合成生物学：优势明显，前景广阔

积木搭建生命，被誉为第三次生物技术革命

合成生物学是生命科学领域的一门新兴交叉科学,被视为理解生命的“新钥匙”、未来的颠覆性技术之一，也是世界各国重点发展布局的领域之一。合成生物学是一门融合了生物学、信息学、基因组学、化学等多学科的交叉学科，在学习自然生命系统的基础上，建立人工生物，从而制造出满足人类需求的产品。合成生物学由于实现了从“认识生命”到“设计生命”的跨越，被学界誉为第三次生物技术革命。合成生物学通过设计和建造微生物细胞工厂，能够使微生物以淀粉、纤维素、CO2等可再生物质为原料，生产重要的化工品、天然药物、食品、生物能源以及生物材料等产品，合成生物学具备转化效率高、成本低、对环境更加友好等优点。

合成生物学在应用技术方面，人工合成基因组技术在代谢工程、蛋白工程、细胞工程、基因工程、制药工程中的运用拓展了合成生物学的应用领域。合成生物技术应用涵盖平台开发、医药、化工、能源、食品和农业等重点领域。（1）平台：工程化信息平台包括非生物平台和生物平台。哈佛大学等基于纸张开发出价格低廉、无菌的非生物合成生物学技术；（2）医药：涉及疾病诊断、疫苗抗生素、药物、基因治疗、细胞工程等产品；（3）能源环境：利用微生物合成高能生物燃料或遗传改造微生物使其能将生物质转化为乙醇、蛋白质等；4）化工：系统设计和改造实现生物路线对化学路线的逐步替代，包括化学品、材料、工业酶、工业流体和个人护理等产品的市场开发；5）食品：涉及人造肉、油、酒、蛋白质、食品添加剂和天然功能成分等；（6）农业：涉及农作物及畜牧生产环节，包括成本控制、化肥农药减施、生物传感器等。

合成生物学合成生物学最初由 Hobom B.于 1980 年提出来表述基因重组技术，随着分子系统生物学的发展，2000 年 E. Kool 在美国化学年会上重新定义了“合成生物学”概念，这标志着合成生物学的正式出现，之后学科迅速发展。合成生物学 20 余年的发展历程 大致可以分为 4 个阶段：（1）合成生物学的萌芽（2000—2005 年），这个时期产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及在代谢工程中的成功运用；（2）基础研究快速发展期（2005—2011 年），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；（3）快速创新和应用转化时期（2011—2015 年），这个时期涌现出了大量新技术和新工程手段，特别是人工合成基因组能力的提升，以及基因组编辑技术的突破等，从而使合成生物学的研究与应用领域大为拓展；（4）飞速发展新时期（2015 年至今），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，行业产业化飞速发展。

菌种构建及生产过程放大与优化是合成生物学最大技术壁垒。生物制造的核心在于经改造的底盘细胞通过其自身代谢，表达植入的特定基因从而获得目标产品，因此选择合适的底盘细胞并通过基因线路设计获得正确的代谢途径至关重要。随着代谢科学的不断发展，结合量子化学计算、AI 辅助分子设计等技术通过对底盘细胞的“设计-构建-测试-学习”循环改进，实现对生物性状的定向构建优化，满足产业化应用。细胞工厂构建过程周期长，对设备、人员、经验、资金等要求均较高，是合成生物学产业最大壁垒。此前的步骤解决了目标产品“从0 到1”的问题，而规模化生产解决的是“从 1 到 100”的问题。经改造的底盘细胞是生命而不是机器，无法套用传统制造业大规模生产扩增的方法。生物反应器的机械叠加，容易导致温度、压力、pH 值等条件失控，从而导致原料的转化率低下，甚至导致工程菌株批量死亡。因此，如何实现规模化生产是合成生物学的另一个核心难点。

合成生物学路线成本低、可开发新型材料、绿色环保，优势明显

合成生物学路线替代化学合成或天然提取路线，可显著提高生产经济性。（1）合成生物学以淀粉等粮食原料、秸秆等农业废弃物以及CO2等为原料，使得原材料成本占比降低。（2）相较于化学反应，合成生物学大部分反应在微生物或酶的作用下进行，反应条件更温和，产业链长度以及生产周期缩短。（3）合成生物学借助酶催化反应，酶与底物结合及催化特异性强，使得底物转化效率高，减少副产物和三废生成。以丙氨酸生产为例，其生产工艺历史上经历了从天然提取法、化学合成法（传统化工制造）、酶法到发酵法的技术演变，天然提取法和化学合成法存在成本过高、合成路线较长和环保压力大等问题，目前，通过合成生物学对菌株进行改造后丙氨酸单位成本较发酵法大幅下降。合生生物学方法可用于制备生物基药物、化学品及其他新材料。天然生物中有超过 300 万种的新分子和新材料有待开发应用，生物基材料主要包括小分子和聚合物、生物大分子和生物材料等。同时，生物系统中存在着大量复杂的代谢路径，其有希望替代化工合成途径，例如用生物合成药物前体、用酶代替化工催化过程。部分特殊材料基于石油的化工制造过程也非常困难，造价很高，对于一些特殊材料，化工方法无法合成 ，比如蛛丝蛋白、高分子肌动蛋白材料等，这些材料如果需要大规模生产应用，这些材料只能通过合成生物学方式制备。

