2020.10.7アミリス関連（自社技術の論文）

生物学を利用したクリーンな製造業：Amyris社がどのように技術を展開し、より良いものを目指しているか

Clean manufacturing powered by biology: how Amyris has deployed technology and aims to do it better

概要
Amyris社は、合成生物学を活用した発酵製品メーカーで、2009年から新規の発酵製品を市場に投入しています。ゲノム編集、菌株の構築と試験、分析、自動化、データサイエンス、プロセス開発などの画期的な技術を駆使し、過去10年間で9種類の発酵製品を商品化してきました。これは、世界中の17の異なる製造拠点のチームとの提携によって達成されました。本稿では、Amyris社を支える技術に始まり、初期のスケールアップの経験から得られた重要な教訓、そして、より多くの製品をより早く市場に投入するために構築された技術移転の手順とシステムについてまとめています。最後に、Amyrisの製品ポートフォリオの幅は広がり続けており、現在の課題を克服するために取られているステップ（例えば、自動化されたストレインエンジニアリングは、製品の商業化のタイムラインの残りの部分を上回ることができるようになりました）について説明します。

はじめに
Amyris社は、合成生物学を活用した発酵製品メーカーであり、2009年から新規の発酵製品を市場に投入している。2003年にマラリア治療のための費用対効果の高いアルテミシニンを確実に供給することを目的として設立されたアミリス社は、現在、9種類の異なる発酵分子（ファルネセン、マヌール、ビサボロールなどのテルペノイド類、RebMなどのテルペノイド系種、および非テルペノイド系製品）を、世界中の複数のCMO（製造受託機関）パートナーとともにスケールアップして製造しています。この成果の基盤となっているのは、強力な研究開発（R&D）能力の構築に5億ドル以上を投資したことです。すなわち、設計／構築／試験のパラダイムを産業化し、菌株の生成と試験の速度を桁違いに向上させ、菌株構築の質を大幅に改善し、学習を加速するためのデータシステムを構築しました。

さらに、重要な技術革新により、これらの菌株が商業的な発酵環境で成功することができるようになりました。例えば，Amyris株のエンジニアは，製品の収量と代謝率を大幅に向上させるために，中心代謝を再プログラムする技術を開発した[1]．また、シンプルで独自性のある堅牢な遺伝子スイッチが開発され、発酵培養において細胞の生産性を数週間にわたって維持することに成功している[2]。また，ハイスループット・スクリーニング装置の能力により，効率的な酵素の発見とエンジニアリングが可能になり，それぞれの新しい生合成経路における複数の独立した酵素の触媒速度が大幅に改善され，場合によっては触媒速度が10倍以上になることもあった。工業的規模にまで成長した9つの製品のそれぞれについて、異種経路の少なくとも1つの酵素が変異導入により改良されている。したがって、プロセス開発（PD）の科学者やエンジニアにとって、このチームとの提携は、独自の発酵および下流の精製プロセスを開発し、それらを工業規模にまで拡大するという、複数の挑戦的な機会を生み出しました。

新しい低分子のターゲットは、発酵によって低コストで作られており、新分子の全クラスを収益性の高い方法で生産できるようになっています。過去10年間で、アミリスは30以上の技術移転を成功させ、3大陸の10の異なる本格的な発酵製造施設に移転しました。発酵温度で液体と固体の両方になった分子は、8つの異なる下流精製（DSP）施設で精製されました。これらのプロセスを大規模に成功させるためには何が必要なのか、そしてその技術を展開するために行われたベストプラクティスについて、多くのことがわかってきました。

新製品の開発ペースが速くなるにつれ、プロセス開発および製造部門は、リソース配分を最適化する必要性に迫られることになるでしょう。このような組織は、導入戦略について深く考える必要があり、スタートアップの課題と組織のリスク許容度とのバランスが取れた効果的なアプローチを採用するようにしなければなりません。

成功するプロセス展開戦略の重要な側面
なぜ効率的な技術移転が重要なのか？この質問に対する一つの答えは、技術移転の失敗によって完売した施設で1週間の生産ができなくなった場合の財務的な影響を見積もることです。200m3の発酵槽を6台備えた施設で1kgあたり15ドルで販売されている製品の場合、1週間の生産停止は150万ドルの売上損失になる可能性があります。したがって、迅速な技術導入を成功させる確率を最大限に高めるための投資は、多くの場合、それだけで元が取れる。

技術移転を成功させるためのアプローチについては多くのことが書かれている。これらの多くは、技術移転のハイレベルなプロセス [3,4,5,6]、つまり、成功のために利用される組織とシステムについて述べており、また、主にスケールアップや技術移転の技術的な側面に焦点を当てています [7,8,9,10,11,12]、そのうちのいくつかは、Stephen Coveyの習慣に沿った「目的を持って始める」アプローチを賢明に採用しています [13]。しかし、合成生物学革命の時代に、技術開発と技術移転のリソース最適化のバランスを取るためのアプローチを説明した著者はほとんどいませんでした。おそらく最近まで、毎年複数の新しい発酵由来の分子を製造現場に提供するという課題に日常的に直面している組織は珍しかったからでしょう。

