合成生物学——“建物致知”的多学科技术
合成生物学含义
合成生物学——“建物致知”：是指在工程学思想指导下，按照特定目标理性设计、改造或者从头重新合成生物体系，即生物 学的工程化，涉及生物学、生物信息学、化学、计算机科学等多个学科的交差。
简单来说就是通过DNA基因层面的设计通过 多组学方法生产想要的各类产物。
要解决的主要技术：关键元件（DNA序列）的挖掘/合成；底盘细胞的优化（菌株的选择及改造）；代谢途径/基因 表达途径的构建和产物鉴定；如何分离纯化以及放大生产。
全过程中与机器学习等算法/以及生物数据库的完备程度息息 相关。
合成生物学下游应用领域多样
基于合成生物学原理以及技术方式可分为三大类型公司：开发使能技术，如 DNA 合成和测序；制造 DNA 构件及集成系统，如软件服 务；
利用合成生物学平台生产所需产品，（医疗、农业、消费品、食品饮料、能源、工业等领域）。
不同领域关注的侧重点不同。传统化工能源、食品领域更多关 注其降本增效能力，医药领域则更关心产物质量效果，如蛋白 质的靶向性、成药性等指标。
合成生物学的核心技术
基因设计是底层技术，也合成生物学发展必需技术：绝大多数具有生物活性的天然产物，决定其生物合成的众多基因元件都不清楚，因此，挖 掘出合成途径中的关键基因元件尤为重要。
根据一般的化学反应原理及已知的中间体结构并辅以同位素示踪，可推测可能的生物合成途径。
菌株改造：如何选择最适合的菌株，如何改造最适合的菌株。产物功能性质的鉴定：产物种类众多，功能鉴定具有独特性，难度最大。
对于遗传操作手段不成熟，难以实现 ( 多 ) 基因编辑的菌株，将候选 基因克隆出来并在异源系统中表达，以内源产生或外源添加的办法提供底物，进而通过色谱、质谱、核磁等技术对产物进行分析鉴定，从而确 定酶的催化活性是目前常用手段。
分离纯化、放大量产：从实验阶段如何扩大生产也是难点。未来的方向：结合计算机技术建立整体流程的学习反馈机制。
合成生物学的核心技术——多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力
基因设计——化合物代谢途径的关键酶+各类型蛋白质。 对代谢途径/基因表达途径的理解是基础。
2022年8月10日，合成生物学知名学者，Sang Yup Lee教授发表了一张最新的微生物可参与合成的 化学品清单。
汇编了目前所有可用的生物和化学反应途径，共包含有着 532 种化合物和 580 个反应，这其中生物反应和化学反应分别为 438 个和 142 个。
合成生物学发展历程
第一阶段（2005年以前）：技术发展初期 ，代表成果为青蒿素前体在大肠杆菌中的 合成。
第二阶段（2005—2011年）：基础研究快 速发展，年度的专利申请量较之前并未有 显著增加，合成生物学研究开发总体上处 于工程化理念日渐深入、使能技术平台得 到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段 ，体现出“工程生物学”的早期发展特点 。
第三阶段（2011—2015 年）：基因组编辑 的效率大幅提升，下游应用领域也开始不 断拓展，合成生物学技术重视程度日益提 升。
第四阶段（2015 年以后）：合成生物学的 “设计—构建—测试-学习”等概念提出， 多学科融合程度加深，叠加资本市场加速 入场，行业进入加速发展期。
政策、技术、资本三重助力行业快速发展
行业发展的驱动因素
政策端： 合成生物学发展符合我国“双碳”目标的实现，与传统技术路线相比，更环保、成本优势更明显。以华恒生物的L-丙氨酸产品为例，公司发酵 法工艺大幅降低了约50%的产品成本。
合成生物学属于创新型技术，属于我国未来生物科技发展的重点技术项目。
技术端： 基因测序技术发展迅速，检测时间和单位成本明显下降。基因测序提供的基因序列信息，可提供为合成生物学的“代码库”。
低成本的 全基因组测序（仅需1000美元）能够更有效地控制长基因构建体的质量，这是基因合成的关键步骤。
基因合成原材料成本下降，基因编辑技术发展，下游需求提升。 平台型使能技术快速发展。
资本端： 资本助力行业发展，多领域布局合成生物学。
根据 CB Insights 的数据显示，截至2020年8月，合成生物学领域在全球共发生 391 起融资事件 ，其中 2017 年最高，为 70 起， 2018 年创下融资金额23 亿美元的融资记录。
资本和市场的目光正在向合成生物的技术应用层面聚集。从投 资领域来看，主要集中在医疗、食品及饮料开发、生物体设计、自动化生产平台及能源应用开发等。
行业市场规模未来5年超千亿元
根据 CB Insights 数据， 2019 年全球合成生物学市场规模达 53 亿美元。预计到 2024 年，与 2019 年相比，合成生物学市场规模的年复合增 长率（CAGR）将增长 28.8%，达到 189 亿美元。
从CAGR来看，预计食品饮料、农业领域的增速最快，分别为64.6%/64.2%。从占比来看， 医疗健康领域预计2024年市场规模为50亿美元左右，占到整体市场规模的27%。
行业专利一般更多以技术秘密的形式存在
从基因设计方面来看，仍需进行底层技术开发。如国外Deep Mind公司的Alpha Fold 2仅仅公布了推理代码，但并未公开训练代码，所以想真 正掌握此技术仍需要国内企业从更底层技术做起。
