【バイオものづくり】神戸大学と島津製作所、NEDO事業で世界初の自動メタボローム解析システム開発
NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）は「植物等の生物を用いた高機能品生産技術の開発」（以下、本事業）で、神戸大学と島津製作所と共同で、微生物の培養から試料採取、細胞内の代謝反応の停止、遠心分離、代謝物の抽出、分析用プレートへの分注までを一体化した、世界初の自動メタボローム解析システム（以下、本システム）を開発した。
本システムは、あらかじめ設定した時刻に培養液を自動で採取し、冷却した溶液と混ぜて代謝反応を止めた後、細胞の回収と代謝物の抽出を自動で行う。試料はバーコードで管理され、液体クロマトグラフィー質量分析装置で測定できる状態まで調製可能す。夜間や早朝を含め、設定した時刻に間欠的なサンプリングと前処理を行い、多数の試料を連続して処理できる。本システムは、本事業で神戸大学に構築した「DBTL型スマートセル開発拠点」に実装しており、企業が利用できる。
本成果は、微生物を利用して化学品や有用物質を生産する「バイオものづくり」において、目的に適した微生物株の選定や、生産条件の最適化を迅速に実施する基盤技術になることが期待される。
背景
微生物は、医薬品原料、食品素材、燃料、化学品など、さまざまな有用物質の生産に利用されている。より生産性に優れた微生物を開発するためには、細胞内でどの物質が作られ、どの物質が不足しているかを正確に把握し、有用物質の生産に関わる反応経路を改良する必要がある。
細胞内の糖やアミノ酸など、多数の小さな分子をまとめて調べる方法が「メタボローム解析※1」。遺伝子やタンパク質の情報と比べ、メタボロームは細胞の実際の活動状態をより直接的に反映する。一方、細胞内の代謝物の中には、環境の変化に応じて数秒以内に量が変わるものがある。このため、培養液を採取した後、直ちに代謝反応を停止させ、同じ手順と時間で細胞を処理しなければならない。
これまでは、試料の採取、冷却、遠心分離、上澄み液の除去、抽出液の添加などを人が行うことが多く、作業者や試料数による時間差が避けられなかった。特に、培養中の変化を何度も追跡する時系列解析では、多数の試料を短時間で均一に処理することが大きな課題であった。夜間や早朝の採取時刻にも熟練者が待機する必要があり、多数の試料を扱うほど人員面の負担も大きくなっていた。
このような背景の下、NEDOは2016年度～2021年度まで、本事業※2において、生物細胞が持つ物質生産能力を人工的に最大限まで引き出し、最適化した細胞である「スマートセル」を短期間で構築するための、遠隔化・完全自動化技術の開発を実施した。その一環で、神戸大学と島津製作所は、スマートセルを創出するための自動メタボローム解析システムの構築に取り組み、本事業終了後も継続して研究開発を行ってきた。
今回の成果
（1）自動メタボローム解析システムの開発
神戸大学と島津製作所は、複数の培養槽から試料を採取し、代謝反応の停止、細胞の回収、代謝物の抽出、分析用プレートへの分注までを自動で行うことで、多検体のメタボローム解析サンプルを調製できる、世界初※3の「自動メタボローム解析システム」を開発した（図1）。本システムは、サンプリング、クエンチング※4、冷却遠心、液体除去、チューブ搬送、分注、加熱しながらの振とう・撹拌抽出などを担うユニットと、それらを制御するソフトウェアで構成されている。培養液は、培養槽から約13秒で代謝反応停止用のチューブに到達する。各試料にはバーコードが付けられ、培養槽、採取時刻、処理工程、分析用プレート上の位置が自動的にひも付けられる。これにより、試料の取り違えを防ぐとともに、どの試料が、いつ、どのように処理されたかを確認できる。
さらに、カメラ画像による工程監視、光学センサーによる細胞沈殿の再懸濁確認、バーコードによる試料照合を組み合わせた独自の多重チェック機構を搭載しており、温度、装置動作、画像、試料IDが記録されるため、処理が正しく行われたかを後から確認できる。夜間や早朝を含む長時間の培養でも、装置が自動的に一連のプロセスを継続するため、多検体処理が可能となり、メタボローム解析を効率化できる。