以下のセクションでは、これらの文献の重要な側面を、過去10年間にアミリス社で得られた教訓に折り込んで、技術移転におけるリスク管理の重要な要素、すなわち、目的を念頭に置いてプロセスを開発し、適切な技術移転の哲学を採用し、技術移転に適切なレベルの資源を投入することを明確にします。

目的を意識したプロセスの開発
ラボスケールで、対象となる施設のプロセスモデルをスケールダウンして実施する
技術移転を成功させるためには、フルスケールのプロセス条件をラボスケールまたはパイロットスケールにスケールダウンするための技術を導入することが重要です。しかし、ラボスケールでフルスケールの環境を最適に表現することは、日常的に実施するには負担が大きく、リソースも必要となります。したがって、発酵開発と技術移転を成功させるためには、実験開発に段階的なアプローチを採用することができる。このアプローチでは、各段階の処理能力は低くなるが、フルスケール環境への忠実度は高くなる。例えば、菌株の評価とランク付けのための発酵に焦点を当てた第1段階では、より短い接種物開発手順を使用することができるが、製造工場で使用されるものと同じ原材料と供給アルゴリズムを使用する。次の実験段階では、以下のような大規模な発酵環境の重要な側面が組み込まれています。

本格的な接種物の品質に近づけるために、最終的な種菌培養ステージを含む、接種物の累積人口倍数と条件の一致。

平均的な温度、pH、OTR条件を一致させる。適切かつ可能であれば、空気スパージ容器の1分あたりの容量や平均的な溶存ガス分圧を一致させる。

同じ原料糖の殺菌方法を利用する。

この第2段階の発酵は、ラボやパイロットスケールで行われるスケールダウンした発酵の大部分を占める。最後に，スケールアップのリスクを最小限に抑えるため，必要に応じて追加実験（第3階層）を行い，フルスケール環境の重要な側面や，日常的に実施するには複雑すぎるプロセス制御の変動性をモデル化しています。

溶存ガスの不均一性の影響：pO2，pCO2．

表面ガス速度やガス放出ゾーンの条件に合わせた泡形成実験の増加の可能性。

商業規模での混合時間が長くなることによる液相の不均一性の影響。

プロセスの中断につながるユーティリティーの停止の影響。

上記のアプローチを実施することで、アミリス社はバブルカラムと撹拌槽リアクターの両方で発酵のスケールアップに成功し、良好な実績を築いてきました。複数の異なる製品に対する複数の発酵技術移転について、糖分に対する発酵製品収率（g製品/g糖分）または容積生産性（g製品/L/h）で測定した結果、ラボスケールでスケールダウンした発酵の平均的なパフォーマンスは、商業スケールで実行された同じ菌株とプロセスのパフォーマンスと本質的に同等であることが図1で示されています。このことは、ラボスケールでのスケールダウン発酵アプローチを検証する上で大きな意味を持ちます。

Amyrisの発酵技術移転の大半がSaccharomyces cerevisiaeを対象としたものであることは認識している。それにもかかわらず、これらのデータは、(1)発酵のスケールダウンに向けたアプローチは、どの生物に対しても技術移転の技術的リスクを最小限に抑えることができること、(2)100〜250m3の発酵スケールでの操作に関連する課題（環境の不均一性など）は、現在までにスケールアップされた9種類の分子の発酵パフォーマンスに大きな影響を与えていないようであることを示唆しています。

また、上記では取り上げていませんが、ラボスケールの大規模な発酵環境をモデル化するこの同じアプローチは、可能な限り下流の処理ユニットのオペレーションにも適用できますし、適用しなければなりません。例えば、パイロットスケールの液体-固体遠心分離の開発では、大半がパイロットスケールの遠心分離装置を使用します。シグマ・ファクター理論を用いて供給速度をスケーリングすると、上澄み液の品質をうまく予測することができます。しかし、パイロット装置とフルスケール装置の条件の違い（例えば、入口分配器のせん断力や重相の固形物処理の側面など）は、スケールアップ時に驚きを与えないように、追加の実験で評価する必要があります。同様に、蒸発、ろ過、吸着などのスケーリングの特定の側面については、より日常的なパイロット実験に加えて、スケールアップに特化した実験が必要となります。

最後に、フルスケールでのオペレーションは、パイロットスケールで通常予定されているものよりも時間がかかる場合があります。このことを理解し、スケールダウンしたモデルで（適切な温度で）待機時間や保持時間を長くした場合の影響を検証する実験を行うことが重要です。

