カテゴリー別アーカイブ: 合成生物学

植物ハンバーガーが全米に広がる、本物の味と変わらない代替たんぱく質の製造がアメリカの食文化を支える

ハンバーガーはタバコと同じ程度に不健康といわれてきたがその流れが変わった。大手ハンバーガーチェインBurger Kingは植物由来のハンバーガー「Impossible Whopper」(下の写真)の販売を開始した。これはシリコンバレーのベンチャー企業Impossible Foodsが開発したベジバーガーで、健康食品であるとともに、食べると本物の味と変わらない。いまアメリカの食文化と食品産業が大きく変わろうとしている。

出典: Burger King  

ベジバーガーの販売が始まる

大手ハンバーガーチェインBurger Kingは今月からサンフランシスコ地区で植物由来のハンバーガー「Impossible Whopper」の販売を始めた。Burger Kingはこの商品を「Made from Plants(植物由来)」と説明し、健康なハンバーガーとして大々的にプロモーションを展開している。屋外にはImpossible Whopperの大型ポスターが掲げられ、店内にはメニュー中央に大きく表示されていた(下の写真)。

実際に食べてみると

早速食べてみたが本当に肉の味がして美味しかった。Impossible Whopperは大型ハンバーガーで、バンズにミートパティ、トマト、レタス、オニオンなどがのっている。パティは網焼きされ、中はピンク色でみずみずしいはずであるが、少し焼きすぎた感があった。しかし、食べると肉の味と変わらず、通常のハンバーガー「Whopper」と見分けはつかない。植物由来のハンバーガーの中で一番おいしいと感じた。

出典: VentureClef  

高級レストランから大衆レストランへ

Impossible Burgerは2016年に販売が始まり、2019年1月にはその改良版「Impossible Burger 2.0」の出荷が始まった。改良版は味が良くなり、パティの中身がジューシーになり、また、塩分と脂肪分が少なくより健康な食品となった。今までは高級レストラン向けに提供されてきたが(下の写真、美味しかったが価格は20ドルと高い)、今年からBurger Kingが取り扱うことになり、Impossible Burgerが庶民の食べ物となった。Impossible Whopperの価格は6.49ドルで、通常のバーガーより1ドル高いが手頃の値段で食べられる。消費者の反応は良好でImpossible Burgerが全米に普及する勢いとなってきた。

出典: VentureClef  

Impossible Foodsとは

Impossible FoodsはRedwood City(カリフォルニア州)に拠点を置くベンチャー企業で合成生物学の手法でハンバーガーを生成する。スタンフォード大学教授が起業した会社でGV (Google Ventures) やBill Gatesなどが出資している。Impossible Burgerは本物のハンバーガーの構成要素をリバースエンジニアリングして開発された。

何故肉の味を出せるのか

Impossible Burgerが肉の味を出せる秘密は「Heme」という素材にある。Hemeとは血液中のヘモグロビンの色素を構成する物質で濃い赤色の液体(下の写真、手前の容器に入っている液体)。Plant Bloodとも呼ばれ、これをパティに加えると牛肉の色になり、焼くと薄赤色の肉汁となる。Hemeがハンバーガーの味を決める一番重要な材料で、合成生物学の手法(酵母DNAを編集し糖を発酵させる手法、AIやロボティックスが使われる)で生成される。

出典: New Food Economy

製造施設を拡充

Impossible FoodsはパイロットプログラムでImpossible Burgerを生産してきたが、2017年にOakland(カリフォルニア州)工場を開設し量産体制に入った。これによりImpossible Burgerを供給するレストランの数を増やしBurger Kingに供給を始めた。ただ、これでも需要に十分応えることができず生産量の拡大が課題となっている。

Beyond Foodsのハンバーガー

これに先立ち、ファストフードレストラン大手Carl’s Jr.がBeyond Foodsが開発した植物由来のハンバーガーの販売を開始した。これは「Beyond Famous Star」と命名され全米で販売を展開している。消費者が健康な食品を求めるなか、Carl’s Jr.は植物由来のハンバーガーの提供に踏み切った。

アメリカの食文化を支える

ベジバーガーはスーパーマーケットで多種類が販売されているが食べてみて美味しい商品は無い。ここにハイテクを使った植物由来のハンバーガーが登場し、その味が消費者を引き付けている。多くの人は健康に配慮してハンバーガーを食べるのを控えてきたが、Impossible WhopperやBeyond Famous Starの登場で、再びアメリカの味を楽しめるようになった。合成生物学で生成される代替たんぱく質がアメリカの食文化を支えている。

Protein Producerが地球を救う、合成生物学の手法で生成されたClean Meatが続々登場

合成生物学の手法で食肉を生成するベンチャー企業から新商品が続々と登場し、米国の食品業界が激変している。これらベンチャー企業は「Protein Producers」と呼ばれ、ハイテクを駆使して代替食肉を生成する。生成された肉は「Clean Meat」と呼ばれ健康食品であるだけでなく、地球上の重要な食量源となる。

