本世纪初兴起的朝阳行业，实现对生命系统改造乃至创造
“第三次生物技术革命”
合成生物学（Synthetic Biology）是指采用工程化设计理念，按照一定的规律和已有的知识：改造已有的天 然生物系统；设计和建造新的生物元件、装置和系统，来实现构建细胞工厂等目的为人类服务。
在目前阶段，合成生物学落地的主要场景即改造微生物来生产产品，通常是具有高附加值、通过传统方法化学生产成 本较高、碳排放较大或难以大量获得的产品。
搭积木”式创造新的生物系统
自下而上方法逐步搭建人工生命系统。合成生物学构建生命系统通常从最基础的生物元件出发，利用标准化模块采用类似搭建积 木的方式，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统。
合成生物学行业全景图
行业涉及众多领域，从学术研究到应用转化体现行业价值。合成生物学行业涉及内容众多，既有学术领域的基础研究，也有应用 领域的终端产品生产。
随着底层技术的突破和基础研究的深入，在工程化平台的助力下，合成生物学正向众多下游应用领域进行 延伸。
自本世纪初以来发展整体经历四个阶段
自本世纪初以来，合成生物学的发展整体经历了四个阶段。2000年James J. Collins等人构建的基因开关和Elowitz等人构建的抑制 振荡子这两项事件常被认为是合成生物学的开端
此后新技术手段不断涌现使合成生物学研究与应用领域大为拓展，合成生物学发 展不断加速，并在医药等多个领域实现应用和初步产业化。
应用领域广阔的新兴技术
合成生物学可应用于多个下游领域。利用合成生物学技术，可以改造自然界中微生物的合成能力，甚至创造新的合成途径，从而 可以与各个下游领域应用进行结合，应用领域广阔。
目前，合成生物学在医药、化工、能源、食品、消费、农业等众多领域均已 有众多应用案例，部分公司已实现商业化。
合成生物学市场空间快速增长
全球市场整体保持快速增长。根据CB Insights分析数据，2019年全球合成生物学市场规模为53亿美元。预计到2024 年，全球合成生物学市场规模将达到189亿美元，2019年至2024年复合增长率（CAGR）为28.8%。
根据 Markets and Markets数据，预计全球合成生物学市场规模将从2021年的95亿美元达到2026年的307亿美元， CAGR达到26.5%。
技术应用领域广阔，碳中和背景下潜力巨大
多因素推动行业快速发展
近年来，合成生物学行业整体发展迅速，合成生物学公司不断涌现并在各个行业开拓业务，龙头公司已经实现二级市 场上市，一级市场投融资也十分火热，融资金额不断上升。
总结近年来合成生物学行业快速发展的原因，我们认为主 要有以下几个方面：
应用领域广阔的新兴技术，碳中和背景下潜力巨大
根据麦肯锡的数据，预计2030-2040年，合成生物学每年带来的经济影响将达到1.8至3.6万亿美元，影响众多领域。
预计 到2025年，合成生物学与生物制造的经济影响将达到1,000亿美元，同时预计未来全球物质投入中的60%可以通过生物制造 方式生产。
合成生物学的应用将在未来10-20年内缓解全球疾病总负担的1-3%，每年在医药健康方面潜在影响达到0.5至 1.2万亿美元。最终可解决全球疾病总负担的45%。
碳达峰、碳中和背景下合成生物学潜力巨大。能源转型和气候变化是本世纪人类面临的全球性问题，而这两者都与二氧化碳的排 放和利用息息相关。
基于合成生物学的生物制造具有易于大规模生产、条件温和、选择性好、环境友好等优点，其使用的底物原 料通常为淀粉及其他含糖物质，减少化石能源的使用。
近年来基于木质纤维素等生物质的生物制造和基于二氧化碳的生物 制造也在探索中不断发展，并取得了一定进展。