適切な焦点を確保するために技術移転の理念を採用する
技術移転サポートを事前に整理し、スタートアップの役割と責任を明確にし、トラブルシューティングを迅速に行うための事前作業を行う。
技術移転の失敗のリスクを最小限に抑えるためには、スケールアップの技術的な面で優れているだけでは不十分です。多くの技術移転が最初に成功しなかったのは、化学工学の原理が十分に理解されず適用されなかったからではなく、重要な原材料の水和状態を間違えて注文してしまったり、監視されていないインキュベーターが適切な温度を一貫して維持できなかったりと、予期せぬ事態が発生したからです。より一般的には、プロセスやプロセス実行の重要な側面が十分に伝えられていなかったり、ダブルチェックされていなかったり、単にコントロールされていなかったりしたのです。

このような予期せぬ問題を解決するには、時間とリソースが必要です。したがって、スタートアップの段階で、コミュニケーションを可能にするシステムを構築し、効率的で迅速なトラブルシューティングを可能にすることで、準備の戦略を通じてこれらの問題を防ぐことを試みるのが最善です。このような事前計画は、戦略的な役割と責任の明確化や、リスク分析により優先順位をつけた故障モードに対するアクションプランの作成にまで発展させることができます。

技術移転に対するこのようなアプローチについては、Charles Goochee博士によるプロセス立ち上げ時のプロセス開発グループの役割についての議論が特に優れています[4]。以下では、簡潔にするために、スタートアップ・アプローチの重要な要点のみを繰り返します。しかし、おそらくこのアプローチ全体で最も重要な点は、すべての参加グループが、プロセス立ち上げの成功または失敗に対してすべての当事者が責任を負うことを承認することです。この契約は、最初のエンジニアリングランで何か問題が発生した場合に、すべての関係者がトラブルシューティングに積極的に参加するために重要となります。このような観点から、技術移転の5つのマントラが提唱されています。

1.
1. 製造業は顧客である。

製造/オペレーションチームは、最初のスタートアップの後も、製造プロセスの実行を担当します。彼らは、製品をスケジュール通りに、予測されたコストで安全に納品する責任があります。したがって、すべてのグループは、技術が移転される場合、製造グループが顧客であり、何を実装できるかの最終的な決定者であることを認識しなければなりません。スムーズなプロセス導入のためには、製造グループが精通しているプロセス技術を採用するのが一番です。したがって、プロセスの成功が危険にさらされない限り、製造グループの要求に対応することは、プロセス開発にとって最善の利益となります。

さらに、製造チームは多くの責任を負っている。例えば、オペレーションチームは、オペレーションスタッフが導入されるプロセスについて十分なトレーニングを受けていること、プロセスを受け入れる施設（設備、ユーティリティーなど）が約束通りに機能すること、新しい設備や施設の変更が最初のエンジニアリングランに間に合うように完了していることを確認する責任を負うべきである。

2.
2.プロセス開発は、プロセスに責任を持ちます。

この部門では、プロセス開発は、製品を作るためのレシピであるプロセスの「方法」、「時間」、「内容」、「理由」を定義する責任があります。この責任にはいくつかの重要な側面があります。まず第一に、PDチームは、自分たちの希望や期待ではなく、実際に建設された（あるいは建設される）施設に合わせてプロセスを設計する必要があります。そのため、ラボやパイロットのスケールダウンしたプロセスモデルは、この現実を反映したものでなければなりません。

第二に、スタートアップ時には、プロセス開発チームがプロセス固有の決定を行うべきである。製造チームは、バッチ記録や標準作業手順書に従って機器を操作しますが、プロセス定義の意図について決定を下す必要がある場合や、プロセスを適切に実行するために介入する必要がある場合には、プロセスに関する直観と判断を構築してきたPDリードが最終的な決定権を持つべきです。これは、あくまでもプロセスの立ち上げ段階での話です。

最初の2つのマントラを要約すると、プロセス開発グループが製造グループの合理的な要求に対応することは、プロセスの成功のために最善である。しかし、プロセス開発チームには、プロセスの成功に対する最終的な説明責任があります。最初の製造キャンペーンにおいて、装置が広告通りに動作し、バッチ記録が守られていれば、製造グループは自分の仕事をしたことになります。製造装置が広告通りに動作しなかったり、バッチ記録が守られなかったためにプロセスが機能しなかった場合、製造部門はこれらの問題に対して責任を負わなければなりません。一方、製造装置が予告通りに動作し、バッチ記録が守られているにもかかわらず、プロセスが期待通りに動作しない場合、プロセス開発グループは、原因と是正措置を迅速に特定するための計画を用意する責任があります。