出典: Impossible Foods

植物ベースの肉

ベンチャー企業が生成する代替食肉は二種類に分類され、植物ベースの肉(Plant-Based Meat)と細胞を培養して生成する肉(Cell-Based Meat)からなる。Plant-Based Meatとは文字通り、植物をベースとする肉で、肉を構成する要素を植物から採る。植物のたんぱく質、脂肪、ミネラルなどを組み合わせ肉を構成する。既に製品が市場に供給されており、その代表は「Impossible Burger」(上の写真)や「Beyond Burger」(下の写真)などがある。これらは牛肉の代替製品となるほか、Veganとして区分され健康食品として人気がある。

細胞から培養した肉

一方、Cell-Based Meatとは動物の細胞を生成した肉で、工場で細胞を培養し肉を生産する。工場のクリーンな環境で牛肉や鶏肉や魚肉が生成され、これらは「Clean Meat」とも呼ばれる。培養した肉は地球環境へのインパクトが低く、また、動物を殺す必要がないため若い世代から注目されている。多くのベンチャー企業から試作品が登場しており、近年中に商品が出荷されることとなる。

Beyond Burger

植物ベースの肉のなかでBeyond Meatが注目されている。ロスアンジェルスに拠点を置くベンチャー企業で、この技術をハンバーガーパテとして商品化した「Beyond Burger」(下の写真)を販売している。大手スーパーマーケットの食肉コーナーで販売され、パッケージにはハンバーガーパテが二つ入っていて価格は5.99ドル。

出典: Beyond Meat  

グリルで調理

ハンバーガーパテはひき肉をこねて形をつくったように赤色で、表面は粒々の形状をしている。手に持った感触はしっくりとし、本物と見分けがつかない。ハンバーガーパテをバーベキューグリルで焼いて調理する。熱くしたグリルにパテを置き、調理時間は片面で3分間程度。表面は普通のハンバーガーのように少し焦げて薄茶色になる。中は赤いままかピンクに変色し、肉汁を感じさせる。バーベキューには欠かせない食材で、味は本物のハンバーガーに極めて近い(下の写真、右端)。

出典: VentureClef  

レストランで提供

ファストフードレストラン大手Carl’s Jr.がBeyond Burgerを使ったハンバーガーの販売を開始し話題となっている。消費者が健康な食品を求めるなか、Carl’s Jr.は植物由来のハンバーガーの提供に踏み切った。これを「Beyond Famous Star」と命名し、大々的なキャンペーンを展開している(下の写真、店舗のテーブルマットには商品の写真がプリントされ「Beyond Belief!」と記されている)。食べてみるとハンバーガーの味とまったく同じで、植物性蛋白質とはとうてい思えない。今までは健康に配慮してハンバーガーを食べるのを控えてきたが、Beyond Famous Starの登場でまたアメリカの味を楽しむことができる。

出典: VentureClef  

構成要素

Beyond Meatはエンドウ豆 (Pea)、大豆(Soy Bean)、ソラマメ (Fava Beans) から抽出した蛋白質を分子レベルで再構築して食肉を生成する。肉の赤色はビート(Beet)を、肉の香りは酵母(Yeast)から抽出したアミノ酸20種類を使っている。酵母の遺伝子を編集するなど、合成生物学の手法で肉の味を創り出す。Beyond Burgerは1000種類の分子で構成され、その配分や加工プロセスで本物と同じ味や香りを生成する。

市場が急拡大

植物ベースの肉の市場規模は100億ドルといわれている。食肉を置き換える製品としてシェアを拡大しており、2018年度は前年度に比べ売り上げが20%アップした。植物ベースの肉は消費者の幅広い層で売れており、ミレニアル世代からシニア世代まで健康に関する意識の高いグループで購入が進んでいる。

地球環境の問題

そもそもProtein Producersが登場した背景には地球環境が抱える深刻な課題がある。現在、畜産業者が肉牛を肥育し食肉を生成しているが、この手法は環境への負荷が大きく、このままでは事業として成り立たなくなる。家畜が温室効果ガス(Greenhouse Gas)の14.5%を放出し、地球温暖化の主因となっている。また、家畜は牧草や水を大量に消費し、環境へのインパクトが甚大で、これ以上事業規模を拡大することはできない。

人口増加

更に、地球の人口は増加を続け、このままでは食肉の供給量が限界に達する。現在、地球の人口は77億人で、2050年にはこれが100億人となる。新興国で肉の消費量が増え、2050年には食肉供給量を70%増やす必要がある。畜産の手法で肉を供給することは限界となり、代替たんぱく質の生成が必須となる。

