【研究成果】世界初、ドロップレット表現型スクリーニングシステムを開発しました ―未培養?難培養微生物の100万検体規模探索の実現へ―

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【研究成果】世界初、ドロップレット表現型スクリーニングシステムを開発しました ―未培養?難培養微生物の100万検体規模探索の実現へ―

【研究成果】世界初、ドロップレット表現型スクリーニングシステムを開発しました ―未培養?難培養微生物の100万検体規模探索の実現へ―

　狈贰顿翱の「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」(以下、本事业)の一环で、国立大学法人长冈技术科学大学(以下、长冈技科大)、国立研究开発法人产业技术総合研究所(以下、产総研)、国立大学法人広岛大学、株式会社オンチップ?バイオテクノロジーズ、株式会社ニコンソリューションズは共同で、未培养?难培养微生物を高効率に可培养化し、その中から有用な机能を持つ微生物が含まれるドロップレットを100万ドロップレット规模で探索?取得できる「ミリオンスクリーニング技术」を开発しました(図1)。
　本技術により、従来は取得が困難だった多様な生物資源へのアクセスが可能となり、バイオものづくりに必要な微生物?遺伝資源の探索を大幅に効率化できます。また、その成果を実装するシステムとして、多数のドロップレットから候補を絞り込む一次選別、画像による二次選別および回収を一連の工程として行うことが可能な「ドロップレット表現型スクリーニングシステム(Droplet Phenotypic Screening System)」を世界で初めて開発しました。
　なお、本技術の成果の一部は、2026年10月7日(水)から9日(金)までパシフィコ横浜で開催される「BioJapan 2026」に出展します。

図1　「ミリオンスクリーニング技术」の适用例
(提供：広岛大学、产総研、オンチップ?バイオテクノロジーズ)

1．背景

　近年、产业界では大気中の二酸化炭素(颁翱₂)の削减、炭素循环型社会の実现といった社会课题の解决と、持続的経済成长の両立が求められています。こうした中、バイオマス资源から植物や微生物などの生物を用いて物质を生产する技术(バイオものづくり)に注目が集まっています。バイオものづくりのプロセスは「探索?育种?培养?生产」と多段阶で构成され、上流の探索段阶で、有用遗伝子や微生物宿主などの生物资源を迅速かつ効率的に见いだすことが求められています。その一方で、产业上有用な生物资源の取得は高コストかつ高难易度であり、公司参入の障壁となっていました。
　このような背景の下、狈贰顿翱は2020年度から本事业^※1で、产业上有用な生物资源をハイスループットに取得するための技术の开発に取り组んでいます。この一环で、长冈技科大、产総研、広岛大学、オンチップ?バイオテクノロジーズ、ニコンソリューションズは、环境中に多様に存在する微生物资源や、研究开発により育种?改変した微生物を対象に、产业上有用な微生物を大规模かつ高速に探索する「ミリオンスクリーニング技术」の开発を进めてきました。

2．今回の成果

　このたび开発したミリオンスクリーニング技术により、従来は取得が困难であった多様な微生物资源の培养?分离を可能にするとともに、有用な微生物や酵素の探索を大幅に効率化しました。さらに、これらの要素技术を组み合わせ、一次选别、画像による二次选别および回収を一连の工程として行う「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」を世界で初めて^※2开発しました。ミリオンスクリーニング技术を构成する技术の详细は下记の通りです。

(1)未培养?难培养微生物の可培养化技术の开発
　环境中に存在する微生物の多くが一般的な培养条件では培养困难であり、产业上有用な微生物や遗伝子资源が未利用のまま残されている课题を解决すべく、未培养?难培养微生物の培养?分离?スクリーニング技术を开発しました(図2)。产総研および広岛大学では、微生物を1细胞ずつ、油中の微小なゲルまたは水滴(ドロップレット、直径数十?100マイクロメートル程度)に内包し、凝集した状态あるいは高密度に培养することで、环境中の微生物の最大50％程度を可培养化できることを明らかにしています^※3。
　さらに、この可培养化技术を基盘として、従来法では培养が困难であった微生物を分离株として获得する技术开発を进め、培养例が极めて限られていた系统を含む多様な未培养微生物を分离株として获得できることを実証しました^※4。加えて、高い可培养化率を保持したまま目的の机能を持つ未培养?难培养微生物を分离株として获得するため、尘惭顿技术^※5およびGMD in WODL技術^※6などのスクリーニング技术を确立しました。その応用例の一つとして、多様な抗菌物质を产生する微生物の获得に向けた研究を进めています。现在、これらの要素技术の一部について、后述の「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」との接続を进めています。

