮沼教授正在策劃與海外研究人員召開線上研討會，不僅是研究人員之間，還讓學生能與海外的研究人員及學生加深交流。
透過與擁有多種背景的研究人員進行交流，會有新的發現和產生新的想法，再參與到國際研究專案之中，最終或許能與技術革新產生確實的聯繫。很明顯，如果只是已有方法的延申，已經無法實施去碳社會這個大目標了。蓮沼教授將與新成長起來的年輕研究人員一道，不斷追求能帶來「轉機」的技術。（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：伊藤彰浩）
原文：JSTnews 2023年1月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
