生物学は驚くべき構築者です。巨大なセコイアを建てるのに必要な複雑さと組織化、クモの巣の極めて高い引張強度を生み出す仕組み、あるいは古代の微生物が地球の大気を変えるために集団で発揮した能力を考えてみてください。
今日の科学者は、この構築力を工学生物学の分野で活用し、多様な新しい用途に向けて特注の生物学的機能を実現しようとしています。生物学的理解、データサイエンス、分子生物学のツールが融合し、さらに注文に応じてDNAを合成する能力が加わったことで、細胞を人間に役立つ製品を生産するための「ミニ工場」へと変えることが可能になりました。
たとえば、クモの巣の糸は、軽量でありながら極めて強靭で、獲物を捕らえる能力にも優れており、数千年にわたってクモによって最適化されてきた素材です。遺伝暗号の知識を用いることで、科学者は専門化された微生物に、これまでは不可能であった量のクモの糸を生産させることができるようになりました。このような糸は、アウトドア用の衣類の生地や、軍事防衛のための防具へと加工することも可能になっています。
この驚くべき構築能力を活用する取り組みは、工学生物学という新たな分野によって加速されています。工学生物学は、標準化、モジュール化、堅牢性といった工学の原理を、特定の用途に向けた複雑な生命システムの遺伝子工学に応用するものです。新たなロボット型ワークフローや技術プラットフォームが確立されつつあり、その結果、工学生物学の用途に向けた生物学的設計の加速と試作に特化した、さまざまな種類の研究施設が生まれています。こうした施設は現在「バイオファウンドリー」と呼ばれており、世界中で急速に設立が進んでいます。
バイオファウンドリーの中核にあるのは、Design-Build-Test-Learn（DBTL）サイクルです。このサイクルには、DNA遺伝子パーツのコンピューターによる設計、設計されたDNAパーツの物理的な組み立て、生細胞内での設計の試作と性能試験、そして設計プロセスに情報を提供するためのモデリングおよびコンピューターによる学習ツールの適用が含まれます。DBTLサイクルを繰り返すことで、設計仕様を満たすことを目指した遺伝子設計が得られます。
現在のバイオファウンドリーの設備はさまざまですが、主に、コンピューター制御による数百万回の液体操作を可能にする高スループットの液体ハンドリングロボットを中心に構成されています。これにより、生命システムを遺伝子工学的に設計するために必要な多くの工程が自動化されています。これに加えて、バイオデザインのプロセスに必要なデータを提供する高スループットの生物学的計測機器も備えられています。これらのバイオデザインおよび試作施設は、1970年代にコンピューター分野で整備され、ICT革命をもたらした施設に類似しており、そのため、将来の世界的なバイオ製造能力と持続可能なバイオエコノミーの展望にとって重要な存在です。
バイオファウンドリーは、ある産業プロセスで生じた廃棄物を別のプロセスの原料へと変換する工学的微生物を試作できるという点で独自性を持ち、生物学を用いなければ到達が難しい持続可能な製造への道を開きます。こうした工学的微生物は、たとえば、排ガス管から放出されるメタンガスを、隣接するバイオリファイナリー施設で動物飼料用のタンパク質に富むバイオマスへと変換することができます。また、代謝工学を施された細菌によって、グルコースから脂肪酸やディーゼルを極めて効率的に生産できることも別の例として挙げられます。これにより、バイオディーゼルの生産において植物油や動物脂肪に依存しない可能性が開けます。
このような効率的な微生物細胞工場の開発は、バイオファウンドリー内で効率化することができます。その他の用途としては、工学的に改変された細胞を用いて、より持続可能なバイオベースの製造システムへの移行の一環として、汎用化学品、バイオプラスチック、タンパク質ベースの食品、抗生物質などを生産する微生物細胞工場が挙げられます。また、低コストのバイオベースのセンサーや診断ツールへの応用も広がっており、これらは展開前に迅速に試作・最適化することができます。これには、資源に乏しい環境において、ヒ素や鉛などの水質汚染、さらには病気を検出するための新たな環境バイオセンサーが含まれます。
