ビールなどの工業原料を醸造するアルゼダの合成生物学研究所の内部
アレクサンドル・ザンゲリーニは、自分の周りの世界を構成するものについて考えずにはいられない。会議室に座りながら、ザンゲリーニは壁のペンキ、テーブル、窓のブラインド、プラスチックの椅子をじっと見つめた。すべて油絵の具だ。
「世界全体は石油でできている。ただ、私たちはそれに気づいていないだけだ」と彼は言った。
合成生物学企業アルゼダのCEOであるザンゲリーニ氏の仕事は、人間社会のあらゆるものを構成する基本分子の作り方を再考することです。彼は生物を用いたプロセスに強い関心を持っています。「生物学のツールであるタンパク質は、化学者よりも化学反応を起こすのに優れています」と彼は言います。
Amazonが「何でも屋」だとすれば、Arzedaはいわば「何でも屋」のような存在だ。このスタートアップ企業は、合成生物学を駆使して工業原料（肥料からナイロン製の衣類まで、あらゆるものに使える分子）を製造しており、科学者とコンピューターエンジニアからなる35人のチームを擁している。
危機に瀕しているのは、石油に依存しない世界で人々が日用品をどのように作るかという未来だ。この逆張りのアプローチにより、アルゼダは化学コングロマリットや環境に配慮したスタートアップ企業を顧客として獲得することに成功した。しかし同時に、化学業界や、資金力に優れたギンコ・バイオワークスやザイマーゲンといった合成生物学企業との競争にも直面している。
ザンゲリーニ氏はワシントン大学タンパク質設計研究所からこの会社を設立した。同研究所はデイビッド・ベイカー教授が率いる部門で、サイラス・バイオテクノロジー、PvPバイオロジクス、A-アルファ・バイオのスピンアウトも担当している。
アルゼダ氏の課題は、産業投入物をよりクリーンに、より速く、より安価に、そしてより大規模にすることで、細胞が化学者を上回る能力を発揮できることを証明することだ。
機械学習を使った醸造
ザンゲリーニ氏がアルゼダ氏のプロセスを説明するためによく使う比喩は、ビール醸造だ。
同社は、細胞（大麦とホップ）を原料とし、酵素を用いた一連の自然のプロセス（麦芽化、糖化、発酵段階）を経て、新しいもの（ビール）を造り出しています。また、アルゼダは強力な機械学習アルゴリズムを駆使して、新しいレシピ（醸造責任者）を考案しています。
最近のアルゼダ研究室の見学中に、ザンゲリーニ氏は、次のような分子に注目することで、化学的に生成された製品の製造方法を変えていると説明しました。
- 存在しないが役に立つかもしれない
- 生産に有害である
- 少量しか見つからない
アルゼダ氏の手法は、幅広い業界から注目を集めています。シアトルに拠点を置く同社は、デュポン・パイオニア社と共同で、種子の生育を改善する酵素の開発に取り組みました。また、コッホ・インダストリーズの子会社であるインビスタ社向けに、油ではなく細胞を用いてナイロンの構成要素を製造するプロセスを考案しました。サステナブルな美容製品メーカーであるアミリスは、アルゼダ氏と共同で香水の開発に取り組みました。
このスタートアップ企業は、国立科学財団、米国農務省、国防高等研究計画局、エネルギー省など複数の政府機関からも資金提供を受けている。
遺伝子工学のことで眠れないという人にとっては、これは悪夢のような話でしょう。スタッフは、生命の技術をいじくるという行為そのものを、まるでユーモアのセンスで捉えているようです。訪問中、キッチンカウンターには「アルゼダへようこそ！ゾンビの脳みそ抜きの7日間」という看板が掲げられていました。
科学者たちは、合成生物学のツールが生物兵器の製造に利用される可能性があると指摘している。さらに、環境保護主義者たちは、アルゼダ氏がまさに破壊しようとしている化学産業を代表するコーク・インダストリーズやデュポンとの提携に反対するかもしれない。
しかし、2008年にエリック・アルトホフ博士、ダニエラ・グラブス博士、デビッド・ベイカー博士らとともに同社を設立したザンゲリーニ氏は、合成生物学は良い方向に進む力になり得ると主張する。
「この技術は実に幅広い製品に応用可能です」と彼は語った。「持続可能性、性能、あるいはより良い製品など、あらゆる面でプラスの影響を与えることを目指しています。」
クラウドでタンパク質を設計する
アルゼダの本社は、シアトルのインターベイ地区にある自動車修理工場が立ち並ぶ一角にあります。建物の裏手には、ボーイング社の機体が輸送を待つ線路が張り巡らされています。バイオテクノロジー企業とは思えないほど、この立地は場違いに思えますが、アルゼダが本質的には工業企業であることに気づくと、その魅力は一変します。
