バイオテクノロジー

素材、エネルギー、食品産業のバイオテクノロジー革命

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医療分野を超えるバイオテクノロジー

バイオテクノロジーには、医療だけでなく、食料、エネルギー、素材、環境など幅広い応用があります。まず医療分野との関係から、その広がりを見ていきます。

医療分野を超えるバイオテクノロジー

バイオテクノロジー分野の注目の大半は医薬品や医療に向けられています。その理由はかなり明白です: バイオテクノロジーは希少疾患や慢性疾患を根絶し、老化と闘い、がんや感染症を治療できる可能性があります。

これは非常に収益性の高い分野で、世界最大手の企業の多くが医薬品セクターに注力しています。

しかし、バイオテクノロジーの応用分野はこれだけではありません。結局のところ、生物圏全体は太陽光と空気を材料、食料、エネルギーに変換できるナノマシン（タンパク質や細胞）の集合体です。化石燃料産業全体も、何百万年にもわたる生物活動で石炭、石油、ガスが生成されたことに基づいています。

したがって、遺伝子や分子レベルまで生命を制御する能力が高まることで、さまざまな産業プロセスがより持続可能なバイオテクノロジー駆動の技術に置き換わる日が近づいています。

食料生産

農業では、作物の遺伝的特性や、植物と微生物との関係を活用する技術が発展しています。

バイオテクノロジーが直接応用できる最初の非医療分野は農業生産です。GMO作物はすでに数十年の歴史があり、持続可能性が高く、論争も少なくなるよう急速に改良されています。

引用された市場調査は、農業バイオテクノロジー市場を2023年の799億ドルから2028年には1,196億ドルへ拡大すると予測しています。

直接的な応用例として、病害虫に強い、または干ばつ、熱波、洪水、その他の気候変動に耐性のある新しい作物品種の開発があります。

別の可能性は、植物表面、内部、土壌中の細菌や微生物を変更することです。これにより、化学肥料や農薬の必要性を細菌で代替できる可能性があります。私たちは「エンジニアリングされた植物マイクロバイオーム—細菌で作物を保護する」という記事で、植物マイクロバイオームの変更方法について議論しました。

出典: Energy.gov

この分野では、いくつかのリーダーが浮上しています。特にバイエル（BAYRY）です。同社は医薬品と農業の境界が曖昧な例で、両セグメントで活動しています。

私たちはこのトピックとバイエルについて、記事「AIと遺伝子工学で農業を前進させる—栽培の未来」および「ミニクロモソーム技術—作物収量の持続可能な成長への最善の方法？」で議論しました。

代替食品

遺伝子編集は食料の選択肢を増やす手段にもなります。例えば、 野生植物を新たな作物へと改良する研究 があります。菌類を改良し、肉に似た食感や風味を持つ食品素材を作ることも研究されています。

遺伝子編集は新しいタイプの食料を作ることにも利用できます。例えば、雑草から作られた全く新しい作物が選択肢となり得ます。

菌類のゲノムを改変して、肉に似た食感や味わいを持つ代替食品を開発する可能性もあります。健康面での優位性は、実際の成分や製品について検証が必要です。

バイオ燃料とエネルギー

植物などが蓄えたエネルギーを、化石化する前のバイオマスから取り出す方法がバイオ燃料です。

もし植物が何百万年も前の化石燃料の元であったなら、将来的に新たに育てたバイオマスでエネルギー供給が可能になるでしょうか？

従来型の分類では、第1世代はトウモロコシやサトウキビなどの糖質・でんぷん・油脂を、第2世代は農林業の残渣や木質などの非食用原料を主に利用します。

第3世代としては藻類などの利用が研究されています。食料や淡水との競合を抑える可能性がありますが、培養、回収、エネルギー収支、コストなどの課題が残っています。

バイオ燃料にはエタノール、バイオディーゼル、再生可能ディーゼル、バイオガスなどがあります。水素やアンモニアについても、生物学的または再生可能エネルギーを利用した製造方法が研究されています。

一つの選択肢は藻類を利用することで、海や海水を用いた砂漠でも育成可能です。この可能性は「藻類バイオ燃料：次のエネルギー革命？」で検討しました。

出典: Exxon

酵母に光を利用する仕組みを導入する研究もあります。植物と同じ炭素固定型の光合成をする酵母になったという意味ではありません。詳しくは「光を利用する酵母がバイオ燃料へのアプローチを変える可能性」で調査しました。

最後に、バイオテクノロジーとナノテクノロジーの融合で第4世代バイオ燃料が創出できる可能性があります。これはしばしば「光生物学的太陽燃料」とも呼ばれます。これにより、全生物体を必要とせず、ナノテクノロジーで大規模に生物光合成を再現できます。

