据科技日报报道，美国南加州大学研究人员12月20日发表在《自然·通讯》杂志上的一篇文章显示，研究人员发明了一项突破性新技术，或彻底改变合成生物学领域。该方法被称为克隆重编程和组装平铺天然基因组DNA（CReATiNG），为构建合成染色体提供了一种更简单且更具成本效益的方法。它可显著推进基因工程，并推动医学、生物技术、生物燃料生产甚至太空探索领域的进步。
到底什么是合成生物？
简单来说，合成生物就是人类利用工程学的方法将一系列基因组件设计、组合，像组装汽车一样一步步构建零部件、再拼装组合，最终制造出满足人类需求的生物体。作为一项底层技术，合成生物跨学科、跨行业，应用场景广泛，可应用在医药、农业、能源、消费品等领域。而最近南加州大学研究人员的发现，更是让合成生物大规模低成本商业化成为可能。
合成生物市场有多大？
据CBInsights统计数据显示，全球合成生物学市场规模在2019年达到53亿美元，2020年达到68亿美元，并预计到2024年合成生物学市场规模将增长至189亿美元，年复合增长率达29.1%。从当前市场分布看，占比最高的依次为医疗健康、科学研究和化学工业。其中，中国作为全球合成生物学的重要市场之一，预计2025年合成生物学市场规模有望突破70亿美元。
依据CBInsights预测，消费品在2019年到2024年的复合增长率约为43.9%，农业约为64.2%，食品约为64.6%，化工领域约为27.5%，研究约为21.7%，医疗健康领域约为18.9%。
合成生物产业链投资机会有哪些？
从产业链角度来划分合成生物产业链，上游为各类技术赋能公司，下游为各类产品应用型公司。
技术赋能公司主要为合成生物行业提供关键的技术及产品支持，例如DNA测序、合成、基因编辑等生物合成所必须的生产资料与技术能力。
产品应用公司主要在具有所涉及的菌种和基因等技术研发能力以外，还要有能商业化的能力，例如工业化学品、医疗、食品、材料等多个行业。
专家认为，合成生物产业未来生机无限，当前产业序幕才刚刚拉开。中国的优势在于拥有庞大的市场和完备的供应链，且多年深耕发酵领域，具备领先的发酵技术和中试能力，是各种氨基酸、维生素、医用原料等生物材料的最大生产国。
同时，专家们认为，中国对合成生物领域的重视程度超过美国，并具有生物制造基础，“将来中国生物制造企业将有机会跑在世界前列”。
生物制造及合成生物或将提速
1. 催化事件
在 4 月 26 日的 2024 中关村论坛年会上，北京化工大学校长、中国工程院院士谭天伟提到——目前由发改委牵头，工信部和科技部等国家部委正在联合研制国家生物技术和生物制造行动计划，并且有望在近期出台，“生物制造+”是其中的关键内容。
2. 政策加持
国家及地方层面政策频繁落地， 生物制造产业化有望加速近年来，生物制造相关政策频发， 2022 年国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》推动合成生物学技术创新。 2023 年以来，全国多地发布合成生物产业高质量发展的专项政策文件加速生物制造产业化。中央经济工作会议&2024政府工作报告提出“以科技创新引领现代化产业体系建设”为首要任务，即发展新质生产力，其中重点提及了“打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业，开辟量子、生命科学等未来产业新赛道”。《关于推动未来产业创新发展的实施意见》明确提出加快细胞和基因技术、合成生物、生物育种等前沿技术产业化，推动 5G/6G、元宇宙、人工智能等技术赋能新型医疗服务，研发融合数字孪生、脑机交互等先进技术的高端医疗装备和健康用品。此外， 4 月14 日上海合成生物学创新中心在张江正式揭牌成立，此前上海市政府于去年 9月发布了《加快合成生物创新策源 打造高端生物制造产业集群行动方案(2023-2025)》。
