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AI統合型DBTLワークフロー

統合型のDesign-Build-Test-Learn(DBTL)最適化サイクルにより、酵素エンジニアリングを加速します。

なぜDBTLなのか?

Design-Build-Test-Learnサイクルは、酵素エンジニアリングの中核となる推進エンジンです。各反復で得られる知見は次の反復に反映されるべきですが、従来の運用ではこの潜在力を十分に引き出せていません。

1. 反復の遅延: 実験チームと計算チーム間の手作業によるデータ受け渡しがボトルネックとなります。設計の提出から結果の検証完了までに数週間を要し、次世代設計の並行処理が行われません。

2. 工程間の分断: 前ラウンドのデータに十分アクセスできないまま設計判断が行われます。計算モデルと実験チームがサイロ化して運用され、同じ失敗を繰り返し、既知の示唆を再発見することになります。

3. データの断片化: スクリーニング結果、速度論データ、配列情報が分断された形式で蓄積されます。過去プロジェクトは将来の最適化に再利用可能な学習シグナルを提供できません。

AI強化DBTLは、この断片化したプロセスを継続的学習システムへと転換します。

  • 継続的学習:各実験結果が予測モデルをリアルタイムで更新し、サイクルを通じて設計精度を段階的に向上させます
  • より高度な反復:モデルが、どの変異が成功し、どれが失敗し、その理由は何かを特定し、プロジェクトや酵素ファミリーを横断して機序に基づく知見を移転します
  • 開発サイクルの短縮:Design/Build/Test工程の並行処理により反復時間を圧縮します。一般的なプロジェクトでは、従来ワークフローの8~12サイクルではなく、3~4サイクルで目標性能に到達します

従来型Design-Build-Test-Learn(DBTL)サイクル vs. AI統合DBTLサイクル

Conventional DBTL Cycle

従来型DBTLサイクル

AI-Integrated DBTL Cycle

AI統合DBTLサイクル

AI統合DBTLプラットフォーム

本プラットフォームは、各工程が手作業の引き継ぎ遅延なく次工程へ連結される、クローズドループのフィードバック機構として稼働します。

AI-Integrated DBTL Platform

Design: 計算モデルが、配列・構造・進化解析に基づき変異を提案します。予測には、当該プロジェクトの既存実験データおよび関連する過去データセットの全てが組み込まれます。

Build: 自動化されたコンストラクト作製および配列検証により、バリアントライブラリーを合成します。ライブラリー構成は予測ヒット密度に基づき最適化され、低確率バリアントの過剰合成を回避します。

Test: 標準化アッセイにより、プロセス関連条件下で目的特性を測定します。スクリーニングは高信頼度設計を優先しつつ、モデルの適用範囲(境界)を検証する探索的バリアントの評価余力も確保します。

Learn: 実験結果によりMLモデルの重みを更新し、ホットスポット定義を精緻化し、系統的な予測誤差を同定します。精緻化されたモデルは、手作業のデータ移管や解析遅延なしに、直ちに次のDesignサイクルへ反映されます。

このフィードバックループこそが決定的な差異です。従来のDBTLは各サイクルを独立したプロジェクトとして扱いますが、AI統合DBTLはキャンペーン全体を、知能が蓄積される単一の継続的最適化として扱います。

ワークフロー統合

計算モデリング

全ての設計判断は、不確かさ(不確実性)推定を明示した予測モデルに基づきます。モデルは、酵素ファミリー、目的特性、利用可能データに応じて選定・統合します。機序的根拠のないブラックボックス予測は採用しません。

ウェットラボ検証

実験工程は、完全なトレーサビリティを担保した標準化プロトコルの下で運用されます。結果は構造化形式で取得され、モデル更新へ直接投入されるため、転記ミスおよび解釈遅延を排除します。

反復最適化

サイクルは、プロジェクト目標の達成または収益逓減(限界効果の低下)が検出されるまで自動的に進行します。進捗指標は継続的に報告され、モデル信頼度および予測精度トレンドを透明性高く共有します。