そのためPDは、スタートアップ時に各ユニットオペレーションのデバッグプランを含むトラブルシューティング手法を構築し、スタッフを配置する責任があります。デバッグプランとは、トラブルシューティング用のサンプル、データ収集、および並行して行う実験のセットで、プロセスの問題原因を迅速に特定することができます。デバッグプランの目的の一つは、分析のための余分な情報やサンプルを事前に収集することで、プロセスの問題を切り分けるために適切なサンプルやデータを収集するために、失敗する可能性の高い別のバッチを開始しなければならないという最悪のシナリオを防ぐことです。

3.
3. 工場内で実験はしない（実験はラボやパイロットスケールで行う）。

簡単に言えば、ラボやパイロットスケールで実証されていない新しいプロセス条件を、フルスケールプロセスのスタートアップ時に試みる場合、それは実験である。スタートアップ時にそのステップのプロセス性能が期待通りにならなかった場合、その失敗が新しいプロセス条件によるものなのか、それとも他のスケールアップの問題によるものなのか、チームには不明な点が残ります。実験のコストはラボやパイロットスケールの方がはるかに低いため、スタートアップ時には、検証済みのプロセス条件のみを試すべきである。

当たり前のことのように思えるかもしれませんが、商業規模のスタートアップに先立って、第2のサイト（おそらくパイロットスケール）への技術移転を実行することで、全体的な技術移転のリスクを軽減することができるということは、述べておく価値があります。別のサイトの別のチームで技術が期待通りに機能することを実証することで、プロセスと技術移転のアプローチの堅牢性を確認することができ、その結果、フルスケールで修正を加えたいという誘惑を最小限に抑えることができます。

4.
4. 問題解決時の「ペット仮説」を避ける。

スタートアップ時に問題が発生した場合、トラブルシューティングには、チーム全体で包括的なアプローチをとることで、対応の完全性を確保することができます。著者は、他の国での技術移転の際に、仮説の作成が不完全で、並行して調査する手段がなかったために、チームが問題の原因を特定できるまで、施設が1カ月以上も放置された例を知っています。様々な意見を取り入れ、優先順位をつけ、複数の選択肢を検討することは、最善の解決策を早く見つけるための最も確実な方法です。

5.
適切なデータの収集、分析、普及のためにリスクアセスメントを活用する。

Goochee[4]が明示した上位4つのマントラに加えて、5つ目のマントラが追加されています。これは、多様なプロジェクトチームを巻き込んで、リスクアセスメントを指針とした情報収集計画をスタートアップの十分前に策定することの重要性を反映したものです。いくつかの利点を以下に挙げる。

-
施設には適切なセンサーがあり、品質管理チームには重要なデータや分析を最適な頻度で行うための適切な分析能力があることを確認することができます。なお、スタートアップ時の収集頻度は、定常運転時とは異なる可能性があります。

-
リスクアセスメントで把握された想定される故障モードは、スタートアップ時のデバッグ計画のどの側面を重視すべきかを明らかにし、確立された慣行のギャップを補う可能性があります。

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最後に、実際の結果と予測結果をリアルタイムで比較し、重要なデータを自動分析するシステムを構築することで、有用な介入策を実施するまでの時間を最小限に抑えることができます。

さらに、戦略的なデータ収集と分析を行い、社内で安全に共有することができれば、工場から離れた場所で働く専門家の貢献度を高めることができます。2020年の例にもあるように、世界的なイベントや旅行の制限により、予期せぬ形で対面での技術移転サポートが妨げられることがあります。

上記の信条を守ることで、アミリス社は、工場での最初の製造バッチでプロセス移転が成功する確率を高めた（表2）。しかし、私たちは、問題をキャッチして迅速に解決する能力を最大限に発揮できるような立ち上げ時のスタッフ配置を常に選択してきたわけではありません。これは、展開戦略の最後の側面に関連しており、すべての組織が直面しているリソースの制約を認識しています。

適切なレベルのリソースを技術移転に投入する
PDサポートのレベルを組織のリスク許容度に合わせること
Goochee博士の提言[4]によると、典型的な発酵プロセスに3〜5段階のDSPプロセスを組み合わせた場合、スタートアップ前の6ヶ月間とスタートアップのための1ヶ月間に、10数名のプロセス開発スタッフが必要になるという。これらのスタッフはプロセスの開発に専念するのではなく、技術移転を成功させるためのプロセスに専念することになります。

このような取り組みにはコストがかからないわけではありません。ほとんどのリスク低減活動を完了すれば、目標とするプラントの性能を達成するために必要な期間を最小限に抑えることができますが、200万ドル以上のコストがかかる可能性があります（脚注2）。これは、産業用微生物の分野で技術移転を行う際の大きなコミットメントです。したがって、組織のリスク許容度と技術移転に伴う労力とのバランスを考慮して、この戦略のバランスをとることが適切であろう。

