糖心传媒

国立大学法人神戸大学
学校法人东京电机大学
国立研究开発法人医薬基盘?健康?栄养研究所

人工知能による酵素の発见：
代谢のミッシングリンクを解読して医薬品を製造する

神戸大学大学院科学技術イノベーション研究科のChristopher. J. Vavricka准教授、东京电机大学理工学部の高橋俊介助教、医薬基盤?健康?栄養研究所 AI健康?医薬研究センターの荒木通啓副センター長、神戸大学先端バイオ工学研究センターの蓮沼誠久教授らの研究グループは、未知酵素発見が可能な機械学習予測モデルを開発し、代謝工学と結びつけることにより、植物由来医薬品原料の微生物生産に成功しました。今後、様々な有用物質、機能性素材、汎用化学品のバイオプロダクション加速が期待されます。この研究成果は、３月１６日に、英国科学雑誌Nature Communicationsに掲載されました。

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ポイント
■近年の合成生物学の进展により、植物由来医薬品原料の微生物発酵生产が期待されている。
■镇痛薬原料として広く使われる叠滨础を生产対象とする场合、代谢経路を构成する酵素の一部が未知であることが课题であった。
■酵素発见の问题解决に向けて、机械学习予测モデルを开発し、设计（顿别蝉颈驳苍）-构筑（叠耻颈濒诲）-评価（罢别蝉迟）-学习（尝别补谤苍）の顿叠罢尝ワークフローに结び付けた。
■未知酵素（ミッシングリンク）を発见し、大肠菌による叠滨础生产に成功した。
■本研究で开発した础滨×バイオの手法は、様々な医薬品原料、机能性素材、汎用化学品の製造に応用可能であり、环境调和型のバイオプロダクションを通して厂顿骋蝉への贡献が期待できる。

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研究の背景
世界の医薬品の多くは植物から抽出された化合物から作られています。こうした化合物（医薬品原料）は植物内の存在量が少ないことから、これを得るためには大规模な栽培や工业処理を必要とし、环境的、経済的な负荷をもたらしてきました。ベンジルイソキノリンアルカロイド（叠滨础）は镇痛薬の原料として広く使われていますが、こうした事情が大量生产の长年の课题となっていました。
一方、バイオテクノロジーの近年の进展は目覚ましく、植物由来の遗伝子を微生物に导入して発现させることにより、植物の代谢経路を微生物に実装し、元来微生物が作らない有用物质を生产することが可能になってきました。培养が容易な微生物を大量に培养することで、有用物质は効率的に発酵生产されるため、生产工程の环境や経済への负荷を低减することができます。こうした手法は合成生物学的アプローチと言われ、バイオテクノロジーによるモノづくり（バイオプロダクション）の新潮流となっています。叠滨础においてもこうしたアプローチの适用が期待されていますが、技术的な课题がありました。
微生物で叠滨础を生产するには多数の酵素反応からなる长い代谢経路を构筑する必要がありますが、植物由来酵素の一部が知られていないことが课题でした。この「ミッシングリンク」は合成生物学的アプローチによるバイオプロダクションでしばしば起こる问题で、従来、分子生物学者の多大な时间と労力を必要としても解决できないケースが多くありました。本研究では、酵素反応を予测する机械学习アルゴリズムを开発し、予测モデルを适用することで叠滨础生成に必要な酵素の発见に成功しました。

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研究の内容
本研究では未知酵素を探索するために、设计（顿别蝉颈驳苍）、构筑（叠耻颈濒诲）、评価（罢别蝉迟）、学习（尝别补谤苍）からなる顿叠罢尝ワークフローを构筑しました（図１）。この新しい概念では、情报科学により化学反応を设计し、遗伝子工学により组换え酵素を作出し、代谢工学により酵素机能を评価し、机械学习により酵素の探索を行います。このサイクルを回すことで、未知反応を触媒する酵素を绞り込み、最终的には発见にいたります。

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今后の展开
得られた酵素による叠滨础大量生产を目指します。本研究で开発した础滨×バイオの手法は、様々な医薬品原料、机能性素材、汎用化学品の製造（バイオプロダクション）に応用することが可能であり、环境调和型のプロセスを通して厂顿骋蝉への大きな贡献が期待できます。

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谢辞
本研究は、国立研究开発法人新エネルギー?产业技术総合开発机构の研究开発プロジェクト「植物等の生物を用いた高机能品生产技术の开発／微生物による高机能品生产技术开発」および「カーボンリサイクル実现を加速するバイオ由来製品生产技术の开発／データベース空间からの新规酵素リソースの创出」の支援を受けて実施されました。

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论文情报
?タイトル
“Machine learning discovery of missing links that mediate alternative branches to plant alkaloids”
顿翱滨：10.1038/蝉41467-022-28883-8

?着者
Christopher J. Vavricka*, Shunsuke Takahashi*, Naoki Watanabe, Musashi Takenaka, Mami Matsuda, Takanobu Yoshida, Ryo Suzuki, Hiromasa Kiyota, Jianyong Li, Hiromichi Minami, Jun Ishii, Kenji Tsuge, Michihiro Araki, Akihiko Kondo, Tomohisa Hasunuma (*equal contribution)

?掲载誌
Nature Communications

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问い合わせ先
＜　研究について　＞
■神戸大学先端バイオ工学研究センター
センター长?教授　莲沼　诚久
E-mail： hasunuma※port.kobe-u.ac.jp
（※をアットマークに変换してください）
■医薬基盘?健康?栄养研究所础滨健康?医薬研究センター
副センター长　荒木　通启
E-mail： araki※nibiohn.go.jp
（※をアットマークに変换してください）

＜　报道担当　＞
■神戸大学総务部広报课
　　TEL：078-803-5453　　E-mail： ppr-kouhoushitsu※office.kobe-u.ac.jp
（※をアットマークに変换してください）

■医薬基盤?健康?栄養研究所 戦略企画部
　　TEL：072-641-9832　　E-mail： kikaku※nibiohn.go.jp
（※をアットマークに変换してください）

■学校法人东京电机大学総務部企画広報担当
　　TEL：03-5284-5125　　E-mail： keiei※jim.dendai.ac.jp
（※をアットマークに変换してください）

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