根据WHO及中科院天津工业生物技术研究所统计，目前生物制造产品平均节能减 排30％~50％，未来潜力将达到50％~70％。
在碳达峰、碳中和的背景下，基于合成生物学的生物制造在工业、能源、农业等众 多领域具有巨大发展潜力。
基础研究突破带动行业加速发展
基础研究突飞猛进。近年来，合成生物学各领域的基础研究不断发展突破，带动行业加速发展。
从论文发表数量来看，1999- 2018的二十年间，合成生物学领域发表论文近40万篇，而从主要国家发文情况来看，40%-50%的论文均在近五年内发表（2014- 2018）。
表明合成生物学领域近年来基础研究快速发展，其中中国、印度和韩国等亚洲国家近五年的发展势头迅猛，发文量快速 增加。
中国近五年发表论文数量占中国过去二十年发文量的比例最高，达到62.10%，表明国内合成生物学领域正加速发展。
更多复杂分子被成功合成。伴随着合成生物技术的进步，人们在逐步挑战代谢途径更长、复杂程度更高的化合物合成。
代表性 工作包括青蒿素前体的合成及近期阿片类药物和大麻素的从头合成，这些复杂分子合成的基础研究既具有较高的学术意义，同 时部分成果也在向下游应用转化，展示了构建细胞工厂的巨大潜力。
如何破题行业两大痛点：选品与规模化生产
当前阶段落地以产品型公司为主
产业链结构：上游底层技术、中游平台及下游终端产品。在合成生物学产业链中，上游主要为提供DNA合成、基因编辑等 底层技术的公司；
中游是以菌株改造及自动化平台为核心的平台型公司，通过整合相应技术提供高效且可复用的技术平台； 下游为利用合成生物学技术生产各领域所需产品的产品型公司。
头部企业股价受挫，行业落地仍存难点
2021年下半年，国外合成生物学头部企业Zymergen、Ginkgo及Amyris等股价相继出现 大幅下跌，虽然公司各有差异，但我们认为主要原因在于行业落地仍然存在难点。
利用合成生物学生产产品主要包括选品、微生物 构建和量产三个环节，其中微生物构建环节通常可由高校完成或进行合作。
部分企业搭建的工程化平台也降低了菌株构建及筛选的 难度，而选品和规模化生产环节的壁垒更加值得关注。
如何破题行业两大痛点：选品与规模化生产
选品环节：综合考虑市场需求及是否适合合成生物学方式生产
选品是合成生物学产品生产过程的第一个门槛，错误的选品在进入后期商业化开发阶段后失败带来的代价较大，如Zymergen 的第一款产品Hyaline在已进入商业化阶段之后。
因技术问题及市场空间不及预期而导致公司放弃该项业务，也给投资者信心带 来较大负面影响。因此往往需要在立项早期预先考虑产品的市场空间及是否适合合成生物学方式生产等因素。
选品时首先考虑产品的市场空间及需求刚性。市场空间是选品时首先考虑的因素之一。
由于项目开发可能耗时数年甚至更长， 因此选择市场空间较大且处于快速增长阶段的产品，才能尽可能避免未来产品开发完成时因市场萎缩或价格大幅下降而陷入被 动。
市场需求的刚性对于选品的成败也有较大影响，在碳中和背景下，对化石能源及碳排放较高的产品进行替代的需求刚性较 强，且有政策支持及补贴等优势因素。
确认选品是否适合合成生物学方法生产。在选品阶段，还需要评估所选产品利用合成生物学方式进行生产的难度、大规模生产 中的分离纯化成本、预估整体成本降低的范围。
合成生物学方法所得产品性能与传统方式是否有差异、产品在微生物细胞代谢 流中所处环节、是否会对细胞产生毒性或生存压力等，在综合考虑下选择可以发挥合成生物学降本增效优势的产品。
规模化生产环节：与经验丰富企业合作、生物合成结合化学合成可缓解问题
规模化生产阶段高成本高风险，与成熟企业合作以及化学生物路径相结合或可在一定程度上缓解问题，量产通常是整个环节中耗时 最长且成本最高的环节，放大生产能力也需要企业长期的经验积累。