Amyrisは過去10年間に30件以上の技術移転を行ってきましたが、それらの技術移転の中には、失敗のリスクを自然に軽減するものもありました。

プラットフォームとなる発酵プロセスや下流の精製プロセス（製品ごとにわずかな違いしかない）を可能な限り開発し、製造現場における製品間の複雑さを最小限に抑えました。

同じ製品が複数の製造拠点で生産されることが多く（事業継続のためのベストプラクティスでもある）、新しい製造拠点でのプロセス性能をサポートするために何が必要かを十分に理解することができる。

新製品は、以前から使用していた製造拠点に導入され、これまでの移管による信頼関係、コミュニケーション、設備の理解を基にしていました。

しかし、製品ポートフォリオの拡大に伴い、必要とされる個々のDSPプロセスも多様化し、すべての製造拠点が同じDSP能力を持っているわけではないため、製造グループの数を増やす必要がありました。

これらの評価に基づき、時間の経過とともに、製品ごとの技術移転にかかる労力は減少してきましたが、リスクは増加しています。リソースを最適化するために、プロセス移管の複雑さに伴うリスクと、スケールアップ/スタートアップ支援の労力の大きさを一致させるよう努めています（表1）。

2013年に3つ目の発酵分子の立ち上げに成功して以来、本格的な製造への技術移転が21件完了しており、技術移転の期待値を満たすために必要なバッチ数が比較的少なかったことから判断して、その大半が成功しています（表2）。繰り返しになりますが、上記の展開理念のマントラを可能な限り遵守し、ラボおよびパイロット実験を適切に実行することで、最適な人員配置に伴うリスクを最小限に抑えることができます。

技術移転のスタッフについて最後に考えてみましょう。技術移転を実行する際の標準的な方法は、本番稼働の前に1〜2回の「エンジニアリングラン」を行うことです。これは、オペレーションチームが新しいプロセスを完全に習得し、機器の操作を最適化するための時間を、製品の大量生産を開始する前に確保するためです。しかし、今日の現実では、顧客に製品を提供するための時間とコストに対するプレッシャーが高まり、製品提供サイクルが縮小し続けているため、組織は最初のエンジニアリングランから販売可能な材料を提供することを期待し始めるかもしれない。さらに、他社とは対照的に、Amyrisはしばしば市場投入までの時間を最短にすることを優先する市場投入戦略を採用しています（市場に投入して需要を増加させるため）が、時には最初の製造キャンペーンでのマージンを最大にすることを犠牲にしています。これらの要因は明らかに追加のリスクを伴うため、可能な限り積極的なデバッグにリソースを割く必要があります。

以下のケーススタディは、技術移転サポートのリソースをリスクベースの人員配置に移行する際に直面するいくつかの課題を説明するのに役立ちます。最初のケーススタディでは、Amyrisがこのアプローチを実施し始めたときに完了した技術移転の1つについて説明し、続く2つのケーススタディでは、新規製品や「マイナー」な変更の実施にこのアプローチを適用した場合の課題を明らかにしています。

ケーススタディ
ケーススタディ1：ファルネセンの新菌株と新しい発酵プロセス
ブラジルのブロタス工場は2012年末に開設され、ファルネセンの発酵・回収技術のスタートアップは、以下のようなプロセス開発の全面的なサポートを受けて行われた（マントラ2：プロセス開発はプロセスに責任を持つ）。

PDスタッフが24時間体制で工場に常駐。

余分なサンプルやデータの収集を含め、完全なデバッグプランを実施した。

PDスタッフが2リットルの発酵槽を並行して配置し、迅速なトラブルシューティングを可能にした。

初期の機器の問題がいくつか克服された後、フルスケールの発酵槽は、ラボスケールとパイロットスケールのパフォーマンスに基づいて予想された通りの性能を発揮し、技術移転の成功が検証されました。その後の新しい菌株やプロセス技術の移転も順調に進み、前述したように技術移転のリソースにおけるトレードオフをより深く検討することになりました。アミリスが取り組み、スケールアップしている製品のポートフォリオは同時に拡大していたため、リソースへのプレッシャーが大きくなり、技術移転のリソースを戦略的に減少させるようになりました。具体的には、その後のファルネセンの技術移転では、「Full Court Press」から「Lean」へとサポートをシフトし、現場での並行実験をほとんどなくしました。

2014年には、ラボスケールでの生産性能が大幅に向上したファルネセン菌株が実験室で確認された。しかし、この菌株を用いた発酵は、ラボスケールでは「気難しい」とプロセス開発担当者に言われた。具体的には、低頻度で培養時間を変化させると、発酵性能が急激に低下し、培養が実質的に失速して「プッツン」してしまうため、早めに収穫する必要があった。さらに問題を複雑にしたのは、この施設での製造可能な期間を満たすために、チームは典型的な開発チェックポイントのいくつかを回避したことです。例えば、新しい菌株と発酵技術は、ブラジルのパイロットプラントで実証することが一般的に求められていますが、これは技術のダブルチェックと、ブロータスの施設でスタートアップする前に製造スタッフをトレーニングする機会を提供するためです。しかし、スケジュールの都合上、このステップは省略されました。