从菌株专利方面看，行业内的专利更多是以技术秘密的形式存在。主要的考虑因素有：申请后同行模仿难度降低。很多工艺方面的菌 株改造设计过程很难求证，同行使用后很难追究责任。
目前国内企业的菌株主要从国内高校获得原始菌株，或者从一级市场通过买断授权/多 次买断的形式获得，但大部分项目仍然处于早期阶段，进入中试后的菌株较少。
底层技术搭建+选品+量产能力是重中之重
Amyris ——选品之初要从产业链视角做决定
有了前车之鉴，积极发展底层技术，拓展产品种类。公司通过开发LAB-TO-MARKET平台，开发了源自15种化学分类的分子，已有 13 种不同 分子产品通过此平台在市面上推广并产生收益，24 种成分正在积极开发中。
预计到 2025 年，每年将有 4-6 种分子产品商业化，并且每种产 品将在几年内达到5000-10000 万美元的价值。
Amyris用法尼烯合成了角鲨烯，应用到了化妆品以及疫苗佐剂领域。成本进一步得到节约。2020年与2012年相比，单个产品开发成本下降 90%，平均上市时间缩短80%，研发效率提高500%，每42秒可以构建一个菌株。
Ginkgo Bioworks——平台化的龙头企业
深入融合到产业链中去的商业模式。与Amyris的TO C模式不同，Ginkgo Bioworks通过卖服务与下游客户深层绑定，走合作研发的路线。
为此 公司多年来持续投入自动化研发平台的打造，目的是为了打造更高通量、更低成本的平台。 收并购快速突破底层技术瓶颈。
2022年1月10日收购Inscripta，的Onyx基因组工程技术平台，并将其整合进了公司自身的高通量自动化研发平 台的Foundry部分中。
预计在2023年Q1完成对Zymergen的收购，整合其极强的自动化、软件、数据科学能力平台 。 营收和新增项目增长迅速。
在 2021 年实现了新增细胞编程项目 31 个，累计启动了细胞编程项目 105 个。2021 年 营收达到了 3.138 亿美元 ，而 20 年同期营收仅为7670 万美元，同比增长309%。
合成生物学相关企业对比
企业相关业绩体量尚小，规模效应尚未形成
营业收入：从复合增长率来看，医药、 化工企业CAGR排名较为靠前。其中凯赛 生物和华恒生物合成生物学产品贡献体 量最大，凯赛生物2020年受疫情影响较 大。
医药企业中诺唯赞从2022年开始起 步，目前已有千万级别体量收入。随团 队陆续打造，未来前景可期。
金斯瑞主 要优势目前在底层技术的掌握上，未来 几年工业合成生物产品增速预计在10% 左右，目前将逐渐替代一些低毛利率的 酶制剂，开发新品种卡位。
食品企业目 前发展较为成熟，增速较慢。 利润端：目前相关企业除凯赛生物、华 恒生物外，其他企业尚处于新入局或转 型阶段，合成生物学贡献的利润体量较 小。
布局合成生物学可提高企业盈利能力
合成生物学企业盈利能力明显较高 ：从毛利率水平来看，医药企业毛 利率水平较高比较正常。
从化工 企业内部区分看，合成生物学比重 较大的企业如凯赛生物、华恒生物 的毛利率为40%-50%，净利率为 20%~30%，相较传统化工企业分 别提升约30%，10~20%。
也从侧 面体现了合成生物学的壁垒和议价 能力。 从毛利率、净利率变化角度看：21 年相较于19年企业毛利率均有小幅 下降。从净利率角度看，医药、化 工企业近年来均有小幅提升。
重点公司分析
金斯瑞
依托基因合成业务优势，公司于2013年孵化出南京百斯杰（Bestzyme），正式进军工业酶制剂领域。
2014年百斯杰成功开发了具有自主知识产 权的首个产品普鲁兰酶，该酶在耐热性、耐酸性等方面超越市场标杆产品，打破了国外企业的技术垄断；
2016年，公司收购济南诺能51%股份 ，为公司扩充动物饲料酶/添加剂业务线；2018年综合产能规模扩大至15万标吨，为客户提供从酶制剂研发到工业化生产的全方位服务。
目前百 斯杰在国内工业酶制剂企业内收入增长率位列第一，通过自主研发打破长期以来国际酶制剂企业的技术壁垒，被评为“全国酶制剂行业十强企业 ”之一。
合成生物学底层技术相同，诺唯赞作为国内酶制剂领域的头部企业，在使能技术上的优势明显。
公司合成生物学业务于2022年刚刚起步，目前 主要以医美领域的多肽产品为主，后续随投入逐渐增加，将会拓展到化工、医药中间体等领域。
生物试剂业务：主要为分子类产品，包括qPCR系列、基因测序系列、逆转录系列和PCR系列等酶类、抗体类试剂，用于科研、基因测序、体 外诊断试剂剂原料、mRNA疫苗研发。
公司产品覆盖北大、清华、中科院等1000多所科研院所，华大基因等700多家高通量测序企业，药明康 德、恒瑞医药、百济神州等200余家制药及CRO企业，圣湘生物、艾德生物、凯普生物等700余家分子诊断企业及2200多家医院、检验中心。
国内合成生物学龙头企业。在早期获得原始菌株中，凭借创始人带领的专业团队已经实现了生物法长链二元酸（DC10-DC18）和生物基戊二 胺、生物基聚酰胺（泰纶、E-2260、E-1273、E-3300、E-6300）等产品的产业化生产和商业化放量。
目前各产品线也在积极扩产当中。从行 业地位来看，公司在已经成为全球长链二元酸的主要供应商，基本上承担了国外的需求，在国内市场份额约在9成左右。