図2　本事业で开発した高い可培养化率を実现するドロップレット培养技术
(提供：広岛大学、产総研)
Gel Micro Droplet (GMD)ならびにWater in Oil Droplet (WODL)を用いた微生物の可培養化技術を開発した。GMDを凝集させて培養する、あるいはWODLを高密度に培養して微生物間相互作用を促すことで、環境中の微生物の高い可培養化率を実現した。

(2)微生物の表现型スクリーニング技术の开発
　微生物を1细胞ずつ油中のドロップレットに闭じ込め、培养と机能测定を同时に行いながら、蛍光などを指标として目的の机能を示すドロップレットを高速に选别する表现型スクリーニング技术を开発しました。ゲノム情报から机能を推定するだけでなく、生きた微生物がドロップレット内で実际に示す酵素活性、増殖、生产能力などを直接测定します。多数の微生物の中から、目的の机能を持つ微生物を表现型に基づいて选别できます。処理能力は従来のマイクロプレート法の1000倍に达します。
　长冈技科大は本技术により、大学构内の土壌から採取した环境微生物を対象に、タンパク质分解酵素(エンドペプチダーゼ)を生产する微生物の探索を実施しました(図3)。约100万个のドロップレットを6时间で解析?分取し、高い活性を示す4种の细菌を取得しました。さらに、そのうちの1株 Lysobacter soli から、ペプチド解析用に市贩されている工业用酵素の2.4倍の活性を持つ新规酵素を単离することに成功しました。従来は数か月から年単位を要した有用酵素?有用微生物の探索を、数日から週単位へ短缩できることを実証したものです^※7。
　本技术の要素技术として、ドロップレットの外へ漏れ出さず7日间以上とどまる新规の蛍光基质(反応効率は従来基质の最大4.7倍)を开発し、従来は検出が难しかった微弱な活性の検出を可能にしました。适用対象は细菌に限らず、ドロップレット培养が难しいとされてきた糸状菌の形质転换体选别(毎分8000ドロップレット、目的株の取得率96％以上)や、油脂生产酵母の「増殖」と「油脂生产」の同时评価にも展开しています。多様な微生物の「増殖」の评価のため、产総研が本事业で技术开発を行い、製品化されている「ドロップレットの中で微生物増殖を検出する试薬^※8」もこのスクリーニング技术に応用されています。

図3　本事业で开発した表现型スクリーニング技术による微生物探索と新规酵素の単离
(提供：长冈技科大)
On-chip Sort^※9を用いて约100万个のドロップレットを6时间で解析し、市贩の工业用酵素を2.4倍上回る活性を持つ新规酵素の生产菌を取得した。

(3)ドロップレット表现型スクリーニングシステムの开発
　多数のドロップレットから候补を绞り込む高速な一次选别と、取得した画像を用いる二次选别を组み合わせた「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」(図4および5)を开発しました。
　ニコンソリューションズは、ドロップレットを撮像し、画像解析と机械学习を用いた础滨判定を行うイメージングユニットを开発しました。画像情报を利用することにより、蛍光强度だけでなく、微生物の形态、ドロップレット内での増殖状态、局所的な代谢产物、分解反応などを指标に选别できます。オンチップ?バイオテクノロジーズは、一次选别装置からイメージングユニットへの送液、础滨判定结果に基づくプレートへの分注、プレートの交换および保管までを自动で行うシステム全体を开発しました。これにより、画像判定によって目的の特徴を持つドロップレットを选别するだけでなく、プレートに回収し、その后の培养や详细な解析につなげることが可能になりました。また、产総研は、蛍光を使用しない一次选别の高感度化を达成しました。现在、蛍光标识の使用が适さない试料への适用を进め、选别対象および选别指标の拡大に取り组んでいます。长冈技科大は、実际の环境试料を用いた検証に着手しており、システム全体の有効性の确认を进めています。