因此对于初创企业而言，除了选择不断试错积累经验之外，也 可以选择与规模化生产经验丰富的企业进行合作，或考虑在部分步骤使用化学合成方法进行替代，通过生物合成与化学合成的结合 来达到总体生产效率和成本的最优并实现最终的产业化。
海外合成生物学行业发展经验
国外合成生物学公司发展经验
选品及规模化生产对产品型公司发展至关重要。国外合成生物学产业起步较早，目前在各个环节均有对应上市公司。
从海 外公司发展经验来看，选品及规模化生产对以产品为核心的企业发展至关重要。上游DNA合成公司及中游平台型公司商
技术突破往往呈螺旋式上升。国外合成生物学产业起步较早，2004年MIT技术评论便将合成生物学列入改变世 界十大技术之一 。
行业发展过程也并非一帆风顺，2012年前后行业一度发展缓慢。此后随着底层技术发展及 工程化平台助力，行业逐渐走出低谷，并在资本助力下加速发展。
Amyris：平台型公司鼻祖，实现青蒿素前体生物法生产，目前业务布局多元
合成生物学先驱创办。Amyris由加州大学伯克利分校教授Jay D. Keasling等人创立，最初从事抗疟药物青蒿素及其他萜类化合物 生产。
Jay D. Keasling是合成生物学领域先驱和权威之一，在微生物的代谢工程改造方面研究积累深厚。
Amyris成立之初即获得 了美国盖茨基金会的4260万美元资金资助，并于2005年成功实现生物法生产抗疟药物青蒿素前体青蒿酸。2010年，公司于纳斯 达克上市，是合成生物学领域最早的上市公司。
生物合成+化学合成实现青蒿素生产
技术积淀深厚，率先实现青蒿素前体生物法生产。青蒿素是由中国科学家发现并提取的萜类化合物，具有良好的抗疟作用。
传统获 得青蒿素的方法是从大量种植的黄花蒿中提取，需要耗费土地和人工资源，且存在季节性供应问题；而通过化学方法全合成青蒿素 难度大、成本高。
为了解决这一问题，Amyris公司利用合成生物学方法将植物中青蒿素合成相关基因优化并导入酿酒酵母中，酿 酒酵母通过发酵蔗糖等底物即可高效合成青蒿素前体青蒿酸。
利用该技术，Amyris能以100m³工业发酵罐替代5万亩的农业种植。 2008年Amyris将青蒿酸生产菌株免费授权给Sanofi，此后Sanofi于2013年结合化学合成实现大规模生产青蒿素。
平台型公司鼻祖，高效平台快速开发产物。Amyris是合成生物学领域平台型公司鼻祖，公司自2012年起即开始搭建自动化菌株 改造平台，是目前全球企业界最大型的工程化平台之一。
涵盖DNA设计、DNA组装、DNA质量控制、菌株转化、克隆挑选、菌 株质量控制、表型测试、高通量筛选、菌株保藏、数据分析、放大实验等功能。
通过该平台，Amyris可以对微生物进行有目的的 设计改造，并与公司高度自动化的发酵设备结合，使其可以将蔗糖等底物转化为特定的产物。
十年间，使用该平台平均降低了 90%的产品开发成本、缩短了80%的产品上市时间，提升了5倍的研发生产力。目前新产品上市时间已从最初的七年缩短至不到 一年。
所得到的产物可以广泛应用于燃料、润滑油、橡胶、塑料添加剂、化妆品、芳香剂和医药等多个领域。
Ginkgo：专注搭建合成生物技术平台
iGEM创始人成立，研究团队实力雄厚。Ginkgo创立于2008年，主要创始人为MIT合成生物专家Thomas Knight教授及其几位 研究生Jason Kelly等人，Thomas Knight教授是合成生物学领域先驱、国际基因工程机器大赛iGEM的三位创始人之一。
截至 2021年公司已完成9轮融资，总融资额约8亿美元，投资者包括比尔盖茨投资实体Cascade，Baillie Gifford，特斯拉以及Cathie Wood的ARK投资管理公司等。
专注于合成生物技术平台，核心为生物铸造厂和代码库。Ginkgo本身并不生产最终产品，而是专注于平台本身，根据客户需求设 计和定制开发微生物。
