Nagase Diagnostics 和 AIST 成功将智能细胞技术商业化！

Nagase Diagnostics 和 AIST 成功将智能细胞技术商业化！

2025/07/31

首次发布日期 2024/10/09

使用长濑诊断日本科学技术协会智能电池技术成功投入实际使用！检测试剂原料胆固醇酯酶直至量产

健康检查期间测量用于诊断胆固醇水平、血糖水平、尿酸水平等的生化测试试剂（体外诊断药物）等临床测试试剂被使用。长濑诊断株式会社^*1作为这些检测试剂原料的酶生产在国内市场占有率较高。本公司与AIST通过将“智能细胞技术”投入实际应用，我们成功实现了“胆固醇酯酶”（一种用于测量胆固醇水平的酶）的大规模生产和商业化我做到了(2023/6/30 新闻稿文章）。这个结果是双方汇集细胞物质生产机制、基因组分析、基因组编辑技术等方面的知识我通过克服许多失败而实现了这一点。这项技术有助于生物经济社会的发展开发的AIST研究人员，我们追踪了双方面临的挑战。

追求高生产力，克服失败，实现智能电池

　健康检查时测量的胆固醇水平。该测试中使用的试剂的原材料是一种称为胆固醇酯酶（CE）的酶，它可以分解胆固醇酯。通过将这种酶添加到采集的血液成分中并引起反应，并对色素的变化进行定量，可以测量血液中胆固醇水平的高低。自 2025 年 7 月起，Nagase Diagnostics Co, Ltd 自 1970 年代初以来一直供应这种酶作为检测试剂的原材料。^*1

　人们早就知道CE是通过复杂的途径从天然存在的微生物稳定伯克霍尔德氏菌分泌到细胞外的，并且传统上CE是通过在培养罐中培养这种细菌本身来生产的。然而，随着生活方式相关疾病成为社会问题以及人们对胆固醇水平关注度的提高，对检测试剂的需求逐年增加。到2000年代初，高效提高CE产量已成为诊断试剂部门的重要问题之一。

　“我们是诊断试剂原材料酶生产领域的日本领先公司。在保持 CE 市场份额的同时削减成本并进一步扩大我们的业务已成为诊断试剂部门的重要问题。”长濑诊断株式会社诊断试剂部门开发和研究部高级研究员 Shuji Muramatsu 解释了背景。

　为了提高蛋白质和酶的生产效率，通常采用使用转基因大肠杆菌生产蛋白质以及通过突变生产细菌本身的基因（突变育种）来提高产量等方法。然而，对于CE而言，即使使用这些方法，也无法达到预期的生产效率提高水平。例如，突变育种使产量比野生品系提高了约 28 倍，但此时达到了稳定水平。

　“在大约两年的时间里，我们尝试了当时使用的所有方法，但没有任何效果。研究暂时停止，但当我们申请2016财年启动的NEDO项目时，它又开始了，”目前负责促进长濑诊断有限公司酶产品部门体外诊断酶产品普及的经理小西健二回忆道。

　该项目是“智能电池项目^*2”。这是一种尝试，通过人工改造活体细胞来创造智能（高性能）细胞，提高其生产酶和蛋白质的能力，并用它们作为原材料来制造工业产品和药品的材料（AIST杂志）。什么是智能电池？」）。

AIST生物技术领域的研究人员邀请了拥有成功联合研究记录的诊断部门共同提出一个新主题。接受邀请的人是时任旭化成制药诊断试剂事业部酶开发部部长的佐濑川真一（佐濑川后来调入产业技术研究院，现任生物制造研究中心研究主任）。

　「『绝対无理なテーマならありますが……やりますか？』と悩みながらも応じました。产総研とは、共同研究で成功実绩があります。今回のプロジェkutoは确实かに难しいけれど、この内容が実现すれば大きなインパクトがある、そう判断して、プロジェクトへの参画を决めました」と、酒瀬川は言う。

建立了世界上第一个以野生菌株为宿主的重组胆固醇酯酶表达技术

　在智能细胞开发中，首先需要获取微生物的基因组信息。稳定伯克霍尔德杆菌被发现在三个环状染色体上有 6,764 个基因。

研究小组的目标不是使用大肠杆菌来生产蛋白质，而是使用稳定伯克霍尔德杆菌本身作为宿主构建重组表达系统。这是因为，通过小西和他的同事过去使用大肠杆菌进行的实验，他们发现“原则上，大肠杆菌不会提高 CE 产量。”

首先，一个允许CE高表达的新启动子^*3从多种条件下培养的细菌细胞中提取RNA，通过序列分析计算每个基因的转录量。基于这里获得的每个基因的转录水平信息，他们成功地鉴定了最佳的启动子序列，该序列可以强烈地控制基因表达，而不受培养条件变化的影响。

　通过使用它们，我们成功构建了以稳定伯克霍尔德氏菌本身为宿主的表达系统，但生产效率对于商业化来说仍然太低，并且不可能在短时间内增加CE的生产量。此外，我们从用常规方法和利用遗传信息分析的方法创建的众多突变菌株中寻找生产效率高的菌株，但我们找不到任何有助于提高CE生产效率的基因，也找不到任何能够产生足够量CE的菌株。

　看起来研究要停止了，但项目成员还没有放弃。从4000多个突变菌株中筛选出少数产量较高的菌株，并将构建重组表达系统时得到的表达载体导入这些菌株中，我们发现了CE产量显着提高的菌株。