図4　「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」の构成
(提供：オンチップ?バイオテクノロジーズ)

　各要素技术を一连の工程として组み合わせることにより、多数の候补を高速に処理しながら、微生物が実际に示す多様な表现型を评価し、目的の微生物を回収できます。有用微生物や有用酵素の探索に加え、微生物育种や新たな生物资源の获得への活用が期待されます。

図5　「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」の外観イメージ
(提供：オンチップ?バイオテクノロジーズ)

3．今后の予定

　今后、产総研と広岛大学は未培养?难培养微生物の可培养化技术の高度化および适用対象の拡大を进めるとともに、「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」との接続を进めていきます。长冈技科大および产総研は、环境微生物探索や有用微生物の育种を通じて、本事业の成果である「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」の有効性の検証を进めます。2027年度からは、长冈技科大を中心としたスクリーニング拠点において、本事业で开発した技术のテスト运用を开始し、2027年度末にはオンチップ?バイオテクノロジーズが一次选别、画像による二次选别および回収工程を统合した「ドロップレット表现型スクリーニングシステム」の製品化を予定しています。併せて、画像による选别机能に特化した简易型システムについても、オンチップ?バイオテクノロジーズおよびニコンソリューションズの両社が製品化を计画しています。
　また、本事業で開発したミリオンスクリーニング技術の社会実装を担う企業の一つとして、2026年3月に長岡技科大発のスタートアップ「ECHIGO MICROBES 株式会社^※10」(新潟県长冈市、代表取缔役：中村彰宏)が设立されました。同社は、本技术を活用した有用微生物の探索?育种受託サービスの事业化を进めています。従来は年単位を要した有用微生物や酵素の探索?育种の効率化を図るとともに、変异导入から优良株の取得までを支援するサービス展开を目指しています。
　狈贰顿翱は2026年度末の事业终了まで、ミリオンスクリーニング技术をはじめとするバイオプロセス开発に必要な要素技术の开発を进めるとともに、バイオものづくりの研究开発拠点を整备します。事业终了后もこの拠点をハブとして、各実施者がそれぞれの强みを生かして技术の高度化と成果の社会実装を进めることで、日本のバイオエコノミーの発展に贡献することを目指します。
　なお、本技術に関連する開発成果の一部を、2026年10月7日(水)から9日(金)までパシフィコ横浜で開催される「BioJapan 2026」のNEDOブースおよび産総研ブースで紹介します。また、10月8日15時より開催するNEDOのスポンサーセミナー「微生物?酵素資源の新たな探索技術とその展開」では、ミリオンスクリーニング技術の開発成果と社会実装に向けた取り組みを紹介します。

注釈

※1 本事業
事业名：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
事业期间：2020年度～2026年度
事业概要：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

※2 世界で初めて
微小なドロップレットの中で培养した微生物を、蛍光と高精细画像の二段阶で选别し、目的ドロップレットの分注?回収までを探索に必要な100万ドロップレット规模の速度で実行できる装置は世界初です(オンチップ?バイオテクノロジーズ调べ、2026年8月时点)。
※3 可培養化できることを明らかにしています
高密度奥翱顿尝培养技术(特开2026-145057、产総研)
※4 実証しました
Suzuki et al., Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 76(7), 2026、Iwashita et al. Microbiol. Resour. Announc., 15(3), 2026、Peng et al., Microbiol. Resour. Announc., in press (2026)
※5 mMD技術
Multi-layered Microdroplet (mMD)技術(PCT/JP2024/010423、広島大学)
※6 GMD in WODL技術
GMD in WODL技術(特開2026-144793、産総研)
※7 数日から週単位へ短縮できることを実証したものです
Nakamura et al., Appl. Environ. Microbiol. 91(7), e00109-25 (2025)
※8 ドロップレットの中で微生物増殖を検出する試薬
バイオものづくりを支える微生物探索のための基盤技術を開発 -ドロップレットの中で微生物増殖を検出する試薬を製品化-

※9 On-chip Sort
オンチップ?バイオテクノロジーズ製の交换型マイクロ流路を用いるセルソーター

※10 ECHIGO MICROBES株式会社
ECHIGO MICROBES 株式会社　