バイオDX：AIやロボットが牽引するバイオテクノロジー研究開発の最新動向を徹底解説

バイオDXとは何か？

バイオDX（Bio-Digital Transformation）とは、バイオテクノロジー分野において、AIやロボットといったデジタル技術を導入し、研究開発の自動化・効率化を図る取り組みを指します。この分野は、他の科学分野と比較して研究者の負担が大きいという特徴があります。

バイオテクノロジー領域が抱える課題

バイオテクノロジー研究には、いくつかの特有の課題が存在します。

• 厳格な規制と倫理審査: 許認可を得るための独自の手続きが必要であり、研究の進行を複雑にしています。

• 継続的なケアと管理: 生物や細胞の培養には、場合によっては24時間365日の体制が求められることもあります。

• 繊細な実験環境と再現性: 実験条件やサンプルのわずかな違いが結果に大きく影響するため、環境管理や再現性の確保が非常に重要です。

• 膨大なデータ量の解析: 実験データやゲノムデータは膨大であり、その解析には高度な技術と労力が必要です。

これらの課題を背景に、AIやロボットによる自動化への期待と需要が高まっています。

AI「AlphaFold」の登場とその衝撃

2018年、Google DeepMind社が発表したAI「AlphaFold」は、アミノ酸配列からタンパク質の構造を高精度かつ容易に予測できる画期的な技術でした。2022年7月には、約2億種類の既知タンパク質配列に対する構造予測が実施され、その成果は世界に大きな影響を与えました。

参考：Google DeepMind “AlphaFold reveals the structure of the protein universe”

タンパク質の構造予測は、製薬における抗体や薬剤の設計、工業における酵素の反応効率化など、バイオテクノロジーの根幹をなす要素です。従来の手法では、手間がかかり成功率も低かったのですが、「AlphaFold」はアミノ酸配列をインプットするだけで、比較的容易かつ再現性高く情報が得られます。この技術は構造予測の時間を大幅に短縮し、バイオテクノロジー領域の研究開発を加速させました。実際、「AlphaFold」の研究開発に携わった研究者は2024年のノーベル化学賞を受賞しています。すごいですね！

日本におけるバイオDX推進の動き

日本でもバイオテクノロジー研究の自動化推進は活発です。文部科学省が令和3年度戦略目標に「『バイオDX』による科学的発見の追及」を掲げたことが、国内でのバイオDX普及の大きなきっかけとなりました。

参考：文部科学省「令和3年度の戦略的創造研究推進事業の戦略目標等の決定について」

バイオDXは「AI・ビッグデータの活用を中心とした生命科学研究のデジタルトランスフォーメーション」と定義され、具体的には以下の分野でのAIやロボット活用が想定されています。

• 生命現象のモデル化

• 細胞や組織活動のリアルタイム・自動計測による生命現象の理解と利用

• 細胞内代謝システムの数理的理解と物質生産への応用

• 創薬における新規標的探索

この方針により、バイオDXはイノベーションの源泉となる基礎研究として位置づけられ、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）で本格的に推進されることになりました。

2022年4月には、広島大学が代表機関を務める「Bio-Digital Transformation（バイオDX）産学共創拠点」が、JSTの「共創の場形成支援プログラム（COI-NEXT）」に採択されました。これにより、JSTから年あたり最大3.2億円、最長10年にわたる予算支援が決定されています。

参考：Bio-Digital Transformation（バイオDX）産学共創拠点「2022-04-01：COI－NEXT本格型に昇格！」

バイオDX技術に関する研究予算の動向分析

グラント（科研費などの競争的研究資金）は、まだ論文発表に至っていない新たなアプローチや研究への資金を含んでおり、萌芽的な分野の予測に役立ちます。アスタミューゼは、キーワード出現数の年次推移を分析する「未来推定」によって、近年の技術要素の伸びを特定しています。

グラントキーワードの年次推移

図1は、2014年から2023年までの10年間における、バイオDX関連グラントの研究概要に含まれる特徴的なキーワードの年次推移を示しています。成長率（growth）は、全期間の出現回数に対する後半5年間の出現回数の割合で、1に近いほど直近に多く出現していると見なされます。

このデータからは、「atmps」（先端医療医薬品）、「organoids」（オルガノイド）、「biopharmaceutical」（バイオ医薬品）といったバイオ医薬に関するキーワードが目立ち、細胞医療の自動化への資金提供が特に活発であることが読み取れます。また、「biofoundry」（バイオファウンドリー）、「biomanufacturing」（バイオ製造）など、微生物や細胞を用いた産業に関するキーワードも確認でき、医療分野だけでなく化学などの産業分野においても、物質生産の自動化への取り組みが進められていることがわかります。

さらに、「crispr」（CRISPR遺伝子編集技術）、「base-edits」（塩基編集）、「microfluidic-enabled」（マイクロ流体支援スクリーニング）といったキーワードは、より自由度の高い遺伝子編集や生物選別といった基礎的な実験操作に関するものです。AIやロボットを活用し、実験の基本操作から根本的な改革を行い、バイオ製造の課題であった製造速度の獲得を目指した研究開発が実施されていると考えられます。