生物制造被视作新质生产力非常重要的新赛道和新业态， 政策端持续推进生物制造产业化落地，而有望于近期出台的， 由发改委牵头，工信部和科技部等国家部委正在联合研制国家生物技术和生物制造行动计划， 有望进一步加快生物制造产业化落地速度。
3. 生物制造
生物制造主要以合成生物学、基因工程等创新生物技术为基础，利用廉价原料，以菌种、细胞、酶为制造工厂，规模化发酵获得目标产品。未来，依赖于传统化工、植物提取获得产品的生产方式将逐步被从传统生物发酵升级后的生物制造方式所替代，有望打开万亿规模的市场空间。 根据 OECD 发布的《面向 2030 生物经济施政纲领》战略报告，全球有超过 4 万亿美元的产品通过化工方法生产，预计到 2030 年，至少有 20%的石油化工产品可被生物基化学品替代，市场空间约为 8000 亿美元，目前的替代率不到5%， 存在约 6000 亿美元的提升空间；根据 2023 年《全球及中国植物提取物行业分析报告》， 2021 年全球植物提取行业总规模达到 300 亿美元， 预计中国市场 2028 年将达到 800 亿元， 未来通过生物制造法替代植物提取，实现降本增效， 有望打开下游市场。而目前在国内高校及研究所的助力下，生物平台已取得长足进步，模式底盘细胞的开发及驯化得到快速发展，叠加政策支持，各地区以项目资助、 奖励等形式进行招商， 我国生物制造产业有望迎来快速发展阶段。
根据政府“十四五”生物经济发展规划系列解读二， 生物制造产业是生物经济重点发展方向， 未来十年间 35%的石油化工、煤化工产品将被生物制造产品替代。据世界自然基金会（ WWF）估测，到 2030 年，生物制造技术每年将可降低 10 亿至 25 亿吨的二氧化碳排放。 据美国市场调查公司 BCC Research2020 年发布的《合成生物学：全球市场》报告数据显示， 2019 年由合成生物学直接驱动的全球市场规模已达53.19 亿美元，预计 2024 年可达 188.85 亿美元， 2019—2024 年的复合年增长率可达 28.8%。 据 2020 年 MGI 在其发布的《生物革命：创新改变经济、社会和人们的生活》研究报告中，预计在未来10～ 20 年， 合成生物学相关应用可能每年对全球产生 2～ 4 万亿美元的直接经济影响。 未来生物制造有望成为继农业经济、工业经济、数字经济之后的第四次产业浪潮，有望打开万亿规模的市场空间。
生物制造覆盖范围广阔，从应用领域来看，其所涉及的领域主要涵盖生物制药、生物化工、生物材料、食品行业、酶制剂、生物燃料。
4. 生物制药
生物制药万亿市场持续快速增长。 根据《2023 年中国生物制药行业报告》，新冠疫情带动疫苗行业高速增长背景下， 2021 年中国生物制药市场规模达到 4871 亿元，同比增长 25.9%，预计未来随着居民可支付能力的提高、患者群体的增长以及医保覆盖范围的扩大，中国生物制药市场规模将在 2026 年进一步扩大至 9577 亿元，年复合增长率为 14.5%。
从细分药物类型来看，生物制药包括细胞与基因治疗、血液制品、重组蛋白、抗体药、疫苗、医药中间体/原料药、医药天然产物等领域。 而细胞与基因治疗、血液制品、重组蛋白、抗体药、疫苗等领域，由于产品附加值高，因此成本敏感度较低，生物制造的意义更多是在技术层面创新“好产品”。 然而低附加值的部分小分子中间体、生物原料药、大健康原料等通常由于产能过剩因此对价格较为敏感，这也是近年来医药中间体和原料药厂商业绩承压的原因之一，通过生物制造技术升级实现破局或将是下一阶段这些企业的重要方向之一。天然产物领域通常有两个特点，一是企业可以通过生产技术革新优化毛利，如抗生素、维生素、甾体激素等； 二是部分品种由于价格昂贵，需求端难以打开，生物制造带来的成本优势可让企业率先进入蓝海市场，这一特点下的创新驱动通常与企业核心技术竞争力直接相关。
