Zymergenというベンチャー企業は合成生物学 (Synthetic Biology) の手法で新しい製品を開発している。製品開発の背後ではAI、ロボット、バイオロジー技術が使われ、高度な予測のもと試験を繰り返す。酵素の機能を強化し新しい微生物を生成する手法で信じられない素材を生成する。

出典: Zymergen

Impossible Materialを生成する

Zymergenの使命は「Impossible Material」を開発することにある。Impossible Materialとは既存の素材から大きく逸脱した機能を持つマテリアルを指す。古くはゴムの木からつくられたゴムボールがこれに相当する。歴史を振り返るとゴムが欧州にもたらされ産業革命を支えた。その後、石油化学に基づくImpossible Materialの研究開発が進められた。

石油化学ベースの素材

石油化学ベースのImpossible Materialは生活の中で幅広く使われている。ガラスのように加工できるが3倍軽く割れない素材が誕生した。これはポリエチレン(Polyethylene)で容器などで使われている。自重の800倍の重さの水を吸収する素材はポリアクリル酸ナトリウム (Sodium polyacrylate) でダイパーなどに使われる。弾丸を通さない強い繊維としてケブラー (Kevlar) が開発され防弾チョッキに使われている。

次世代のImpossible Material

Zymergenを含むバイオベンチャーは次世代のImpossible Materialを探している。石油化学と異なり自然界は多彩な分子構造を持っている。世界で20万種類の分子構造が発見されているが (下の写真、一部)、総数は数百万といわれている。Zymergenはこの中から360種類の生物分子 (Biomolecule) を特定し、合成生物学の手法でImpossible Materialを開発している。

出典: Royal Society of Chemistry

遺伝子工学の最新技法

合成生物学とは今までに存在しない生物部品やシステムを設計し製造する技術体系を指す。合成生物学は「Genetic Engineering 2.0」とも呼ばれ遺伝子工学の最新技法を意味する。合成生物学は遺伝子コード (Genetic Code、A、T、C、Gから構成される) を編集して微生物 (Microbe) のDNAに組み込み、微生物からたんぱく質 (これがImpossible Material) を生成する (下の写真)。これを医療、農業、製造業などに応用し、生活に役立つ物質を生成する。合成生物学のプロセスはワインの醸造に似ている。ワイナリーで葡萄 (糖分) を酵母 (微生物) で発酵させアルコールを生成する。ただ、合成生物学の手法は酵母 (微生物) のDNAを組み替えて今までに存在しない素材を生成する点が大きく異なる。

出典: Zymergen

Radical Empiricismという手法

ロジックはシンプルであるが化学反応のプロセス (Biochemical Pathway) は極めて多彩で複雑である。このためZymergenは「Radical Empiricism」という手法で合成生物学ベースのImpossible Materialを開発する。微生物のDNA編集と発酵のプロセスをソフトウェアで自動化する (下の写真)。

出典: Zymergen

この手法はMicrobe Engineeringと呼ばれ、人間が経験と勘に頼っていた部分をAIとロボットで置き換える。AIが酵母の遺伝子組み換えを把握し、試験の成功と失敗の事例から学習を重ねる。実際の試験は人間ではなくロボットが実行し (下の写真)、全てのプロセスが自動化されている。Zymergenはデータサイエンスに裏付けられたMicrobe Engineeringの手法を取る。

出典: Zymergen

工業用酵素の機能を改良する技術

Zymergenは工業用酵素の機能を改良する技術も提供している。発酵によりバイオ燃料、素材、医薬品が生成されるがその市場規模は1600億ドルといわれる。これらの企業は使っている酵素の機能強化をZymergenに依頼する。ZymergenはこのプロセスでもAIとロボットで自動化し、短時間で多種類のケースを試験して酵素のDNA構造を決定する。