　我非常惊讶，因为它显示出比之前实验高出五倍的活性。当我第一次发现它时，我想，“这绝对是一个谎言也许我在实验过程中犯了一个错误，”长濑诊断有限公司诊断部门开发研究部的研究员村田里美回忆道。

　这个新发现的高产菌株神秘地发现其原有的3条染色体中的3号染色体完全缺失。后来发现，缺失的3号染色体含有三个基因，它们构成了一个复合体，是提高生产能力的关键。其机制是通过破坏3号染色体上的三个基因之一，提高表达载体的稳定性，转录持续到培养后期。

　基于本研究结果，进一步研究以确定关键基因并阐明详细机制。

　在新型冠状病毒感染蔓延之前，静冈县伊豆之国市诊断试剂部门的研究人员主要访问位于札幌的AIST北海道中心，每两周定期举行会议，相关人员在现实生活中聚集。 “我们必须比上次做得更好一点。这对我们俩来说都是很大的压力，”小西回忆道。

　通过反复试验，我们在3号染色体上确定了提高CE生产效率机制的致病基因。在引入数量惊人的基因突变后，他们最终在高产菌株的3号染色体上发现了一个特定的基因突变。他们证实，当这些基因在野生菌株中被破坏时，CE 生产力会增加，并成功鉴定出抑制宿主稳定伯克霍尔德杆菌中 CE 表达的元件。基于这一结果，使用先前发现的最佳启动子序列构建的表达载体被引入到新发现的高产菌株中，并且当测量CE活性时，它表现出异常高的活性。

2021 年，通过将最佳启动子序列与改良的稳定伯克霍尔德杆菌宿主相结合，“稳定伯克霍尔德菌智能细胞”，CE产能是野生菌株的30倍以上技术。

克服大规模生产和推出产品的障碍

　长濑诊断公司的研究人员秉持着一心一意尝试各种可能性的研究态度。即使第一个高产菌株的发现是偶然的，也需要进行大量的试验和错误。 AIST生物制造研究中心应用功能分子设计研究小组的高级研究员Yoshiaki Yasutake表示：“程带来了一个巧合——从某种意义上说，这可能是不可避免的。”他赞扬了项目成员顽强的研究态度。

　另一方面，AIST也敢于接受挑战，提出了一项在该项目中通常不使用的技术。原因之一是他们选择了使用稳定伯克霍尔德菌本身作为宿主而不是大肠杆菌的重组表达系统。

　关于使用大肠杆菌进行重组，已经积累了很多知识，实验工具也有很多种，所以一般我们都会先尝试一下。但是，使用稳定伯克霍尔德杆菌本身作为宿主的方法还没有可用的工具，而且由于它是一种已知为机会性细菌的菌株，因此在实验室处理时必须小心。然而，我们在这些新领域开发工具方面拥有经验和自豪感，因此我们决定不依赖大肠杆菌继续进行，”Yasutake 说。

　经过4年的NEDO项目，我们成功量产了CE。通过该量产工艺生产的CE产品（产品名称：CEN II）将于2023年6月起作为血脂异常检测剂的原材料上市销售。这是NEDO项目的成果在相对较短的时间内与商业化直接相关的罕见案例。

当然，量产之路并不平坦。

　我们在实验室规模上可以毫无问题地培养它，但是当我们在大罐中培养它以扩大规模时，我们遇到了培养失败。原因完全未知，而且很难找出原因。为了进行测试，我们咨询了生产现场的人员，经历了反复试验的过程。说实话，我们曾考虑过放弃商业化，但最终我们找到了最佳的培养条件并将其商业化。”小西回忆道。

　长濑诊断公司和AIST团队之间的信任关系通过共同面对和克服许多挑战而得到进一步增强。项目结束后，佐濑川调到了AIST，并试图充分利用他直接了解公司和AIST特征的职位。

　“AIST研究人员丰富的知识以及他们从广泛的角度管理研究的方式超出了我的预期。另一方面，企业在接近行业和客户方面仍然具有优势。为了AIST未来进一步推进社会实施，我认为有必要更多地了解市场客户的需求。”

　安武表示：“产业技术研究院的作用是创造基础技术，但为了将技术应用于社会，与企业的合作至关重要。这次，我们能够生产出一般大众容易想象的结果，作为健康检查测试试剂的原材料。我们希望在这一成功的基础上继续开展联合研究。”

Nagase Diagnostics 的成就之一是，除了传统方法之外，我们能够领先于其他公司在酶生产中使用智能细胞技术。使用智能单元进行制造可提高产量并增加批量，从而实现更均匀的质量并降低二氧化碳₂预计这将减少能源消耗和环境影响。 AIST 还提供了有关知识产权的建议，村松说：“我们在生产技术方面有更多选择，并且作为一家公司变得更加独特。”

　未来，双方有可能启动新项目，进一步扩大生物制造领域。人们对取得进一步成果抱有很高的期望。

---

*1：由于业务重组，旭化成制药株式会社的诊断试剂部门作为长濑诊断株式会社开始运营，该公司于 2025 年 7 月 1 日作为长濑产业株式会社的集团公司新成立。本文中的职位基本指截至 2025 年 7 月的职位。详细信息截至 2025 年 5 月 1 日长濑诊断株式会社新闻稿（您将被重定向到 AIST 以外的网站。）[返回来源]
*2：国家研究开发机构新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）“利用植物等生物体开发高性能产品生产技术”（2016年至2018年委托项目，2019年至2020年补贴项目）[返回来源]
*3：启动子是在从DNA制造蛋白质的过程中发挥重要作用的基因序列。促成这次成绩的，是不断努力的本构推动者。[返回来源]