替代植物提取法，天然产物赛道值得期待。 根据 2023 年 XYZ Research 发布的《全球及中国植物提取物行业分析报告》中的数据，在 2021 年全球 300 亿美元以上的植物提取产品市场中，药品领域需求量占整个植物提取物市场的比重 45%，其次为食品和饮料及化妆品领域占比分别为 26%和 23%，其余细分领域占比 6%。 我们认为在侧重替代植物提取法的天然产物方面，尤其在生物医药领域， 有望成为当前生物制造值得关注的细分赛道之一。
5. 合成生物
合成生物学被认为是继 DNA 双螺旋和人类基因组测序后的第三次生物技术革命，已进入高速成长期。
合成生物学（synthetic biology） 是以工程学思想为指导，对天然生物系统进行重新设计与改造，同时设计并合成新的生物元件、组件和系统的学科。 其研究策略包括两个方面： 一是“自上而下”的逆向工程， 即通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使之增添新的功能； 二是“自下而上”的正向工程， 即通过设计和构建新的生物元件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统。简而言之，二者为“发现”与“发明”的关系。
“自上而下” 策略是对已有生物系统进行修改，存在诸多限制，而合成生物学本质上更加侧重“自下而上” 的理念。“自下而上” 的合成生物系统的构建分为生物元件、生物装置、生物系统三个层次， 这一特点充分体现了合成生物学工程化的本质。其中， 生物元件是具有一定功能的 DNA 序列， 也是最简单且最基本的生物积块， 而具有不同功能的生物元件可按照一定的物理和逻辑关系相互连接组成复杂的生物装置， 具备不同功能的生物装置协同运作即可构成更为复杂的生物系统，这些生物系统彼此间互相通信、协调可以进一步构成更加复杂的多细胞或细胞群体生物系统。
合成生物学的研究内容包括元件工程、遗传线路工程、代谢工程及基因组工程。 合成生物学强调生命物质的标准化， 对元件所做的优化、 改造或重新设计称为“元件工程”； 由调节元件及被调节基因构成基因线路的遗传装置，人工基因线路通过遗传线路工程合成；代谢工程主要是利用分子生物学手段如 DNA 重组技术对已有代谢途径和调控网络进行合理的设计与改造，以合成新产物、 提高已有产物的合成能力或赋予细胞新的功能； 基因组工程则是基于基因组测序、基因编辑和基因合成等技术的一项能够从头合成或重新设计基因组的技术。
合成生物学的技术路径按其合成方式可以分为“基于细胞的合成生物学”和“无细胞合成生物学”，其本质区别在于是否具备细胞膜体系，前者基于完整细胞体系，后者为剔除细胞膜系统的开放体系。
合成生物学相比传统化学合成、生物发酵具备明显优势， 相对传统化学合成的优势主要表现为产品成本低、反应条件温和、对环境污染较小等；与传统发酵技术相比，基于 MCFs 理性设计策略的合成生物学技术效率显然更高。以青蒿素生产为例，根据国家发改委数据，使用可控的 100 立方米工业发酵罐，可以替代 5 万亩的传统农业种植生产青蒿素，显著降低生产成本。
合成生物学应用涵盖医药、化工、能源、食品及农业等众多领域，据麦肯锡预测，预计未来 10-20 年，合成生物学应用可能对全球每年产生 2-4 万亿美元的直接经济影响，其中医药与健康领域占比达到 35%（约 0.5-1.3 万亿美元）。 产业链角度， 合成生物学可分为上、中、下游三个环节，分别对应工具、平台、产品型企业。