直近の研究プロジェクト事例

前述のキーワードを含む、直近の研究プロジェクト事例をいくつか紹介します。どれも興味深いですね。

• BioFoundry: A BioFoundry for Extreme & Exceptional Fungi, Archaea and Bacteria

  • 機関/企業：UC Santa Barbara 他

  • グラント名/国：NSF/米国

  • 研究期間：2024～2030年

  • 配賦額：約900万米ドル

  • 概要：高温、酸性など、通常の生物では生存が難しい環境下に生息する極限環境微生物に特化したバイオファウンドリーを設立。微生物探索とデータベース生成、遺伝子と機能の関係解析、培養を介した試作品製造の3ステップで構成され、すべてのステップにおいて機械学習支援による極限環境微生物を用いたバイオ製造の自動化を目指します。

• BIOS: The bio-intelligent DBTL cycle, a key enabler catalysing the industrial transformation towards sustainable biomanufacturing

  • 研究機関/企業：LifeGlimmer GmbH 他

  • グラント名/国：CORDIS/EU

  • 研究期間：2022～2026年

  • 配賦額：約660万米ドル

  • 概要：デジタルツインを活用したDBTLサイクルを開発。細胞・プロセスレベルの模倣モデルとAI統合により、予測精度向上を実現します。P. putida菌株による、化成品原料として知られるアクリル酸メチル生産を実験台として、バイオセンサーやバイオアクチュエーターによる双方向通信で培養の自律制御に挑戦しています。

• High-throughput ultrasound-based volumetric 3D printing for tissue engineering

  • 機関/企業：University of Münster

  • グラント名/国：CORDIS/EU

  • 研究期間：2025～2029年

  • 配賦額：約340万米ドル

  • 概要：高速体積3Dプリンティング技術と超音波粒子操作を組み合わせ、センチメートルスケールの配向性心筋構造体をハイドロゲル内に作成します。ロボットによる、超音波照射、マイクロ流体ノズル、温度制御の完全自動化に挑んでいます。

国別のグラントプロジェクト件数と配賦額の推移

図2は、2014年から2023年までのバイオDX関連グラントプロジェクトの件数が上位5か国の動向を示しています。ただし、中国はグラントデータを非公開としているため除外されており、公開直後のグラント情報にはデータベースに格納されていないものもあるため、直近の集計値は過小評価されている可能性があります。

図3は、研究プロジェクト配賦額の国別推移です。配賦金額はプロジェクト期間で均等割りし、各年度に配分して集計されています。

件数も研究配賦額も、どちらも米国が1位となっており、特に配賦額は増加傾向にあります。EUも2020年頃から件数と額を増やしていますが、米国と他国との間には大きな差が見られます。

米国におけるバイオDX推進の背景

米国では、早期からバイオテクノロジーにおける自動化が意識されてきたと考えられます。2010年から、国防高等研究計画局（DARPA）が「Living Foundries」プログラムを開始し、約1億1,000万ドルの予算を投じて、複雑な化学物質や材料を生物学的に製造するためのプラットフォーム構築を目指してきました。

参考：DARPA “DARPA Successfully Transitions Synthetic Biomanufacturing Technologies to Support National Security Objectives”

このプログラムでは、生物を用いた製造プロセスの設計・構築・試験の自動化に関する研究も対象となっており、2010年頃から米国が国家としてバイオDXを重要課題として捉えていたことがわかります。

また、2018年から2021年に活動していた人工知能国家安全保障委員会（NSCAI）から発表された「NSCAI最終報告書」では、AIと生物学が重なる領域への投資を米国政府に提言しており、バイオテクノロジーとAIの融合が成長する領域となることが予見されていたと考えられます。先見の明がありますね。

参考：NSCAI “The Final Report”

2024年には、米国議会により設立された「新興バイオテクノロジーに関する国家安全保障委員会（NSCEB）」により、「AIxBio White Paper Series」が発表されました。これまで明確になっていなかった、バイオテクノロジーとAIの融合領域に対して「AIxBio」という名前がつけられたことは、米国政府がAIとバイオテクノロジーの融合を注目領域として捉えていることの表れであり、米国がバイオDXへの研究開発への投資をこれからもリードしていくでしょう。

参考：NSCEB “AIxBio White Paper 1: Introduction to AI and Biotechnology”

さらなる分析について

本レポートでは、バイオDXに関する技術動向の一部を公開しました。さらに詳細な分析は、アスタミューゼ株式会社のコーポレートサイトで確認できます。

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アスタミューゼでは、バイオDXに限らず、さまざまな先端技術や先進領域における分析を日々行い、企業や投資家へ提供しています。最新の政府動向、研究開発グラントデータ、スタートアップ/ベンチャーデータ、特許/論文データなど、多岐にわたるデータソースを分析に用いています。これらの分析結果に基づき、R&D戦略、M&A戦略、事業戦略の構築に必要な、精度の高い中長期の将来予測や、それが自社にもたらす機会と脅威を把握することが可能です。ご興味、関心を持たれた方は、ぜひお問い合わせください。

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