その他の医療分野への応用には、新規ワクチンの試作、がん治療のための新たな細胞ベース療法の開発、生きたプロバイオティクスによる薬物送達および疾患検出システムの工学的開発などがあります。たとえば、私たちの体内の微生物群集は新たな治療的介入の可能性をもたらしています。腸内の微生物群集を工学的に改変して、栄養吸収と疾患検出を最大化するとともに、腸と精神、免疫の健康の密接な関係を調整することも可能です。これらの応用はすべて、バイオファウンドリー内で設計、試作、開発が可能な工学的細胞や工学的微生物群集を必要とします。
生物学を工学的に設計できるこの並外れた能力には、追加的な安全保障上の意識が必要であるという認識も伴います。バイオファウンドリーと結びついた知見は、こうした驚くべき生物学的解決策を支える可能性を秘めている一方で、一部の能力は悪意を持つ者に悪用される可能性もあります。この可能性を抑えるため、科学者と技術者は自らの研究が持つ安全保障上の影響を積極的に検討し、必要な場合には追加的なリスクに対処するための予防的措置を講じなければなりません。こうした仕組みの一つとして、社会に好影響を与え、経済成長と安定を実現する目的で、バイオファウンドリーが世界中の多数の拠点に設立されてきました。世界的にネットワーク化されたバイオファウンドリーのシステムは、バイオファウンドリーの活動が責任ある、オープンで透明性が高く、安全なものとなるよう、協働するコミュニティを形成することになります。
公的資金により運営される非営利のバイオファウンドリーによるグローバル・アライアンスは「グローバル・バイオファウンドリー・アライアンス」（GBA）として、最近設立され、2019年5月に日本の神戸で発足しました。GBAは、知見の共有やオープンな技術開発を通じて発見を促進する機会を提供するとともに、共通の標準や参照資料の策定も可能にします。各バイオファウンドリーはそれぞれ独自性を持ち、一般に、利用する細胞の種類やプロセスにおいて何らかの専門性を備えています。協働することで、細胞の種類の幅を広げることも可能になり、特定の用途に応じた適切な「シャーシ」（特定の用途のために細胞を定義する際に用いられる）を、特注のソリューションを構築するための既存の知識基盤の中から見つけ出すことがより確実になります。各施設が提供する専門性を把握することで、医療、材料、化学品、燃料、食品、環境といった多様な分野にまたがる特定の課題に最も適した施設が明らかになります。提供される専門性や能力について共通の理解が得られれば、世界的に重要な化学品、材料、医療応用を開発するための独自の国際協力の可能性も開かれるでしょう。
世界のバイオファウンドリーをオープンな技術アライアンスとして統合することは、いかなる単一の主体の能力や規模をも超える大規模プロジェクトにおいて、迅速な進展を可能にするスケーラビリティももたらします。DNA合成のコストが低下し、研究者がますます複雑化する課題に直面する中で、さらに野心的な目標を掲げるようになるにつれ、こうした要請の頻度は高まると考えられます。互換性のあるバイオファウンドリーからなるネットワーク化されたアライアンスは、人材と専門知識の効率的な交換を可能にし、これらの課題に取り組むための協働を促します。協働は既存の関係性の中で最も効果的に行われるため、このアライアンスは、世界的に重要な協働が必要となった際に備えて、そうした関係を構築するための拡張されたネットワークを個人が形成する機会を提供します。
世界的な協働が極めて重要となり得る想定シナリオの一つは、予期せぬ世界的なパンデミックです。その際、バイオファウンドリーは大規模なワクチン生産で協働することができ、アライアンスもその支援に活用され得ます。また、アライアンスは、交換プログラム、オープンな技術開発、共通のプロトコルの協働試験などを含む、比類のない研修や知見共有の機会も提供します。これらの施設は現在、今後数年にわたり研究環境を支配し、バイオ製造を支える技術について、若手研究者の育成を進めています。
バイオファウンドリーは、生物学が持つ驚異的な構築力を活用するための独自の機会を提供します。開発を待つ新素材、持続可能な製品、革新的な治療法が数多く存在し、それらは世界を変革し、グローバルで持続可能なバイオ製造の姿を一変させ得るものです。世界のバイオファウンドリーによるグローバル・アライアンスはまた、この生産的な潜在力が全員にとって最大限に生かされ、予期せぬ世界的な疾病の脅威に対する備えが整えられることを確実にするものです。