合成生物技术或将是医药原料合成的理想手段。 理论上，在底盘细胞被高度驯化后，天然产物大都可以实现异源合成，从而替代传统植物提取法和化工路线，我们以红没药醇为例，分析其异源合成有望成为替代传统植物提取的理想手段，未来具备合成生物技术竞争力的企业有望在天然产物如红没药醇赛道中脱颖而出。 非天然产物不具备自然代谢通路， 小分子的合成通常以化学法为主导，合成生物学促进工具酶的突破有望实现对化学合成中传统催化剂的替代， 主要优势在于突变酶具备高效的酶活及催化效率、反复套用多次后酶活依旧保持，并可缩短工艺路线， 催化底物范围广， 兼具降本增效、绿色环保、反应安全等优势，合成生物学促进工具酶的突破有望为原料药生产赋能。
6. 相关公司
行业内上市公司梳理： 众多企业进军合成生物学赛道， 借力合成生物技术实现产业升级。
1) 合成生物学上游代表企业包括聚焦基因测序领域的华大智造，基因合成领域的金斯瑞生物科技以及基因编辑领域的百奥赛图。其中， 金斯瑞依托自有基因合成平台孵化合成生物学业务并实现产业化，目前聚焦工业酶及饲料酶两大领域。
2) 中下游平台型及产品型企业数量众多， 其中，凯赛生物、 川宁生物、华东医药、 华熙生物及华恒生物等企业的研发平台及产业化布局较为领先。
a) 凯赛生物为生物合成新型生物基材料领域的龙头企业， 系列生物法长链二元酸（DC10-DC18）年产能 11.5 万吨，生物基戊二胺年产能 5 万吨，系列生物基聚酰胺（泰纶、 E-2260、 E-1273、 E-3300、 E-6300 等）年产 10 万吨；
b) 川宁生物主要产品包括硫氰酸红霉素、头孢类中间体（7-ACA、 7-ADCA、 D-7ACA）、青霉素中间体（6-APA、青霉素 G 钾盐）、熊去氧胆酸粗品、辅酶 Q10 菌丝体等，总产能约 16000 吨/年，是国内抗生素中间体领先企业之一；
c) 华恒生物核心产品包括氨基酸系列（L-丙氨酸、 DL-丙氨酸、β -丙氨酸、 L-缬氨酸）、维生素系列（D-泛酸钙、 D-泛醇）等，是全球首家成功实现微生物厌氧发酵规模化生产 L-丙氨酸产品的企业；
d) 华熙生物为全球医药、化妆品、食品等领域客户提供透明质酸产品，是国内最早实现微生物发酵法生产透明质酸的企业之一,微生物发酵生产透明质酸技术处于全球领先地位；
e) 华东医药在工业微生物领域深耕 40 余年，现有微生物发酵产品规模和技术水平处于业内领先水平，已完成合成生物学法生产创新药物（xRNA&ADC 药物）原料、医药原料药及中间体、大健康及医美原料领域的整体布局，未来将积极拓展宠物动保、特色生物材料等领域。
f) 此外，众多生物医药企业陆续入局，例如， 普利制药引入合成生物学技术，赋能原料药及制剂品种， 司美格鲁肽、 红景天苷等多个特色品种未来有望成为强劲增长极；金城医药的提取+合成烟碱产品已实现上市销售，有望快速放量，天然甜味剂莱鲍迪苷 M 及抗氧化原料虾青素有望陆续落地； 富祥药业人造肉产品落地，目前公司仍在积极扩建生物发酵产线。医疗保健及食品原料领域典型厂商莱茵生物、金达威等加码合成生物学布局，实现降本增效，其中， 莱茵生物主要布局代糖赛道的天然甜味剂如罗汉果甜苷、 甜菊糖等产品， 金达威目前已拥有体外生物合成和体内生物合成研发能力，逐步实现由传统发酵转向合成生物技术的产业升级，多个用于营养保健的原料新项目进入产业化生产筹备阶段。
1）川宁生物：抗生素中间体业务稳健，合成生物学产品陆续兑现