そのため、本格的な高性能化の実現に向けて、技術移転チームはいつも以上に緊張感を持っていた。技術移転プロセスの完成度が低く、デバッグ計画も軽かったことに加えて、気難しい系統が移転に適しているのか？インフォーマルなリスク評価を行った結果、技術移転先はその製品を製造したことのある施設であり、そこのスタッフは一般的なプロセスに精通しているため、チームは安心することができた。さらに、その施設では以前の菌株と発酵方法に戻る可能性があることも認識されていたため、他の多くの技術移転とは異なり、技術移転の失敗に伴うコストに対するヘッジが組み込まれていた。

スタートアップ時には、6つの生産用発酵槽のうち2つの槽で新しい菌株と発酵技術が開始されました（他の4つの槽では以前の技術を継続）。新菌株の最後の種菌段階では、エタノールが過剰に蓄積し、培養物の成長が悪くなるなど、苦戦の兆しが見られました。本番用の発酵槽に接種した後、両方の培養物が失速し、成長が非常に悪いか、まったく成長しなかったため、非常にがっかりしました。

最初のトラブルシューティングでは、原材料や設定値など、すべてを再確認しましたが、プロセスの実行に違いは見られませんでした。並行してトラブルシューティングの実験を行わなかったため、正しい問題点を迅速に特定することができませんでした。そのため、原因となりうるものが多数存在し、製造チームが以前の技術で操業を再開している間に、技術移転チームは努力を大幅に強化し、追加のリソースを呼ばなければなりませんでした。

あらゆる選択肢を検討するために、学際的なグループが参加しました（マントラ4：持論を持たない）。数日のうちに、優先順位をつけながらもアイデアを捨てずに幅広い並行した活動が開始され、その後数週間でいくつかの重要な機会が特定されました。

R&Dと発酵PDは、より丈夫な菌株のスクリーニングを考案し、いくつかの代替菌株を発見した。

発酵PDは、ラボスケールでの "プティング "現象を解消する、より堅牢な培養液を特定することができた。

エンジニアリングチームと協力して、培養にかかるストレスを軽減する条件で発酵を行うことができると判断した（Mantra #2 Process Development is responsible for the process-design the process as the plant exists!

その4カ月後、さらに性能の高い改良型の菌株と発酵プロセスの導入に成功した。

このストレスの多い時期から多くのことを学びました。フルコートプレス "から "リーン "技術移転サポートへのシフトは、積極的でリスクが高く、過去の技術移転の成功からくる思い上がりもあって、明確な警告のサインが無視されました。トラブルシューティングのためにリソースの大幅な転用が必要となり、他のプロジェクトにも悪影響を及ぼしました。また、解決策を提示するまでの数ヶ月間、生産施設ではより良いパフォーマンスの発酵を行うことができませんでした。

とはいえ、今回の移設では、失敗してもある程度の緩和策があると評価していました。また、非常にインパクトのある技術的教訓も得られました。このように、短期的な失敗を経験することで、長期的にはより多くのものを得ることができましたが、今後の技術移転では純然たる利益を期待すべきではないことも明らかであり、したがって、技術移転のリスクと失敗の影響のバランスをより慎重に検討し、技術移転サポートのための資金調達をより慎重に行う必要がありました。

予備の菌株と発酵技術があれば、迅速に展開でき、最初の失敗の影響を最小限に抑えることができることは明らかでした。これは、初めて施設でプロセスを立ち上げる場合には、確かにそうではありません。次のケーススタディでは、そのようなスタートアップでのチャレンジから学んだことを紹介します。

ケーススタディ2：新製品の立ち上げ
スケールアップする4番目の発酵製品は、ユニークな特性の組み合わせを持っています。それは、いくつかの発酵条件下ではほぼ中性浮力を持ち、不溶性の固体であることです。この製品をバイオマスやその他の不溶性固形物から分離するために、生産工場での設備投資を最小限に抑えながら、コスト効率がよく堅牢なプロセスを開発するには、いくつかの工夫が必要だった。

そのための最も直接的なアプローチは、ある分離技術の動作を分離のニーズに合わせて変更することでした。このプロセスは、ラボやパイロットスケールで効果的であることが実証されました。さらに、チームは専門のコンサルタントを雇い、このアプローチが成功する可能性は十分にあるが、彼らの経験ではフルスケールでの実証がなされていないため、保証はできないという意見に同意した。

しかし、マニュファクチャリングチームとの話し合いでは、このような前例がないことに不安を感じていました。そこでプロセス開発チームは、製造業が顧客であることを踏まえ、別の機器を使ったバックアップアプローチを設計した。このアプローチでは、工場の処理能力が半分になり、製品コストが上昇し、工場での作業時間が増えることになるが、このバックアップは、斬新なアプローチがスケールアップできなかった場合に、すぐに実行できるものである。

