サンレジン - 合成生物学における吸着・分離技術の応用

1. 合成生物学とは何か

「第3次バイオテクノロジー革命」の重要な担い手として知られる合成生物学は、21世紀に台頭してきた学際的な分野です。その本質は、細胞を人間のために働かせ、目的の物質を生産することです。この技術により、私たちが日常生活で目にする多くの製品は、生物学的な方法で合成することができます。

合成生物学は、主に生物システムの設計、構築、応用に焦点を当てた新しい学際分野です。工学や生物学などのさまざまな分野の知識と方法を組み合わせ、生体分子や生物反応など、自然界に存在する生物学的メカニズムと技術を活用することを目的としています。生物システムを設計・構築し、制御可能な遺伝子制御ネットワークを設計することで、細胞内の分子レベルで体系的な生物学的制御を実現します。

2. カーボンニュートラル達成における合成生物学の大きな可能性

合成生物生産は有望なグリーン生産方法であり、地球温暖化や各国のカーボンニュートラルの提案により、間違いなく潜在的な最適ソリューションの1つになっています。合成生物生産は、産業プロセスにおけるエネルギーと材料の消費を削減し、廃棄物の排出や大気、水、土壌の汚染を減らすと同時に、生産コストを大幅に削減し、産業競争力を高めることができます。

「カーボン ニュートラル」を世界および国レベルで推進する中で、合成生物学は間違いなく非常に優れた解決策を提供します。2014 年に経済協力開発機構 (OECD) は「合成生物学における新たな政策課題」という報告書を発表し、将来的には化学物質やその他の工業製品の 35% が生物学的製造に関係する可能性があると予測しました。

サンレジンが手掛ける吸着分離技術は、環境に優しく、自動化も進み、操作精度も良好な高効率の分離精製プラットフォーム技術です。吸着分離技術業界の世界的リーディングカンパニーとして、当社は20年以上にわたる吸着分離分野での研究開発の蓄積と技術優位性を国家のカーボンニュートラルの道と融合させ、デュアルカーボン目標の達成に貢献し、下流の応用プロセスの最適化とアップグレードを支援することを積極的に検討してきました。

3. 合成生物学における吸着・分離技術の応用

合成生物学製品の製造中、原料は微生物発酵によって目的の製品に変換され、発酵液中に存在します。合成生物学製品の製造と応用を制限する主な要因は、目的の製品の分離と精製です。

現在、分離精製工程では、等電点晶出法、イオン交換（固定床）、膜分離法などの方法が主に使用されていますが、これらの方法は、目的生成物の収率が低い、化学試薬の消費量が多い、廃水排出量が多い、環境汚染が著しいなどの問題があります。

サンレジン社は、発酵液の分離・精製のための一連の分離材料を開発し、さまざまな使用ケース向けのアプリケーションプロセスとシステム機器を開発し、顧客に包括的なソリューションを提供しています。

3.1 脱塩、脱色、脱タンパク質化：
一般的には、カチオン樹脂とアニオン樹脂を組み合わせたイオン交換樹脂を使用して、導電率を目標レベルまで下げます。酸やアルカリの安定性、樹脂の保持力など、材料の特性に応じて、強酸、弱酸、強塩基、弱塩基の樹脂が使用されます。

脱色には、一般的に強塩基性陰イオン交換樹脂または大孔吸着樹脂が使用されます。また、一部のタンパク質も除去できます。

3.2 生成物および不純物の吸着:
特定の官能基を持つ樹脂は、対象物質や不純物に選択的に結合して除去することができます。吸着には一般に大孔吸着樹脂やイオン交換樹脂が使用され、その後溶媒または酸塩基分析が行われます。

3.3 クロマトグラフィー分離：
イオン交換樹脂または大孔径樹脂は、一定の容量で製品と不純物を吸着するために使用されます。不純物は勾配洗浄によって除去され、製品は中濃度の溶媒または酸塩基溶液で分析されます。樹脂は高濃度の溶媒または酸塩基溶液で再生されます。

3.4 クロマトグラフィー分離：

3.4.1 脱塩、不純物除去、脱色、母液回収のための連続クロマトグラフィーSSMB。

3.4.2 中高圧分取クロマトグラフィー

4. ブタン二酸の合成生物学への応用 

ブタン二酸の下流用途は主にPBSとBDOの合成です。「デュアルカーボン」政策を背景に、生分解性プラスチックはバイオベースの分解性プラスチックに移行しており、バイオベースのPBSの将来の市場が拡大しています。BDOの既存の市場はすでに巨大ですが、現在の製造方法は「デュアルカーボン」の概念と一致していません。

PBSとBDOの合成に対する下流の需要に牽引され、ブタン二酸、特に合成生物学で生産されるブタン二酸の潜在的需要は非常に大きい。ブタン二酸を生産する従来の化学的方法は生産能力の拡大に限界があり、合成生物学法はすでにコスト面での優位性を示しており、今後の発展のトレンドとなっている。ブタン二酸は、将来的に膨大な下流の需要を満たすために合成生物学で生産されるだろう。

ブタン二酸の化学合成法（I）

化学合成法 I: 電気化学的方法、電気化学的酸化還元反応によりブタン二酸を合成する方法。

主な欠点は、エネルギー消費量が多いこと、また政策上の制限、設備コストの高さ、設備操作の複雑さなどの要因により、大規模生産や工業生産への適用が制限されることです。

ブタン二酸の化学合成法（II）

無水マレイン酸の水素化反応は、触媒の存在下でシス-ブタン二酸無水物を水素で水素化することによりブタン二酸を生成するプロセスです。

この反応は、一定の温度と水素圧で行われます。このプロセスの開発に影響を与える主な制限要因には、過剰な炭素排出、純度と灰の不純物の収率、ニッケルまたはその他の貴金属触媒の選択などがあります。

ブタン二酸の生物学的合成プロセス

ブタン二酸の生物学的合成プロセスは、環境に優しいグリーンな生産方法です。

酵母や大腸菌などの微生物の代謝工学に微生物株を使用することで、プロセス自体は持続可能かつ再生可能となり、環境汚染を大幅に削減し、持続可能な開発のためのより良いソリューションを提供します。

生物学的合成プロセスでは、菌株を遺伝子組み換えして制御し、嫌気性環境での人工進化を通じて性能を最適化することで、ブタン二酸の最高収量を生成する最適な菌株を選択できます。これにより、純度が高く、化学汚染のない製品が生まれます。