Ginkgo的平台包含两个主要组成部分：生物铸造厂（Foundry）和代码库（Codebase）。
铸造厂核心为 将合成生物学工作流程进行包装并实施自动化，并利用数据分析为每次循环迭代提供信息。
代码库包括物理资产（工程化细胞和 生物元件）和数字资产（基因序列和测试数据）两部分，且会随着铸造厂执行任务的增加而积累，帮助指导未来的实验设计。
提供可重复使用的元件，使设计步骤更有效率，二者相辅相成，形成了Ginkgo在微生物快速构建上的优势，公司称其一天内可制 造出5万种工程化细胞。
关注选品合理、具有规模生产能力的产品型公司及行业中上游
上游底层技术：关注DNA合成方向发展带来的成本降低
关注DNA合成公司。DNA合成作为合成生物学底层技术，有望受益于合成生物学行业发展带来的需求提升。
在此方向值得 关注的公司包括Twist Bioscience（二代芯片合成龙头）、DNA Script（三代酶法合成）以及Codex DNA（DNA合成仪） 等。未来芯片法及酶法的发展将为合成生物学领域提供更有力的工具。
金斯瑞生物科技（GenScript）：深耕基因合成十七年，基因合成全球龙头
深耕基因合成成为全球龙头。DNA合成主要包括单链寡核苷酸合成和双链基因合成，金斯瑞已在基因合成领域深耕17年。
目前公 司基因合成业务归属于生命科学服务及产品业务领域，在富含重复序列、高GC含量、发夹结构、连续单一碱基的难度DNA合成领 域占据技术领先地位，最长合成基因可达到200kb。
公司在基因合成领域市场占有率全球第一，基因合成市场份额占比超过25%； 目前世界上每合成4条人工基因，就有1条来自金斯瑞。
在DNA合成整体市场中，公司全球市场份额占比也超过10%，位列全球第 三。近年来，公司参与了SARS、H5N1、H7N9（禽流感）、寨卡（非洲蚊媒病毒）等基因的合成。
2011年，金斯瑞曾是国内唯 一一家受邀参与全球酵母基因组人工合成计划的商业机构。该计划共合成12条酵母基因组，金斯瑞参与其中6条。
2013年4月，金 斯瑞仅用4天就合成了H7N9基因，是全球最快合成并交付该病毒基因的生物公司。
提供多种类型基因合成服务满足客户需求。在标准合成基础上，金斯瑞可为客户提供加速（快速基因合成）、加量（高通 量基因合成）、加长（长片段基因合成）及合规性基因合成等多种服务。
目前公司的基因合成服务的成功率和准时交付率 分别高达99.95％和99％，多样化的服务可以满足不同客户的需求。
较高的成功率及准时交付率增加了客户粘性，近年来公 司基因合成业务保持15%左右的稳定增长，市场份额不断上升。
平台型公司：关注向下游延伸的平台型公司及 平台化合物
平台型公司：提升行业效率的关键环节。平台型公司通过对底层技术进行整合，针对合成生物学研究的各个环节搭建高效且可复用 的技术平台，从而为各行业的合成生物学公司提供技术支持和服务，提升合成生物学行业效率。
目前平台型公司针对的环节包括 DNA设计、菌株构建、菌株筛选等，并结合自动化、高通量、机器学习及深度学习等技术来提升相应环节效率。
商业模式包括提供技术服务、合作研发及利用自有平台生产终端产品。作为产业链的中间环节，平台型公司最常见的商业模式即接 受委托向下游公司提供技术服务获得收入。
在客户需要时，部分平台型公司也会选择与客户共同研发技术或产品并共享收益。
近年来在平台型公司的发展趋势中，一个值得注意的变化是许多平台型公司开始向下游延伸，对终端产品进行布局，利用自己高效 且可复用的技术平台加速终端产品开发速度。我们认为向下游延伸的平台型公司及平台化合物值得关注。
产品型公司：关注选品及规模化生产能力
产品型公司：合成生物学落地关键环节，在工业生产及医药等领域进展较快。产品型公司处于合成生物学产业链下游，直接面向 各个终端领域进行生产。