しかし、スタートアップの前に、いくつかの問題が発生した。前回のキャンペーンが終了したことで入手できた実物大の装置を使ったテストでは、さまざまな結果が出た。これは実際のプロセスの結果を予見させるものであった。工夫を凝らした改造を行っても、実物大の装置ではパイロットスケールで観察されたのと同じプロセス性能は得られなかった。そのため、バックアップ・アプローチを実施し、技術移転を成功させましたが、スループットは半分になってしまいました。

アフターアクションレビューの中で、チームは技術移転の理念を振り返った。プロセス開発者は、実際に存在するプラントに合わせてプロセスを設計するために、実物大の機器や設備を深く理解しなければならない（マントラ2）。今回の技術移転はユニークなケースでした。正式なリスクアセスメントを行わなくても、バックアッププランが必要であることは明らかでした。このような計画があったからこそ、技術移転の取り組みは比較的成功したのです。

最後にご紹介するのは、やはり下流工程での事例です。このケースでは、スタートアップのためにわずかな変更を導入するだけで、基本的には前回のキャンペーンからオペレーションを最適化していました。しかし、このような比較的リスクの低いシナリオであっても、技術移転に焦点を当てた慎重なアプローチが必要でした。

ケーススタディ3。中間ホールドポイントでの予期せぬ製品の劣化
2018年の秋、7番目の発酵分子の新しいキャンペーンが始まっていました。上流の発酵と製品の分離ステップは前回のキャンペーンとほぼ同じで、下流の精製エリアでは、新しい計測器、プラントモニタリングシステム、追加のタンクスペース、オペレーションチームのトレーニングなどに多額の投資を行ったことが功を奏しました。これらのことから、今になってみれば、不適切な自信と自己満足があったかもしれません。一般的に、このキャンペーンをサポートするPDチームは、技術移転のサポート、ラボやパイロットスケールでの他のプロセス開発のサポートなど、複数の仕事をこなしていました。

今回のキャンペーンに向けて大きな注目を集めた問題の一つが、粗製の中間体のpH仕様でした。前回のキャンペーンでは、在庫として保有していた中間体に微生物の分解による製品ロスが見られました。当時、下流工程の処理能力は、上流工程の処理能力に合わせて完全にデボトルネック化されていませんでした。そのため、新しいキャンペーンでは、劣化による損失を最小限に抑えることが最大の課題となっていた。

実験室での安定性試験では、中間粗製品を高いpHに保つことで、最終製品の品質特性に影響を与えることなく微生物の分解を抑制できることが明らかになった。しかし，インラインのpH制御ステップの精度は低く，微生物汚染からの保護とオペレーションの中断を確実にするために，技術移転文書では，微生物の成長を阻害するために必要な最小pHよりも1.5ユニット上のpHセットポイントを指定し，このステップでは±1.5というかなり広いpH範囲を許容した．

キャンペーンでは、精製作業は順調にスタートしました。しかし、分析データが入手できるようになると（Mantra #5 ）、製品の力価が予想よりも低くなった。技術移転チームは複数の調査を行い、微生物の増殖や非代表的なサンプリングをすぐに除外しました。同時に、詳細なクロマトグラフィー分析の結果、この段階では通常見られない高濃度の分解生成物が検出された。 流入河川のpHを測定したところ、粗生成物のpHは技術的には技術移転文書で認められた範囲内であったが、実験室およびパイロット試験の大部分が実施されたレベルをはるかに超えていた。そのため、化学物質の劣化を防ぐことが重要になった。

このキャンペーンをサポートするPDチームは、迅速に安定性テストを開始し、製造スケールでの粗製品のpHと温度の履歴により、数日のうちに実際に許容できないほど高い副産物が生成されることを確認しました。pHの制御をより低いレベルにした後、上流域から排出される原油のpHは低下し、pH制御システムの精度がよりよく理解されるようになった。

オペレーションチームとPDチームの迅速な対応により、このキャンペーンの初期段階で発生した製品ロスは最小限に抑えられた。しかし、この技術移転の経験は、「工場内では実験をしない」というマントラ3の重要な補強となった。技術移転文書で指定された許容pH範囲の上限は、パイロットはおろかラボスケールでさえも検証されていませんでした。既知のリスク（微生物汚染）を軽減するために、新たなリスク（化学的劣化）を発生させてしまいましたが、幸いにもその場で軽減することができました。

この経験は、装置を念頭に置いてプロセスを設計することを思い出させてくれました（マントラ2）。この哲学を実践するための最初のステップは、利用可能な機器の限界を正しく理解することです。このケースでは、既存のハードウェアが粗製品のpHを許容範囲内に制御する能力を十分に備えていることが最終的に明らかになりました。もしオペレーションチームとPDチームがキャンペーン前にこの限界を数値化していたら、初期の劣化による損失を完全に回避できたかもしれません。