気候変動

バイオ燃料以外にも、排出削減や炭素の回収・貯留への応用が考えられます。

バイオ燃料は地球温暖化対策や化石燃料使用削減に大きく貢献できる可能性がありますが、バイオテクノロジーが貢献できる方法はそれだけではありません。

「地球温暖化ソリューションに取り組むバイオテック株への投資」で、いくつかの他の可能性について議論しました:

出典: Medium

材料と産業用品

木材

木材は古くから使われてきた生物由来の素材です。引用された市場調査では、木材・林業の市場を 2024年に約1兆1,600億ドルと推計しています。調査の対象範囲に依存する数値です。

最も古いバイオマテリアルの一つである木材は、現在の近代経済でも重要な素材です。木材と林業は2024年に1.16兆ドル規模の巨大産業です。

樹木は成長が遅く世代交代に時間がかかるため、遺伝的な改良や評価に長い期間を要します。それでも樹木の遺伝子工学研究は行われています。

遺伝子改良により木材生産と炭素捕捉が向上する可能性があります。

また、樹木を利用して医薬品から化学品まで新たな有価化合物を生産する「樹木農業」の新形態も創出できるでしょう。

これらの概念は、生態系理解の進展と統合され、アグロフォレストリー、フードフォレスト、最適化された多種林業などが生産性と生態的利益の両方を高めると考えられます。

最後に、木材は予想以上に強力な素材になる可能性があります。研究者はアルカリ条件、高温、バイオポリマーが木材を「強度が鋼と同等で、剛性がコンクリートの23倍の増強木」に変えることを発見しています。

バイオプラスチックとバイオケミカル

プラスチック製造は化石資源の需要と環境汚染に関わる重要な分野です。引用された予測では、 2050年には石油・ ガス消費の約20％を占める可能性が指摘されています。

プラスチック生産に使われる化石資源の量は、今後も重要な課題です。引用された予測では、2050年には石油とガス消費の20％に達する可能性があります。

環境中に拡散したマイクロプラスチックは、人体や雨水中などからも検出されています。

バイオベースのプラスチックへの転換には、性能、製造費用、原料、回収・処理方法などの検討が必要です。バイオベースであることと生分解性があることは同じではなく、環境負荷は製品のライフサイクル全体で評価する必要があります。

この分野の技術的課題と最新のイノベーションについては「環境に優しいプラスチック代替品：持続可能性への鍵—生分解性プラスチックは解決策か？」で議論しています。また、同分野の主要企業は「トップ5バイオプラスチック企業」に掲載されています。

バイオベースの代替品は他の分野でも見つかっています。例えば、接着剤では、有毒なホルムアルデヒドをリグニンで置き換えることができる。あるいは、ヘンプ（精神活性のない大麻）製パネルは建物の断熱に使用できる。

繊維

繊維の分野では、研究者が クモの糸を生産するよう遺伝子改変したカイコを作り、その繊維でケブラーの約6倍の靭性を報告しました。靭性とは破断までに吸収できるエネルギーの指標で、引張強度とは異なります。別の研究では、クモの糸を 人工筋肉に利用する可能性が検討されています。

研究者は遺伝子改変したカイコによるクモ糸の生産を実現しました。得られた繊維の靭性は、ケブラーの約6倍でした。航空宇宙や軍事用途、外科用縫合糸にも利用可能です。クモの糸はロボット用筋肉としても使用できる。

汚染除去と環境

プラスチック分解菌

使用済みプラスチックを原料へ戻す技術も研究されています。フランスの Carbiosは、 PETを分解する酵素を改良する技術を開発しています。

フランスの企業Carbiosは、PETを分解して再利用可能な原料へ戻す酵素技術を開発しています。あらゆるプラスチックを分解する細菌を発見したという意味ではありません。

別の企業であるEpoch Biodesignは、洗剤、塗料、農薬、プラスチックなどを分解できるタンパク質を作製しています。

さらには植物や菌類もプラスチック分解に寄与でき、汚染除去の解決策に加わります。

シェールオイル廃水の浄化

医療で研究される生物学的な手法が、環境管理に応用される例もあります。

最近では、当初は人間の健康のために開発された新興バイオテック分野の新たな応用が現れました。

バクテリオファージを利用して、シェール開発の廃水に含まれる問題のある細菌を制御する研究が進められています。廃水中のあらゆる汚染物質を除去する方法ではありません。詳しくは「バクテリオファージはフラッキングによる被害を軽減できるか—論争の多い手法」で詳しく議論しました。