オフィスは2階に分かれており、下の階には科学者、上の階にはエンジニアとビジネスチームがいます。スタッフの約3分の1を占めるエンジニアは、下の研究室を見下ろすプラットフォームで作業しています。
アルゼダのアルゴリズムは、分子成分を作成するために細胞にタンパク質を投入する方法を考え出し、細胞をまさに微細な工場に変えます。
遺伝子の配列解析と理解における飛躍的な進歩が、Arzedaの実現に貢献しました。しかし、クラウドコンピューティングと機械学習の進歩も同様に重要であると言えるでしょう。
アルゼダのコンピューティング担当副社長、イーエン（アンドリュー）・バン氏は、同社のアルゴリズムの背後にある数学のスケールを説明しようとした。「Nの20乗に相当する計算量です。Nはタンパク質配列の長さです。」
伴はタンパク質は数百個のアミノ酸から構成されると教えてくれたが、私が数学的な意味を理解していないのは明らかだった。ザンゲリーニが口を挟んだ。「ここには宇宙に存在する原子の数よりも多くの組み合わせ配列があるんだ」
アルゼダのプロセスはGoogleマップに少し似ており、単一のルートだけでなく複数のルートを表示します。「近道を見つけたり、新しいルートを作ったりすることも可能です」と、アルゼダの計算代謝経路設計ディレクター、ルデシュ・トゥーファニー氏は述べています。
生物学は繊細なので、選択肢は重要です。コンピューターが考え出したプロセスがすべてうまくいくとは限りませんが、アルゴリズムは時間とともに改善されます。
アルゼダは自らを「タンパク質設計会社」と称していますが、設計はほんの第一歩に過ぎません。エンジニアが分子の作製方法を考案した後、階下の科学者がそれをテストする必要があります。
自家製DNA
大きめの白衣と安全ゴーグルを着けて階下に降りると、チームは DNA を操作する私たちの能力がどれほど進歩したかを説明してくれた。
まず、自分の遺伝子を作りたいなら、DNA断片のトレイをオンラインで注文できます。そして、それらの断片を組み合わせて好きな遺伝子を作りたいなら、音エネルギーを使ってDNAを丁寧に組み立てるロボットを使うことができます。
これらはどれも安価ではなく、同社がデザイナープロテインの試験に使用している質量分析計も同様です。アルゼダは2017年に1500万ドル以上を調達し、研究所の建設をはじめとする投資を可能にしました。
アルゼダがタンパク質に注目するのは、タンパク質が細胞界の働き蜂であり、常に周囲の化学組成を変化させているからです。私たちはタンパク質を使って食物を消化し、感染症と闘います。タンパク質はほとんどの生物学的製剤に含まれており、昨年FDA（米国食品医薬品局）が承認した新薬の3分の1を占めています。
試行錯誤は山積みだが、アルゼダ社は週に1万種類のタンパク質を設計、製造、試験できると述べている。成功の鍵となる配列が確立したら、いよいよ醸造に取り掛かる。
この段階で、ビールの比喩が現実のものとなります。遺伝子操作された細胞に栄養を与え、発酵させます。アルコールを生成するのではなく、工業製品に使用される原料を生成します。
最後の工程、いわゆるダウンストリームプロセスでは、化学が活躍します。アルゼダの化学者たちは、この「ビール」を実用的な製品へと変化させます。また、コスト削減のためには、自家醸造の手法を工業的な手法へと転換する必要もあります。
アルゼダが成功するには、化学業界で使用されているプロセスと同程度のコストで製造できるプロセスを開発する必要がある。数年前、藻類からバイオ燃料を製造する合成生物学の取り組みは、初期段階の投資を数多く集めた。しかし、バブルが崩壊し、そうした企業のほとんどが消滅し、投資家は警戒を強めた。
アルゼダは、より価値の高い分子、あるいは企業が開発費を負担する分子を追求することで、そうした運命を回避しようと計画している。アルゼダとこれらの企業との開発契約には、前払い金とロイヤルティが含まれており、このプロセスが軌道に乗れば大きな利益が期待できる。
ザンゲリーニは、細胞の優位性を証明することに執着しているようだ。
「150年間、私たちが作れるものは2つの制約によって制限されていました。石油から作れるか、そして化学で作れるか、という制約です」と彼は語った。「今、私たちは『化学ではなく生物学で、より優れた分子を作れるか』という問いを問うているのです」