今後の課題
分子の本格的な製造が可能になるペースは、今後も加速していくものと思われます。過去10年間に蓄積された菌株構築の自動化への大規模な投資と菌株工学の進歩により、Amyris社をはじめとする企業は、商業的に価値のある発酵性能を実現するペースを急速に速めることができます。例えば、10年前、アミリス社はアモルファジエン発酵で40g/Lを超えるのに3年かかりました。

一方、数年前には、菌株エンジニアリングチームは、9ヶ月で40g/L以上、最大理論収率の30%の異なる製品を作る菌株を作ることができました。当社の迅速なプロセス開発と効率的な技術移転と相まって、このプロセスは、菌株エンジニアリングの開始から12ヶ月以内に本格的な製造に移されました。さらに最近では、別の新規製品を商業的に実行可能な性能で生産する菌株をわずか4ヵ月で作製し、発酵を延長することで最大理論収量の50％を達成することができました。

追求するすべての製品に当てはまるわけではありませんが、菌株工学の成功が加速していることで、製品開発機器の下流側にもスピードが求められています。さらに、「Mgs to Kgs」（M2K）プログラムの結果、アミリス社は現在、数百種類の異なる分子を作る菌株を保有しており（図2参照）、多種多様なクラスの天然物を作る菌株へのアクセスがさらに拡大しています。

そのため、技術移転のためのリソースを最適化することに加えて、企業は、発酵、DSP、分析プロセスの開発を加速させ、製品を適切なペースで市場に投入するための規制面でのアプローチを合理化する必要があります。技術成熟のスピードは、成長する企業にとって他の結果をもたらし、製造拠点での設備投資のペースにまで影響を与えます。例えば、最近の新製品では、菌株工学と発酵プロセス開発チームが1年で発酵性能を4倍にすることができましたが、製造現場では予定よりも何カ月も早く多額の設備投資が必要になりました。

下流のプロセス開発を加速させるという意味では、一次清澄化以降のステップで、同じ分子クラスに属する複数の分子に使用できるプラットフォーム開発アプローチを可能な限り構築することが効率的です。同様に、菌株工学がまだ初期段階にある場合、可能であれば将来の発酵ブロスをシミュレートして構築することも有効です。吸着剤や溶媒のスクリーニングのようないくつかの単位操作は、ハイスループットの開発アプローチに適していますが、より高いスループットのツールを構築する必要があります。このような実験の一部を自動化・小型化できれば、より多くの実験スペースを迅速にカバーできるようになるだけでなく、DSPの開発をより早期に開始できるようになるかもしれません（例えば、0.25Lの発酵槽の段階で）。

分析面では、製品の不純物をより迅速に特定して測定する能力がますます重要になるでしょう。特に、標的分子に分子的に類似した種（宿主生物に由来するものであれ、上流の経路の中間体であれ、最終製品の変種であれ）が最も重要となるでしょう。

市場投入までの時間を短縮してビジネスを成功させるには、薬事業務と商業資源をビジネスプランに統合することが必要である。事業戦略では、薬事活動を企業の製品イノベーションや企業の成功要因に合わせる必要がある。薬事チームは、単に規制要件の知識を持つだけでなく、以下のことが必要である。

法規制の背景と意図を熟知していること。

規制当局や外部の専門家と効果的にコミュニケーションをとる。

書かれた規制の中にある合法的な機会を特定する。

レギュラトリー戦略は、科学、EH&S、製造、規制・法律、ビジネスの専門家からなるクロスファンクショナルチームの協力を得なければなりません。そして最後に、このチームは、プロジェクトマネジメントシステムを使って重要なマイルストーンを特定し、追跡し、達成する権限と責任を与えられ、よく連携している経営陣に定期的に報告しなければなりません。

おわりに
多くの場合，ひずみエンジニアリングのペースは加速し続けており，もはや製品を市場に投入するための速度を制限するものではなくなっています．技術の展開は、プロセス開発システムが将来の現場をスケールダウンして効果的に試験を行い、関係するグループが効果的な技術展開の理念を取り入れ、技術移転チームが組織のリスク許容度に合わせて適切なリソースをスタートアップの取り組みに投入すれば、効率的かつ迅速に行うことができます。

下流工程と分析開発の能力を向上させ、規制当局の開発を円滑に進めることは、製品を迅速に市場に投入するための重要な能力です。

備考
1.
10日間の発酵で平均1g/L/hの体積生産性、70%のDSP収率、15ドル/kgの純製品コストを想定すると、約1350万ドルの収益の遅延または損失が発生します。さらに15万ドルは、施設の固定費として見積もられています。

2.
例えば、12人のフルタイム従業員×7ヶ月で、フルタイム従業員1人あたり30万ドルをフルに投入した場合。