AIとロボットがImpossible Materialを見つける 

ワイン醸造の例に例えると杜氏に代わりAIが酵母とワインの出来をデータサイエンスの手法で把握し、酵母を改良する方法を提案する。杜氏の経験と勘を酵母のDNA編集に集約し、長い年月を要したプロセスを1か月に短縮する。酵母に含まれる遺伝子の数とその組み換えのパターンは膨大で人が直感的に理解することはできない。ここでAIが使われロボットが大規模並列で実験を繰り返す。Impossible Materialは化学者の経験と勘ではなくAIとロボットが生み出すことになる。

蜘蛛の糸は理想の素材でこれを人工的に生成する研究が続いてきた。世界に先駆けてシリコンバレーのベンチャー企業が合成生物学の手法で蜘蛛の糸の生成に成功した。これは「スパイダーシルク」と呼ばれネクタイに編んで販売されている。

出典: Bolt Threads

スパイダーシルクの合成に成功

スパイダーシルクの生成に成功したのはEmeryville (カリフォルニア州) に拠点を置くBolt Threadsというベンチャー企業だ。蜘蛛の糸はスチールより強くゴムより柔軟性がありウールより柔らかい。理想の素材として世界の研究者がこれを追い求めてきた。Bolt Threadsはこの開発に成功しスパイダーシルクで縫製したネクタイ (上の写真) の販売を開始した。これは編み地を使ったニットタイで素材感がありカジュアルな仕上がりとなっている。５０本の限定販売で価格は３１４ドルと高めの設定になっている。

サステイナブル・ファッション

スパイダーシルクの特徴は素材の機能だけでなく、石油由来の製品に比べ製造工程で環境に対する負荷が小さい点が評価されている。米国では「Sustainable Fashion」という考え方が広がっている。これは持続可能性をコンセプトとしたファッションデザインで、環境に優しいお洒落が消費者の心を掴んでいる。大手ファッションブランドH&Mは「Conscious」という製品ラインを投入しサステイナブル・スタイルを提供している。Bolt Threadsは環境問題に意識の高い層に訴求する製品を投入した (下の写真)。

出典: Bolt Threads

合成繊維は特性が偏っている

蜘蛛の糸に近い素材はナイロンで生活の中に幅広く浸透している。しかし、ナイロンなど合成繊維は特定の機能が優れているが総合的なバランスはよくない。例えばKevlar (ケブラー) は鉄鋼の5倍の強度を持つ繊維で防弾チョッキなどに使われる。一方、伸縮性や柔軟性は無く衣料品への応用は難しい。これに対して、蜘蛛の糸は強いだけでなく伸縮性や肌触りなど複数の機能をバランスよく持っている。

糖質を発酵させスパイダーシルクを生成

Bolt ThreadsはSynthetic Biology (合成生物学) のアプローチでスパイダーシルクの生成に成功した。合成生物学とは酵母の遺伝子を編集し発酵を通してマテリアルを生成する手法を指す。Bolt Threadsの場合は遺伝子を編集した酵母で糖質を発酵させスパイダーシルクたんぱく質を生成する。糖質としてはDextroseが使われている。 Dextroseとはグルコースの一種で幅広く市販されている。糖分補給のために摂取したり健康飲料のサプリメントとして使われる。簡単に入手できるDextroseからスパイダーシルクが生成された。

糸を編んでネクタイを作る

次に、合成されたスパイダーシルク片から糸を生成するプロセスとなる。スパイダーシルク片をたんぱく質を溶かす溶液の中をくぐらせ、細い糸に引き延ばす。白色の微細な繊維状の糸をよって一本の糸とする (下の写真)。最後に、この糸を編んでネクタイとして商品化された。

出典: Bolt Threads

ファッション以外にも応用

Bolt Threadsはスパイダーシルクの応用分野をネクタイから衣服などのファッションに広げる計画である。更に、スパーダーシルクを自動車のシートに応用すると耐久性が格段に向上する。医療分野ではスパイダーシルクを人工アキレス腱として使い、また、手術の縫合糸としても使うアイディアが出されている。ネクタイは最初のステップでこれから商品レンジが拡大する。