絶滅種の復活

生物多様性の保全も、バイオテクノロジーの応用が期待される分野です。絶滅危惧種の繁殖支援と、絶滅種に似た特性を再現する試みは区別する必要があります。

プラスチック汚染や気候変動は人類活動の唯一の負の影響ではありません。多くの種が絶滅の危機に瀕しているか、何世紀も何千年も前に絶滅しました。

「バイオテックの進歩で保全活動が強化—白サイが最新の恩恵を受ける」では、人工繁殖と遺伝子工学の最新の進展が白サイなどの絶滅危惧種を救い、さらにはマンモスのような種を復活させる可能性について検討しました。

出典: Colossal

DNAデータストレージ

DNAを情報の記録媒体として利用する研究も進んでいます。小さな体積に大量の情報を保存できる一方、合成や読み出し、誤り訂正の費用と速度が課題です。

データストレージは半導体だけでなく、磁気ディスクや磁気テープなども利用してきました。DNAストレージの密度は記録方式や条件によって異なり、面積当たりの数値だけで実用システムを単純比較することはできません。

乾燥などの適切な条件で長期保存でき、保存中の継続的な通電を抑えられる可能性があります。ただし、DNAの合成、読み出し、容器や設備までエネルギーや材料が不要になるわけではありません。

合成DNAのコスト低減と精度向上により、高品質なDNAストレージが可能になりました。

課題は材料の読み取りで、半導体基板上のデータに比べてはるかに複雑です。そのため、DNAストレージは当面、アーカイブデータや頻繁に参照されないデータに限定される可能性が高いです。

DNAデータストレージアライアンスは最近設立され、DNA合成会社Twist Bioscience、ゲノムシーケンサー会社Illumina、データストレージ会社Western Digital、Microsoft (MSFT )、Lenovo、さらにその他多数が含まれます。

非医薬品バイオテクノロジー企業

1. Ginkgo Bioworks

DNA 価格チャート

同社は特定の用途向けにオンデマンドで微生物を生産しています。これには医療応用だけでなく、多くの産業・材料科学プログラムが含まれます。

Ginkgoは、大手産業コングロマリットがバイオ燃料生産に特化したカスタム酵母の設計などに依頼できる典型的な企業です。同様に、価値の高い複雑化学物質や汚染除去手法にも当てはまります。

Ginkgo Bioworksは、以下の研究プログラムとパートナーシップで応用を大幅に多様化しています:

同社は研究開発サービスの料金に加え、契約に応じて条件付きのマイルストーン支払いやロイヤリティを受け取る場合があります。すべてが既に実現した収益ではありません。

Ginkgoのパートナーシップは以下の通り拡大しています:

Ginkgo Bioworksは主要な農業企業とも提携しており、ほとんどがバイオ燃料生産や微生物学に関心を持っています。具体的にはバイエル、Cargill、Syngenta、Corteva、ADM、Exactaなどが挙げられます。

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop ScienceはBayer Global（医薬品部門も持つ）の一部で、種子・形質・作物保護に関するイノベーションに注力しています。

Bayerのイノベーションは、バイオテクノロジー科学者が植物DNAに対して標的的な改良を行うのに役立っています。

Monsantoとの合併以来、同社はGMO作物と除草剤管理のリーダーでもあります。この合併に伴い、非常に高額なRoundUp訴訟問題が発生し、合併後数年で株価が下落しました。

同社は従来のGMO種子市場の大部分を支配しており、トウモロコシ、大豆、小麦などの次世代種子にCRISPRを活用する取り組みも進めています。

Bayerによれば、作物保護の効果は非常に大きく、世界の農業収量の約30％、すなわち5億5千万トンの食料を守り、20億人以上を養うことが可能です。

出典: Bayer

従来の種子・形質改良に加えて、同社は合成生物学企業のGinkgo Bioworks (DNA ) （DNA）と協力しています。微生物を利用した農業用生物製剤などの開発が対象であり、従来のGMO事業全体から撤退するという意味ではありません。

同社は種子品種と植物遺伝子編集のリーダーで、パイプラインに500以上の新作物品種（2022年に250件の新作物登録）を抱えています。

同社は農業への技術統合でもリーダーです。例えば、BayerはMicrosoftと提携し、Microsoftのデータ管理システムAzureと、衛星、フィールドセンサー、ドローン、農機具、土壌センサーからのデータ活用に関するBayerの専門知識を組み合わせ、真に近代的で連携した農場を構築しています。

出典: Bayer

GMO（従来型と先進的遺伝子編集）のリーダーシップ、作物品種選択、農業へのビッグデータ統合により、Bayerは新たに家畜化された作物の創出や農業ロボットによる雑草のハイパースペクトル検出プロセスに自然なパートナーとなるでしょう。

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。