什么是智能电池？

2023/10/18

智能电池

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

#能源/环境限制响应

什么是智能电池？

智能（高性能）细胞是指经过人工改造的细胞，可以利用其生产能力来制造工业产品和药品的材料。通过充分利用基因组分析和基因组编辑技术，我们可以创造药品、塑料、橡胶、油漆原料、纤维、化肥、食品等。使用智能细胞的生物制造可减少制造过程中的二氧化碳排放。₂预计这将减少能源消耗和环境影响。

为了实现碳中和社会，相信以生物制造技术为基础的经济活动“生物经济”的规模将会扩大。除了生产生物制造的特殊性难以化学合成的物质外，人们对使用人工改造的“智能细胞”进行制造的期望也越来越高，这种细胞可以利用细胞的生产能力来制造工业产品和药品的材料。我们采访了生物技术领域总监田村智宏，讨论了智能细胞的特征、实现智能细胞所必需的“DBTL循环”概念、以及具体应用实例和未来平台概念。

什么是智能电池？

从注重细胞物质生产能力的智能细胞到生物经济市场的形成

所有生物，包括人类，都是由细胞组成的。细胞内构建有各种代谢系统，并且具有产生代谢物等物质的机制。 “智能细胞”的概念就是利用这种细胞材料生产机制。

　智能电池是“通过人为最大化细胞材料生产能力而优化的电池”。除了按原样处理细胞外，我们还利用基因重组、基因组编辑等方法修改细胞的遗传信息。

　将智能电池融入产品制造过程的产业群被称为“智能电池产业”。此外，除了智能细胞之外，利用各种生物技术生产物质的努力称为生物制造。 (“什么是生物制造？ - 从科学的角度来看，社会关注的真正原因”）

　如果利用智能细胞和生物制造方法制造的物质被广泛应用于各种产品中，一个基于生物技术的经济区将会诞生。基于这些生物技术的整个经济活动就是“生物经济”，并且有望实现对环境影响较小的可持续经济活动。

根据经济发展与合作组织 (OECD) 的预测，2030 年生物经济市场将增长至 16 万亿美元（约 234 万亿日元）。其中工业占 39%，农林渔业占 36%，健康和医疗占 25%。每个国家都在努力实现自己的目标，相信这种规模的经济活动是可行的。日本政府在2020年制定的《生物战略（最终市场领域措施版）》中，目标是到2030年将市场规模扩大到92万亿日元。

智能电池的发展

与智能电池相关的四项技术进步

　智能电池现在之所以受到关注，是因为与智能电池相关的技术已经取得了长足的进步。与智能细胞相关的技术主要有四种：“基因组分析”、“IT/AI”、“基因组编辑技术”和“DNA合成”。

关于第一次基因组分析，大约在2000年，花了10年和大约1亿美元来破译人类基因组，但随着下一代测序仪的出现，现在可以在一天和1000美元内破译。

　第二个人工智能技术可以帮助阐明基因组序列的含义并预测细胞将具有什么样的功能。此外，细胞实验的结果可以被解释并用于估计如何改变培养条件和遗传信息以使物质生产更有效。

　第三种基因组编辑技术的代表例子是CRISPR/Cas9，这种技术可以在任意位置切割DNA。基因组编辑技术对于进一步强化基因功能、提高生产能力不可或缺。 (“什么是基因组编辑？ - 从科学的角度来看，社会关注的真正原因”）

　由于化学合成方法的进步，DNA 合成以及基因组分析的成本在过去 20 年中显着下降。

　凭借这四项技术，智能电池的研发近年来取得了巨大进展。

智能单元创建中的 DBTL 循环

　在生产智能电池时，我们使用“DBTL循环”的概念。这是设计、构建、测试和学习的缩写。

　首先，我们选择一条适合产生目标物质的代谢途径，然后“设计”能够产生有用物质的微生物的基因组。 “构建”部分涉及根据基因组设计合成DNA、编辑基因组以及实际构建基因组。 DBTL循环是对这些细胞进行“实验”，让AI“学习”获得的数据，并利用它进行进一步设计的过程。

　DBTL 循环的一个主要特点是它结合了信息科学，特别是在设计步骤中。除了传统的试验和错误之外，我们还利用信息科学来预测代谢途径并有效地设计基因组。关键是如何充分利用信息科学来提高设计精度。

扩大规模并优化生产流程也很重要

　仅仅创建一个可以生产所需物质的智能细胞不足以制造产品。还需要使用智能电池优化生产流程。

　智能细胞产生的目标物质要么保留在细胞内，要么释放到细胞外。为了将其作为物质制造技术投入实际应用，如果目标物质残留在智能细胞内，则需要一种通过破坏细胞来破坏目标物质的技术；如果目标物质释放到智能细胞外，则需要一种将其与培养基分离的技术。

　还有一个扩大规模的问题。在典型的实验室中，一次可培养的培养物量最多只有几十升，但对于工厂生产来说，需要的数量从数百升到数千升不等。实验室小规模培养的条件不太可能在工厂大规模培养中取得成功，因此在扩大规模时考虑条件很重要。只有解决这些问题，生物经济才能实现。

　为了使智能细胞成为一项可以在社会上使用的技术，需要提高细胞内部和培养基的分离过程的效率，优化整个制造过程以纯化分离的物质，并扩大规模。 AIST积极致力于优化整个制造流程，同时也注重人力资源开发。

智能电池实际应用实例及平台建设

　在一些实际案例中，使用智能电池显着提高了生产率。旭化成制药公司与 AIST 之间的项目^*1，我们成功地利用智能细胞来提高一种称为胆固醇酯酶的酶的生产力，这种酶是不直接用于人体有机体的体外诊断药物的原材料。传统育种方法只能增产28倍左右，但智能细胞技术使增产30倍左右成为可能。2021/02/25 新闻稿）。这样，即使使用既定方法进行微生物生产，也可以通过利用智能细胞技术显着提高生产率。

　人们对包括智能细胞在内的生物制造技术的期望越来越高。在AIST，专门从事微生物探索、开发和评估的研究人员聚集在一起，并开始构建一个涵盖整个DBTL循环和生产过程的平台。我们正在北海道和筑波建立“生物制造基地”。我们希望与企业合作，将智能电池技术商业化。

*1：国家研究开发机构新能源产业技术开发机构（NEDO）“利用植物等生物体开发高性能产品生产技术”[返回来源]