目前，在医药、工业、能源、食品、农业、消费等多个领域均已有相应合成生物学产品型公司出现。
对 于进展最快的工业生产领域，我们认为从行业难点角度出发，应重点关注选品合理（市场空间大、高附加值、需求刚性、符合碳 中和等）、具有规模化生产能力的公司，部分积极布局或转型的公司也值得关注。
关注医学应用临床进展。对于将合成生物学应用于医疗领域的企业而言，人工基因线路等疗法体内外功能可能不一致，在进入 人体之后并不一定可以按照预期发挥作用。
因此在设计合成生物学系统时要充分考虑宿主细胞、表达系统、基因线路控制、系 统鲁棒性等因素，来提升合成生物学疗法的可控性和针对性，而这些设计需要通过临床来对其效果进行检验。
展望未来：合成生物学的第三个十年，在各个下游领域应用将日趋成熟
底层技术突破推动行业发展同时带来新产业机会
在合成生物学研究“设计-构建-测试-学习”循环的每一个环节，都需要相应底 层技术的支持。过去几十年间在DNA合成、基因编辑、基因组测序及注释等底层技术上的不断进步也推动着合成生物学行业的发 展。
在DNA合成方面，对于庞大基因组的合成需要更高效率、更高精度的DNA合成技术，同时需要进一步降低合成成本，而传统 化学法存在合成长度短、拼装过程费时费力；工艺环境要求高；环境不友好等问题。
与化学法相比，DNA的酶促合成有着诸多优 势，目前技术仍在优化，未来商业化应用值得期待。
在基因编辑方面，目前CRISPR/Cas9已经成功应用于酵 母、小鼠及多种人细胞系中，并在高通量筛选、基因治 疗等方面有了广泛的应用，但其在编辑效率、精确度及 脱靶效应等方面仍有很多问题需要解决。
近年来， CRISPR/Cas12a基因编辑技术也得到了一定发展，其相 比CRISPR/Cas9具有更低的脱靶率和差异化的识别序列， 从而适合在不同物种中使用。
随着对于CRISPR系 统的研究逐渐深入，多种基于CRISPR/Cas系统的延伸技 术也被报道，例如碱基编辑器，在不引入DNA双链断裂 的情况下，可以实现高效精准单基因编辑。
基因编辑技 术未来的进一步发展将为合成生物学在生物合成路径优 化、菌株改良等方面提供更有效的工具。
未来低成本高速率的DNA合成技术将带来新的产业机会
底层技术的发展也会带来DNA储存等新产业的机会。DNA自身具有极高的信息密度和稳定性等特点，成为存储系统的有力 候选。
目前，DNA数据存储的主要成本来源于DNA合成。DNA合成作为DNA数据存储的关键技术基础，是DNA数据存储从理论 走向应用的基石。
目前DNA合成较高的成本以及合成速度也是DNA储存商业化的限制因素，按照当前DNA合成成本计算，仍需 降低6～8个数量级才能使得DNA数据存储成本与目前硬盘存储的（约100元/TB）相近。
未来低成本高速率的DNA合成技术将带 来新的产业机会。
合成生物学有望逐步向理性设计的方向发展并实现突破
从人工试错到理性设计。目前合成生物学在理性设计方面存在不足，绝大部分人工生物系统的改造或创造仍依赖于大量重复的试 错工作。
21年9月的香山科学会议也指出指出当前合成生物学的最主要瓶颈在于缺乏对生命系统的理性设计。
中国科学院院士、分 子微生物学家赵国屏表示，合成生物学下一个阶段的目标是“在对生命过程的‘真理解’基础上建立模型、设计合成，提高实现 预期目标的效率”。
而要实现理性设计的目标，既要有相应的预测算法，也要有海量的数据积累，从而为算法提供训练的基石。
近年来蓬勃发展的工程化平台通过引入自动化高通量设备，在DBTL工程学策略指导下，不断积累实验数据，同时还可以将数据用 于指导工程优化和理性设计。
在数据积累的基础上，结合近年来不断发展的机器学习及深度学习等技术，合成生物学有望逐步向 理性设计的方向发展并实现突破。