川宁生物以合成生物学研究为核心，从事生物发酵技术的研发和产业化， 专注保健品原料、生物农药板块、高附加值天然产物、高端化妆品原料、生物可降解材料等产品的研发、生产和销售，自建硫氰酸红霉素、头孢系列中间体及熊去氧胆酸粗品生产线，总产能约 16000 吨/年，主要产品包括硫氰酸红霉素、头孢类中间体（7-ACA、 7-ADCA、 D-7ACA）、青霉素中间体（6-APA、青霉素 G 钾盐）、熊去氧胆酸粗品、辅酶 Q10 菌丝体等，是国内抗生素中间体领域规模领先、产品类型齐全、生产工艺较为先进的企业之一。 根据公司公告， 目前，公司多项合成生物学项目陆续进入兑现期，其中， 红没药醇市场反馈良好， 产品品质接近或部分指标优于天然红没药醇， 5-羟基色氨酸、红景天苷、依克多因、麦角硫因有望陆续实现商业化，此外， 预计 2024-2025 年公司仍将有化妆品原料、饲料添加剂等大吨位产品陆续兑现，合成生物产品有望持续贡献新增量。
2） 凯赛生物：生物合成新型生物基材料全球领军企业
凯赛生物 2020 年登录科创板，是一家基于合成生物学技术，从事新型生物基材料的研发、生产及销售的高新技术企业。公司利用合成生物学技术，开发微生物代谢途径，构建高效工程菌，已实现多款合成生物产品的产业化，已成长为生物合成新型生物基材料领域的龙头企业。产品方面， 截至 2023H1，公司系列生物法长链二元酸（DC10-DC18）年产能达到 11.5 万吨，生物基戊二胺年产能 5 万吨，系列生物基聚酰胺（泰纶、 E-2260、 E-1273、 E-3300、 E-6300等）年产 10 万吨，此外，公司基于自产的生物基戊二胺原料生产系列生物基聚酰胺产品， 23年 6 月， 招商局集团入股凯赛生物， 将与公司就系列生物基聚酰胺开展合作，生物基尼龙产品商业化加速值得期待。
3） 华恒生物： 生物合成氨基酸全球领先企业
华恒生物 2021 年登陆科创版， 公司以合成生物技术为核心，主要从事生物基产品的研发、生产及销售， 主要产品包括氨基酸系列（L-丙氨酸、 DL-丙氨酸、β -丙氨酸、 L-缬氨酸） 和维生素系列（D-泛酸钙、 D-泛醇），可广泛应用于中间体、动物营养、日化护理、功能食品与营养、植物营养等众多领域。 此外， 公司是全球首家成功实现微生物厌氧发酵规模化生产 L-丙氨酸产品的企业， DL-丙氨酸、β -丙氨酸、 D-泛酸钙和α -熊果苷通过酶法生产，具备节能环保优势。在研管线方面，新品布局涵盖丁二酸、苹果酸、 丙二醇、肌醇等。 经过多年创新发展， 目前公司已成长为全球领先的通过生物制造方式规模化生产小品种氨基酸产品的企业之一。
4） 金城医药： 头孢及谷胱甘肽原料行业龙头， 合成生物学产品落地有望打开新增长极
金城医药主要从事医药中间体、 原料药、口服和外用制剂及注射剂的研发、生产和销售， 产品覆盖抗感染类、妇儿专科类、肝病类以及营养保健等领域，为头孢侧链类医药中间体及生物原料药谷胱甘肽龙头，生物合成产研布局极具国际竞争力。 基于化学合成+生物合成双平台，公司引入合成生物学技术，多款中间体/原料药产品在技术层面受益，通过内生研发+外部合作，目前公司已经实现多项基于合成生物学技术的产品落地。其中，提取及合成烟碱、虾青素、 莱鲍迪苷 M 为近年来的新兴业务，合成烟碱采用化学法+生物酶法合成，产率及纯度高，已实现上市销售，虾青素、 莱鲍迪苷 M 为典型的合成生物学产品，此外，子公司汇海医药的培南类高端医药中间体项目投产运行， 甲芬那酸原料药获得欧盟认证，多项具备高增长潜力的产品有望陆续贡献增量。
5） 富士莱
22年半年报：公司利用合成生物学酶法生产的R-硫辛酸上半年已经实现量产并对外销售，标志着公司R-硫辛酸新工艺的成功商业化。5月6日公司异动公告表示，生物酶催化法是制备R-硫辛酸的发展趋势，公司生物酶催化法生产的R-硫辛酸已经实现量产，主要用于对外销售及制备R-硫辛酸钠盐，目前尚处于市场推广阶段，能否完全取代原有工艺取决于市场需求、客户接受程度等多方面因素。2023年度，公司该类业务收入占公司营业收入不超过3%，占比较小，也暂未有明确扩产计划。