Biomanufacturingと中国産業

自然界の素材を生成する技術は「Biomanufacturing」と呼ばれている。Biomanufacturingは石油由来の素材を生成するプロセスと対比して語られる。Biomanufacturingは環境への負荷が小さく、将来は石油由来の製品を置き換えたり補完すると期待されている。特に、中国企業がこの手法に大きな関心を示し、米国企業から技術供与を受け導入を始めている。中国の繊維・アパレル産業はGDPの6.4%を占め、全労働人口の11.24%がこの産業に従事している。中国企業は環境に与える影響を最小限にすることが求められ、繊維産業は石油製品への依存を最小限とし、Biomanufacturingへの移行を加速している。

もう一段のブレークスルーが求められている

Biomanufacturingは大きな期待を背負った技術であるが解決すべき問題も少なくない。スパイダーシルクの場合ではネクタイの原価は300万ドルといわれている。大量生産に移ると原価が下がるが、プロセス改良によるコストダウンも必須となる。プロトタイプの生成には成功したが、これを事業化するためにはもう一段のブレークスルーが求められている。

トランプ大統領はパリ協定から離脱することを発表し (下の写真) 混乱が広がっている。大統領は離脱の理由をアメリカ経済を優先するためと説明した。しかし、脱退の狙いはトランプ支持者にアピールし支持基盤を固めるためといわれている。問題の根は深く地球温暖化対策だけでなく、トランプ政権の科学技術政策も危うい状況にある。

出典: The White House

ホワイトハウスで混乱が続く

トランプ大統領が就任して以来、ホワイトハウスで混乱が続いている。科学技術分野に関してはOffice of Science and Technology Policy (OSTP、アメリカ合衆国科学技術政策局) のポストが空席のままである。OSTPとは大統領の科学技術政策に関するブレインで、その長官は米国政府のCTOと呼ばれている。トランプ政権では科学技術政策を立案するためのアドバイザーがいない状態が続いている。

大統領はホワイトハウスの機能を信用していない

OSTPはホワイトハウスの組織で1976年、フォード政権時代にアメリカ議会により設立された。OSTPの使命は大統領が政策を立案する際に科学的な見地からアドバイスすること。OSTP長官は連邦政府のCTOとして認識され、大統領の科学技術政策や予算政策を支援してきた。オバマ政権ではJohn HoldrenがOSTP長官を務め、がん研究や脳解明プロジェクトなどの科学技術政策を支えてきた (下の写真)。現在OSTP長官は指名されておらず空席であるが、その理由はトランプ大統領がホワイトハウスの機能を信用していないためとされる。

出典: The White House

シンクタンクにアドバイスを求める

トランプ大統領は政策のアドバイスをホワイトハウスではなく外部シンクタンクに求めている。その一つが「Heritage Foundation」という保守系シンクタンクだ (下の写真)。Heritage Foundationは1973年に設立され共和党の政策立案に大きな影響を与えてきた。レーガン大統領は政府組織を縮小し小さな政治を目指したが、その政策基盤はHeritage Foundationの思想がベースになっている。

パリ協定についてのアドバイス

トランプ大統領は選挙期間中もHeritage Foundationからアドバイスを受けた。地球温暖化問題に関してもアドバイスを受け、選挙公約としてパリ協定脱退を表明していた。その根拠は「パリ協定に参加すると米国のエネルギーコストが上昇し、雇用が失われ、家庭の負担が2万ドル増える」というHeritage  Foundationの試算にある。

最終判断に大きな影響

Heritage Foundationは同時に、パリ協定を脱退することを支持層にアピールし、公約を実行する姿勢を示すべきとトランプ大統領にアドバイスした。トランプ大統領の最終決断はこのアドバイスが大きく影響し、科学的見地からではなく、Populism (中間層へのアピール) を選択したという解釈が広がっている。Heritage Foundationはこの成果を「Heritage Research Impacts Trump’s Decision to Withdraw From Paris Climate Deal (Heritageの研究が離脱の決断をもたらした)」という記事で公開しその成果を広くアピールしている。

