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摘要：“智能（高性能）细胞”是指经过人工改造，充分利用其生产能力来制造工业产品材料和药品的细胞。通过充分利用基因组分析和基因编辑技术等手段，可以制造药品、塑料、橡胶、涂料原料、纤维、肥料、食品等产品，在制造过程中减少CO2和降低环境负荷。

关键词：智能细胞（Smart Cell）、基因组分析、基因编辑、生物经济、DBTL循环

打造智能细胞生物经济市场，聚焦细胞物质生产能力

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，并配备了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。

智能细胞是指“人为地最大化细胞的物质生产能力，优化后的细胞”。不仅仅是直接处理细胞，也有使用基因重组和基因组编辑等改变细胞的遗传信息的情况。除了直接处理细胞外，还可以利用基因重组和基因组编辑等技术来修改细胞的遗传信息。

将智能细胞纳入产品制造过程的产业群被称为“智能细胞产业”。此外，除了智能细胞之外，利用各种生物技术生产物质的举措被称为生物制造。

如果使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圈将会诞生。基于这些生物技术的整个经济活动就是“生物经济”，有望实现对环境影响较小的可持续经济活动。

从智能细胞到智能细胞产业和生物经济

根据OECD（经济合作与发展组织）的预测，到2030年，生物经济市场规模将达到1.6万亿美元（约合11.7万亿人民币）。其中，工业占39%，农林渔业占36%，卫生医疗占25%。如果达到这一规模，世界各国都制定了相应目标来努力达成，以确保经济活动的可持续发展。日本政府在2020年制定的《生物战略（市场区域政策最终版本）》中设定了到2030年将市场规模扩大至92万亿日元(约合4.42万亿人民币)的目标。

智能细胞相关四项技术的进步

智能细胞现在之所以受到关注，是因为与智能细胞相关的技术取得了巨大进步。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”以及“DNA合成”。

一、基因组分析，2000年左右，破译人类基因组需要耗费10年时间和约1亿美元，但随着下一代测序仪的出现，现在只需一天和1000美元（约合7298人民币）即可。

二、AI技术可以帮助人们理解基因组序列所揭示的含义，预测细胞具有什么功能。此外，它还可以解释细胞实验的结果，并用于推测如何改变培养条件和遗传信息，从而更有效地生产物质。

三、基因组编辑技术的一个典型例子是CRISPR·Cas9，这是一种可以在任意位置切割DNA的技术。基因组编辑技术对于进一步强化基因功能、提高生产能力至关重要。

随着化学合成方法的进步，最终四、DNA合成的成本也与基因组分析一样在过去的20年中大幅下降。

得益于这四种技术，智能细胞的研发近年来取得了巨大进展。

智能细胞创建中的DBTL循环

在生产智能细胞时，人们使用“DBTL循环”的概念，即Design（设计）、Build（构建）、Test（测试）和Learn（学习）。

DBTL循环示意图

首先选择适合生产目标物质的代谢途径，然后“设计”将生产有用物质的微生物基因组。根据基因组设计合成DNA进行基因组编辑，实际构建基因组是“构建”部分。利用该细胞进行“实验”，让AI“学习”所获得的数据，并利用它进行进一步设计的过程是DBTL循环。

DBTL循环的一个主要特点是在设计步骤中引入了信息科学。除了传统的试错外，人们还利用信息科学预测代谢途径并有效地设计基因组。关键在于如何充分利用信息科学来提高设计精度。

扩大生产过程的规模并优化同样重要

仅仅制造一个能够生产目标物质的智能细胞还不足以制造产品。还需要使用智能细胞优化生产过程。

通过智能细胞生产的目标物质要么保留在细胞内，要么释放到细胞外。为了实现物质生产技术的实用化，如果目标物质保留在智能细胞内，则需要一种破坏细胞以分离目标物质的技术；而如果目标物质释放到细胞外，则需要一种将其与培养液分离的技术。

此外，还存在扩大规模的挑战。在一般的研究室，一次可培养的培养物量最多只有几十升，但工厂化生产则需要数百至数千升的数量。由于研究室中的小规模培养条件很少能直接适用于工厂中的大规模培养，因此在扩大规模时考虑条件很重要。只有解决了这些问题，生物经济才能实现。

为了使智能细胞成为一种可在社会上使用的技术，需要提高从细胞内或培养液中分离物质的效率，优化整个制造过程以纯化分离的物质，并扩大工艺规模。产业技术综合研究所也正在积极致力于优化整个制造过程，并注重人才培养。

智能细胞的实用化实例及平台构建

实际上，已有人利用智能细胞大幅提高了生产效率。旭化成制药株式会社与日本产业技术综合研究所的项目利用智能细胞，成功地提高了一种名为“胆固醇酯酶”的酶的生产效率，该酶用作体外诊断用药品的原料，不直接用于人体。传统的育种方法只能将生产量提高约2.8倍，而利用智能细胞技术却能将其提高约30倍。因此，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效率。

人们对包括智能细胞在内的生物制造技术寄予厚望。在产业技术综合研究所（产综研），专门从事微生物探索、开发和评估的研究人员正在聚集并开始构建一个覆盖整个DBTL循环和生产过程的平台。正在北海道和筑波建立“生物制造基地”，并计划与企业合作，共同推动智能细胞技术的实用化。

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【解说】什么是智能细胞？