6） 富祥药业： 业务布局呈现多元化，生物合成前景可期
富祥药业成立于 2002 年， 公司深耕抗生素领域，已实现中间体、原料药、制剂一体化布局，为国内 β-内酰胺酶抑制剂、 培南类等原料药的主流供应商， 此外依托高端原料药产线， 公司近年积极布局 CDMO 业务和锂电池新材料。 根据公司公告，生物发酵业务方面， 公司已试制成功微生物蛋白（人造蛋白）， 2023 年 11 月控股子公司富祥生物拟投资建设“年产 20 万吨微生物蛋白及其资源综合利用项目（一期）”，预计 2024 年 7 月建成，建成后可形成年产 2 万吨微生物蛋白及 5 万吨氨基酸水溶肥的规模，生物合成业务未来有望成为公司又一重要增长极。
7）亿帆医药
根据2023年年报，公司在研的YF-GT、Bud项目已完成第四个里程碑验收，目前处于产品报批和生产装置设计阶段，属于合成生物学项目，如产品上市后，将进一步增加公司产品线，提高公司的核心竞争力，助推公司创新国际化转型，对公司业绩将产生积极影响。
8）康弘药业
根据2023年年报，合成生物技术方面，注射用 KH617 是公司自主研发的拟用于治疗晚期实体瘤患者（包括成人弥漫性胶质瘤）的具有自主知识产权的化药 1 类创新药，也是公司合成生物学平台首个进入临床试验申报的产品；该项目采用生物合成技术生产高纯度原料药，其制剂在几种临床前疾病模型中均显示出了对多种实体瘤的良好抑瘤作用。注射用 KH617，于 2023 年 2 月 14 日获得 U.S. Food and Drug Administration（美国食品药品管理局）针对胶质母细胞瘤的孤儿药资格认定。 注射用 KH617 项目（“合成生物学技术助推中药活性成分新药研制获美国 FDA 临床批件”），于 2023 年 3 月荣登 2022 年“科创中国”先导技术（生物医药领域）榜单。 2023 年 4 月，公司子公司四川弘合生物科技有限公司入选四川省 2023 年第 2 批科技型中小企业。 2023 年 6 月，注射用 KH617 获四川省药监局重点项目第三批药品、医疗器械重点项目。 2023 年 12 月，由北京大学牵头，公司子公司四川弘合生物科技有限公司、浙江大学、北京中医药大学、华东理工大学、中国医学科学院药物研究所共 6 家单位共同申报 2023 年度“合成生物学”重点专项并获批立项
9）利安隆
2024年4月30日互动易回复：合成生物学方面，公司已设立合成生物研究所，完成聚谷氨酸和红景天苷的成果产业化探索，达到并超过技术开发指标。
10）星湖科技
根据2023年年度环境、社会及公司治理（ESG）报告，公司将强化科技创新，增强高质量发展源动力，以合成生物学技术为核心，以生物发酵为压仓基础，继续大力探索多元化的产品结构，丰富下游应用场景，持续提高公司产值和利润水平，致力于成为合成生物产业龙头企业和行业领军者。
11）新芝生物
年报称，公司是一家专业为生命科学研究与产业化领域用户提供科学实验仪器、设备的高新技术企业。公司核心围绕生物样品处理仪器、分子生物学与药物研究仪器、实验室自动化与通用设备三大类产品，为生物医药、合成生物、IVD、医疗卫生、食品安全、疾病预防与控制、环境保护及新材料研究等领域用户提供产品与服务。经过多年技术积累和发展，公司已经成为国内知名的生命科学仪器厂商，致力于为用户提供一站式实验室解决方案。
12）蔚蓝生物
23年2月3日互动易：公司重视合成生物学的研发工作，已于2019年成立了合成生物学实验室，并在合成生物学领域开展了多项工作。
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