（2）大腸菌を用いた実証評価 本システムを用いて、産業利用されている4種類の大腸菌を対象に、培養開始から19時間までの代謝変動を連続的に測定した。その結果、増殖速度が類似している時点でも、細胞内の糖、アミノ酸、エネルギー関連物質の量やその変化の挙動が、株ごとに大きく異なっていることが明らかになった。例えば、W株では一部のアミノ酸が比較的多く、C株では糖の代謝やテルペン類の合成につながる経路の中間物質に特徴的な変化が見られた（図2）。この結果は、生産性の高い微生物を構築するためには、増殖速度だけでなく、細胞内部の代謝状態を直接比較し、代謝経路を改変することが重要であることを示している。
本研究成果は、米国化学会が発行する分析化学分野の国際学術誌『Analytical Chemistry』の表紙（Front Cover）に選出され、2026年10月19日付でオンライン掲載※5された。また、本システムは本事業で神戸大学に構築した「DBTL型スマートセル開発拠点」に実装しており、企業が利用できる。本拠点は、デジタル技術とロボティクスを融合し、有用微生物や有用酵素の研究開発を加速し、バイオものづくりを支援するプラットフォームを提供している。
今後の予定
医薬品原料、食品素材、バイオ燃料、化学品などの生産に向け、企業が微生物を選定する際に、本システムを活用することが期待される。また、目的物質の生産量が低下する原因や、代謝経路のどこに滞りがあるかを調べ、遺伝子改変や培養条件の改善につなげられる。
さらに、試料の処理時間や温度、試料IDなどを記録できるため、研究者や研究機関が異なる場合でも、比較可能なメタボロームデータが取得できるため、標準化技術としての展開も期待される。これにより、微生物の設計、作製、評価、改良を繰り返すバイオものづくりにおいてメタボローム情報の活用によるDBTLサイクル数の縮減や、再現性の高いサンプル調製が可能となるため、研究開発期間の短縮に貢献する。
NEDOは本事業の後継事業※6である「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」において、バイオ生産プロセスの基盤技術の開発、実生産への橋渡しを効果的に行うバイオファウンドリの整備を行っている。これらの成果の社会実装を推進することで、バイオものづくりを効率化・高度化し、日本のバイオエコノミーの発展に貢献することを目指す。
※1 メタボローム／メタボローム解析
細胞や生体試料に含まれる糖、アミノ酸、有機酸、核酸関連物質などの低分子化合物の集まりを「メタボローム」と呼ぶ。これらをまとめて測定し、細胞の状態や反応を調べる方法がメタボローム解析。
※2 本事業
事業名：植物等の生物を用いた高機能品生産技術の開発
事業期間：2016年度～2021年度
事業概要：植物等の生物を用いた高機能品生産技術の開発
※3 世界初
微生物の培養からメタボローム分析用の試料の調製までの一連の工程を統合して自動化した解析システムは世界初（2026年10月時点、神戸大学調べ）。
※4 クエンチング
試料を採取した直後に低温の溶液などと混ぜ、細胞内の代謝反応を速やかに止める操作。採取後も代謝反応が続くと、実際の細胞内とは異なる測定結果になるため、メタボローム解析では重要な工程。
※5 オンライン掲載
タイトル：“Automated quenching and extraction for high-precision metabolomics uncovers distinct metabolome trajectories across Escherichia coli lineages”
DOI：10.1021/acs.analchem.6c01820
著者：Kenya Tanaka, Takahiro Bamba, Musashi Takenaka, Yoshimi Hori, Takanobu Yoshida, Mami Matsuda, Akihiko Kondo, Yoshihiro Hayakawa, Tomohisa Hasunuma
掲載誌：Analytical Chemistry
※6 後継事業
事業名：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
事業期間：2020年度～2026年度
事業概要：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