バランスの問題

パリ協定以外に科学技術政策全般にわたりOSTPの機能が使われていない。OSTPという行政府組織ではなく特定方向に強い意見を持つシンクタンクのアドバイスを受け入れている。大統領がシンクタンクに意見を求めるのは常套手段であるが、行政府の機能を飛び越し特定のシンクタンクの意見だけで政策が立案されるのはバランスを欠いている。

政策に大きな影響を与えてきた

一方、Heritage  Foundationは連邦政府の政策に大きな影響を与えてきたことも事実である。オバマ政権下では共和党向けに医療保険制度改革 (オバマケア) に反対する根拠を立案し、法案成立後はオバマケアを置き換える運動を展開した。これがTea Party運動となり連邦議会で共和党が躍進する後ろ盾になった。ブッシュ政権ではAnti-Ballistic Missile Treaty (弾道弾迎撃ミサイル制限条約) を破棄し防衛力強化を進めた。ロシアとの友好関係が崩れ再び冷戦時代に向かうことになった。

出典: Heritage Foundation

大統領予算教書

予算教書 (Budget Proposal) も科学技術政策に関するブレイン不在で立案された。トランプ大統領は就任後初となる予算教書を公開した。公約通り連邦政府各省庁の予算が大幅に削減された。Environmental Protection Agency (環境保護庁) とDepartment of Agriculture (農務省) の予算は３０％削減され、反対に国防費と治安関連費は大規模に増額された。

科学技術関連予算が大幅に削減された

予算教書の中では科学技術関連予算が大幅に削減された。National Institutes of Health（NIH、国立衛生研究所）は医療技術の研究拠点で先進治療法が開発されている。NIHの予算は18%削減され医療技術研究に大きな影響がでると懸念されている。National Cancer Instituteはガン治療先進技術開発プロジェクト (Moonshot Project) を運用しているが継続できない可能性がでてきた。また、オバマ大統領が始めたヒトの脳を解明する研究「Brain Initiative」の予算が削減されプロジェクト規模が縮小される。この研究がアルツハイマー病の治療や人間レベルのAI開発につながると期待されていただけに先行きが見通せない。

NASAの予算は確保された

一方、NASAの予算は1%程度の削減で現行プロジェクトが継続される。NASAの研究は地球を対象としたものからDeep-Space Explorationと呼ばれる月探査や火星探査が中心となる。最終目的は太陽系システムで人が生活することを目指し、当初の計画通り、海外の国々と協力してプロジェクトが進められる見通しとなった。ただし、予算は議会の承認を経て成立するため今後の審議に注目していく必要がある。

トランプ大統領の政策とは独立に対策が進む

連邦政府の方針とは独立にカリフォルニア州やハワイ州などは独自で地球温暖化防止政策を推進している。カリフォルニア州は中国や欧州と連携し連邦政府に代わり温暖化対策を進め、パリ協定離脱の影響を最小限にとどめる姿勢を取っている。カリフォルニア州知事Jerry Brownは中国Xi Jinping (習近平) 大統領と会談しクリーン技術開発を進めている。中国は温暖化問題についてカリフォルニア州など州政府と協調する姿勢を示している。

出典: http://www.WeAreStillIn.com

パリ協定離脱に反対する署名活動

トランプ大統領のパリ協定離脱に反対する署名活動はいまも続いている (上の写真)。反対の意を表明するだけではなく、パリ協定を離脱するものの地方政府、大学、企業は地球温暖化対策を継続して進めるという決意を世界に向けて表明する意図がある。５千団体から署名が集まり大きな流れとなっている。パリ協定離脱後もアメリカ社会の地球温暖化防止の意識は高く努力が続いている。