合成生物学可以在原料端摆脱对化石原料的依赖，生产过程中节能减排，可以实现材料的绿色低碳制备。合成生物学可以生物质、二氧化碳等可再生原料，生产清洁、高效、可持续的化学品和能源产品，实现对不可再生资源的逐步替代。经过合成生物学方法改造过的光合藻类富含大量的脂质，可用来制备“生物柴油”，实现对石化柴油的替代。据中科院天工所统计，相较于石化路线，目前合成生物制造产品平均节能减排 30％-50％，未来有望达到50％-70％。世界自然基金会（WWF）预估，到 2030 年工业生物技术每年可降低10 亿吨至25 亿吨二氧化碳排放。这将对替代化石原料、高污染高排放工艺路线的替代及传统化工产业的升级产生重要的推动作用。

技术、政策、资本共同推动合成生物学快速发展

生物技术的快速发展推动合成生物学快速发展。由于基因测序、基因编辑、基因合成三个合成生物学底层技术的快速发展，使合成生物学的研发成本不断降低。大数据处理、深度学习及 AI 辅助分子设计等信息技术的发展，实现了底盘细胞设计的快速迭代设计，加快了工程菌的研发。相关底层技术的快速发展奠定了合成生物学产业爆发的基础。

近 20 年来，合成生物学专利数量增加迅速，可见合成生物学是近年来的专利研发热点之一。从基础研究到实际应用转化速度明显加快。近15 年，测序成本下降超10000 倍，oligo 合成成本下降约 10 倍，基因测序和基因合成是DBTL 循环的核心技术环节，成本合成生物学关键步骤成本的快速下降直接推动了合成生物学的迅猛发展。

合成生物学具备颠覆性特质，各国政府均在出台政策积极推动相关产业发展。拜登政府将合成生物学列为《2021 美国创新与竞争法案》十大关键技术重点领域之一，同被列为重点技术的包括人工智能、半导体、量子科学等。2022 年美国总统拜登签署了《关于推动生物技术和生物制造创新以实现可持续、安全和可靠的美国生物经济的行政命令》，旨在鼓励美国生物技术和生物制造。中国发布的《第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》中，也明确将合成生物学列为科技前沿领域方向之一。目前，北京、上海、深圳、天津等地方政府也陆续将合成生物学列为发展规划的重点关注领域。

资本加速入局，合成生物学带动全速投融资热潮。根据Synbiobeta 数据，2020年合成生物学获得融资总和超 78 亿美元，约为 2018 年的两倍。2021 年合成生物学行业融资总额约 180 亿美元，几乎是 2009 年以来该行业融资的总和。据不完全统计，2021 年中国合成生物学相关投融资案例 16 起，较2020 年增长10起；获得 22.95 亿元的融资，较 2020 年增长 1.36 亿元。2022 年，合成生物学企业融资活跃度再创新高。据不完全统计，2022 年中国合成生物学企业融资至少43起，融资金额超过 66 亿元，创下了新的融资纪录。

合成生物学市场空间广阔，工业化学品占19.8%

全球合成生物学市场规模：有望按 CAGR 24%成长至2024 年的188.85 亿美元。工业化学品产品将占合成生物学市场规模的 19.8%。据BCC Research 数据，2019年，全球合成生物市场规模达到 53.19 亿美元，预计在2024 年将成长至188.85亿美元，2019-2024 年 CAGR 达 24%。从下游行业应用来看，医疗健康、科研和工业化学品为合成生物学的三大应用行业，其中医疗健康是最大的细分市场，2024年市场规模有望达到 50.22 亿美元，将占整体合成生物市场规模的26.6%；科研、工业化工产品则将分别占到 21.0%、19.8%。据 BCG 预计，到2026 年，三大应用方向将继续领跑，三大应用方向的全球市场规模都将超过60 亿美元。从细分赛道增速方面来看，由于食品和饮料以及消费品有低客单价和高频的特征，预计是未来几年增速最快的两个细分赛道，2024 年市场规模分别为25.75亿美元和 13.46 亿美元；医疗健康和科研尽管是占比最大的两个细分赛道，增速却是最慢的。食品饮料、农业和消费产品将迎来大幅提升，并且CAGR 将远超过医疗健康、科研和工业化学品，迎来超过 40%的高增长率。