適用領域

酵素最適化

活性・安定性・発現の段階的改良を通じた、産業用バイオ触媒の多特性同時向上

合成生物学

フラックスの均衡化と代謝ボトルネック回避のため、速度論パラメータを協調的に最適化する経路酵素エンジニアリング

バイオ触媒開発

最適化目標に製造適性(製造性)を組み込み、野生型または市販酵素をプロセス適用可能な触媒へ転換

統合ウェットラボ支援

当社のAI統合DBTLワークフローは、ライブラリー作製、組換えタンパク質発現、酵素特性評価、ハイスループットスクリーニング、ならびに継続的な酵素エンジニアリング改善のための反復最適化ワークフローを含む、実験的Design-Build-Test-Learnサイクルと組み合わせて提供可能です。

よくあるご質問(FAQ)

  • Q: AIはDBTLの効率をどのように改善しますか?

    A: AIはサイクル時間を短縮し、各サイクルあたりの進捗を向上させます。予測モデルにより、実験評価が必要なバリアント数を90%以上削減できます。継続的学習により各サイクルが前サイクルの成果に基づいて積み上がり、同じ誤りの反復を回避しつつ最適解へ段階的に収束します。一般的なプロジェクトでは、従来の分断されたワークフローの8~12サイクルに対し、3~4サイクルで目標性能に到達します。
  • Q: DBTLワークフローは指向性進化を支援できますか?

    A: はい。指向性進化は、Design工程でランダム変異導入またはフォーカス変異導入を重視するDBTLの特定適用形態です。当社プラットフォームは、従来型の指向性進化(AI強化スクリーニングおよび学習を付加)と、完全合理設計(MLにより変異選択を誘導)の双方を支援します。ワークフローは、プロジェクトの出発点および最適化方針に応じて適応します。
  • Q: ウェットラボ支援は提供していますか?

    A: はい。本プラットフォームには、発現コンストラクト作製、異種発現、精製、速度論的特性評価、安定性プロファイリング、分析的検証を含む、実験の一括実施が含まれます。計算チームと実験チームは、共通のプロジェクトマネジメントと継続的データフローの下で統合ユニットとして運用されます。
  • Q: 複数サイクル後にプロジェクトが停滞した場合はどうなりますか?

    A: 停滞検知はプラットフォームに組み込まれています。進捗指標が収益逓減を示す場合、モデル予測と実験結果を対比し、活性部位幾何の制約、安定性の上限、発現ボトルネックといった根本制約を特定します。透明性の高い報告により、目標の見直し、代替スキャフォールドの選定、またはプロジェクト終結について、根拠に基づく意思決定が可能になります。
  • Q: 過去プロジェクトの履歴データは新規キャンペーンの改善に活用できますか?

    A: はい。Learn工程により、プラットフォーム全プロジェクトにわたる知見が蓄積されます。酵素ファミリー特異的モデル、変異効果データベース、失敗モードライブラリーが、新規キャンペーンへ知見を移転します。クライアントが保有する独自の履歴データについても、適切な機密保持措置の下でカスタムモデルに反映可能です。
  • Q: DBTLキャンペーン全体の標準的なタイムラインはどの程度ですか?

    A: 標準プロジェクト(3~4サイクル)で4~6か月です。多特性の複雑最適化や新規酵素ファミリーでは8~10か月に延長する場合があります。優先ターゲット向けに、サイクル時間を圧縮した短納期オプションも提供しています。

References:

  1. Chen J, Singh N, Lu J, Lane ST, Zhao H. Artificial intelligence–powered biofoundries for protein engineering and metabolic engineering. Current Opinion in Biotechnology. 2025;96:103380. doi:10.1016/j.copbio.2025.103380

研究および産業用途にのみご使用ください。個人医療用途には適していません。一部の食品グレード製品は、食品および関連用途における処方開発に適しています。

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