著名人が出資

代替たんぱく質の生産がビジネスチャンスであるとともに、地球の食を支える重要な使命を担っている。このためBill Gatesをはじめ多くの著名人が地球環境保全の観点からProtein Producersに出資している。また、大手食肉企業は製品ポートフォリオを拡大するためにProtein Producersとの提携を模索している。いま米国の食品産業が創造的破壊のプロセスを歩み始めた。

DNAを悪用したサイバー攻撃、遺伝子にマルウエアを埋め込みコンピュータに侵入する

DNAシークエンシング技術は高度に進化しヒトの全遺伝子配列を高速低価格で解明できるようになった。DNA編集技術も進化し、プログラムをコーディングする要領で遺伝子配列を生成できる。いまDNAを媒体とするサイバー攻撃の脅威が指摘されている。DNAにマルウェアを組み込み、これをシークエンサーで読み込むとコンピュータがウイルスに感染する。

出典: Tadayoshi Kohno et al.

DNAセキュリティ研究

これはワシントン大学コンピュータサイエンス学部 (Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering, University of Washington) がセキュリティ研究として発表したもので、DNAを使ってサイバー攻撃ができることを示している。バイオサイエンスとコンピュータの交点が攻撃の対象となっている。実際に被害が発生しているわけではないが、この研究は将来の攻撃に対して今から対策を取る必要性を説いている。

システムが攻撃を受ける仕組み

この研究では実際にマルウェアを組み込んだDNA (上の写真、中央部の液体状の物質) を生成し、これでコンピュータの制御を奪うことに成功した。まず、DNAをシークエンサーで解析し遺伝子配列を読み取る。次に、解析された遺伝子配列はコンピュータで処理され遺伝子変異などの知見を得る。しかし、マルウェアが埋め込まれた遺伝子配列をコンピュータで処理するとシステムにウイルスが侵入し制御を奪う。

DNA Processing Pipelineを攻撃

具体的には、遺伝子解析のプロセスは検体 (唾液など) をDNAシークエンサーで処理し塩基 (A, T, C, G) 配列順序を把握する。塩基配列は解析システム (一般にDNA Processing Pipelineと呼ばれる) で処理され遺伝子変異などを検出する。DNA Processing Pipelineは大規模な遺伝子配列を解析し遺伝子変異のカタログを生成するプロセスとなる。研究ではこのプロセスで遺伝子配列を装ったマルウエアがコンピュータを攻撃し制御を奪うことに成功した。

シークエンシング技術の進化

DNAシークエンシング技術はムーアの法則を上回るペースで進化している。シークエンシング技術のトップを走るのがIlluminaで遺伝子解析のインテルとも呼ばれている。Illuminaによるヒトの全遺伝子をシークエンシングするコストは2009年は10万ドルであったが2014年は1000ドルに低下した。この価格破壊が遺伝子解析ビジネスの引き金になっている。(下の写真、Illuminaのシークエンサー「HiSeq」)

出典: Illumina

遺伝子編集技術

同時に、遺伝子編集技術も高度に進化し低価格で特定の配列を持つDNAを購入できる。研究では、マルウエアを埋め込んだDNAを合成するためにIntegrated DNA Technologiesという会社のgBlocks Gene Fragmentsというサービスが使われた。同社はCoralville (アイオワ州) に拠点を置きDNA合成サービスを提供している。gBlocks Gene Fragmentsとは指定された配列でDNAを生成するサービスで、このケースでは生成にかかる費用は89ドルであった。

クルマのハッキングを警告

同学部は2010年にクルマがハッキングされる危険性に関する論文を発表した。クルマの構造が機械部品からエレクトロニクスに進化し、インターネットに接続される構成となっている。研究者は実際にクルマの電子制御部分 (Electronic Control Unit) にハッキングするデモを公表し注意を喚起した。当時はクルマがハッキングされることは想像しにくく、セキュリティに関する意識は低かった。しかし、近年はクルマをハッキングする事例が数多く報告され、論文で指摘された危険性が現実になっている。

DNAビジネスの中心はソフトウェア   

同様にDNAにマルウェアを埋め込んだ攻撃が起こるとは考えにくいのが実情である。DNAシークエンシングやDNA解析システムに関するセキュリティ意識はまだまだ低い。DNAシークエンシング価格の低下で遺伝子配列データが大量に生成されている。DNAビジネスの中心はシークエンシングハードウェアから生成された遺伝子配列データを解析するソフトウェアに移っている。個人向け遺伝子解析やPrecision Medicineと呼ばれる個人に特化した医療サービスなどが普及することになる。遺伝子解析が個人の健康を支える社会インフラになり、システムを安全に運用するためのセキュリティ対策が求められる。

合成生物学が「未来の工場」となりImpossible Materialを開発する

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。

糖質を発酵させ蜘蛛の糸を生成、遺伝子編集で究極の素材が生まれている

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。