合成生物學多重因素推動行業發展

合成生物學是一門典型的“匯聚”型新興學科。2000年，斯坦福大學Kool在美國化學學會年會上指出，當前許多研究人員，正在利用有機化學和生物化學的合成能力，設計出在生物系統中發揮作用的非天然合成分子，他將之定義為“合成生物學”。合成生物學是一門通過合成生物功能元件、裝置和系統，對細胞或生命體進行遺傳學設計、改造，使其擁有滿足人類需求的生物功能的生物系統的學科。它把“自下而上”的“建造”理念與系統生物學“自上而下”的“分析”理念相結合，利用自然界中已有物質的多樣性，構建具有可預測和可控制特性的遺傳、代謝或信號網絡的合成成分。作為一門典型的“匯聚”型新興學科，近年來合成生物學引起了科學界的高度重視，它的崛起突破了生物學以發現描述與定性分析為主的“格物致知”的傳統研究方式，提出了“建物致知”的全新理念，通過生物體系的模擬、合成、簡化和再設計，使得人類更加深刻地理解生命的本質。作為一門交叉學科，合成生物學不僅包含基因工程、蛋白質工程等傳統學科，同時結合了系統生物學、化學、工程學等其他學科的研究思路，以生物技術和工程化理念為基礎，旨在設計與制造以生物為本質的組件與體系，使其達到人類的需求。其研究不僅可以使人們對生命科學中的遺傳、發育、疾病、衰老以及進化等現象進行深入探索與解析，同時還可以通過執行一些特殊的生物功能再加工生命系統，從而使得其應用領域更加廣闊，加速合成生物系統的工程化進程。

合成生物學歷經4個發展歷程。合成生物學發展迅速，其發展經歷大致可以分為4個階段：第一階段是合成生物學的創建時期（2000—2003年），這個時期產生了許多具備領域特征的研究手段和理論，特別是基因線路工程的建立及在代謝工程中的成功運用；第二階段是摸索完善時期（2004—2007年），這個時期的重要特征是雖然領域有擴大趨勢，但工程技術進步比較緩慢；第三階段是快速創新和應用轉化時期（2008—2013年）這個時期涌現出了大量新技術和新工程手段，特別是人工合成基因組能力的提升，以及基因組編輯技術的突破等，從而使合成生物學的研究與應用領域大為拓展；第四階段是飛速發展新時期（2014年至今），該時期研究成果全面提升，特別是酵母染色體的人工合成等領域取得突破性成果，為人類實現“能力提升”的宏偉目標奠定了重要基礎。

合成生物學產業大致可以分為上、中、下游。合成生物學產業生態覆蓋面龐大，不同技術和產業落地方向多元，且都有相當的市場規模。基于此，可以將整個合成生物學產業分為大致的上、中、下游。其中，上游開發使能技術，包括DNA/RNA合成、測序與組學，以及數據相關的技術、產品和服務。DNA/RNA片段的測序、編輯和人工合成技術是整個合成生物學的底層基礎技術；中游是對生物系統和生物體進行設計、開發的技術平臺，合成生物學從生物的基因編輯，到產品和服務的商業化落地，這之間存在著超長的技術鏈條。將實驗室中能夠用于解決實際問題的研究轉化和擴大，需要對多種方向的專業技術進行密集而深度地整合，建立前所未有的基礎設施和方法流程。合成生物平臺類公司，扮演了“生物基解決方案”設計師和開發者的角色；下游是涉及人類衣食住行方方面面的應用開發和產品落地。合成生物學公司的技術和創新通常不會局限于上述產業的某一個層次。特別是對于著重下游應用和產品落地的公司，需要有打通從研發到產品落地全鏈條的過硬能力，以降低自身的商業風險和確保強競爭力。同時，來自上、中、下游的重大突破和創新也在相互促進和加強。

成生物學在醫藥領域應用主要涉及疾病診斷、疫苗、抗生素、藥物、基因治療、細胞工程等產品。美國合成生物學家JayKeasling設計構建了能夠生產抗瘧藥物青蒿素的人工酵母細胞，堪稱合成生物技術的重大應用典范。諾華公司開發的癌癥細胞療法Kymriah將工程活細胞用于醫學治療是第一個經FDA獲批的細胞療法，全球首個脊髓性肌萎縮癥基因療法Zolgensma也獲美國FDA批準上市；在能源環境領域，利用微生物合成高能生物燃料或遺傳改造微生物使其能將生物質轉化為乙醇、蛋白質等。印度理工學院SanjayKumar團隊發現了生物燃料增長最快菌株拉長聚球藻UTEX2973，已知的聚囊藻屬PCC6803和長聚藻PCC7942等已成功用于生物燃料生產。以色列魏茨曼科學研究所RonMilo團隊創制出可固定二氧化碳的大腸桿菌，使其從異養生物變成自養生物；在化工領域，系統設計和改造實現生物路線對化學路線的逐步替代包括化學品、材料、工業酶、工業流體和個人護理等產品的市場開發。Genomatica公司將生物基丁二醇的工藝商業化，開發聚酰胺中間體和長鏈化學品。麻省理工學院ChristopherVoigt團隊利用細菌孢子構建的3D彈性生物材料能應對極端應力包括干燥、溶劑、滲透壓、pH值、紫外線。中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和團隊在淀粉人工合成方面取得突破性進展，在國際上首次實現二氧化碳到淀粉的從頭合成；在食品領域，涉及人造肉、油、酒、蛋白質、食品添加劑和天然功能成分等。PerfectDay和ClaraFoods公司通過合成生物學技術開發合成蛋白類產品，如牛奶、蛋清奶酪等。Calyxt公司的高油酸大豆油是第一款進入美國食品供應市場的基因編輯大豆油；在農業領域涉及農作物及畜牧生產環節，包括成本控制、化肥農藥減施、生物傳感器等。Agrivida公司開發的酵素植酸酶Grain可以提高飼料的消化率，減少動物體內的營養抑制劑。GreenlightBiosciences公司致力于開發創造高性能的RNA農作物，使其精確靶向免疫于特定害蟲，不會傷害有益昆蟲或在土壤、水中殘留。

行業市場規模在2027年有望接近400億美元。根據CBinsights統計數據顯示，2022年全球合成生物學市場規模達到140億美元，其中醫療健康為最大的細分市場，市場規模接近56億美元。根據CBinsights的預測數據，隨著合成生物學在各領域應用更加廣闊以及技術改善，合成生物學行業市場規模有望快速擴容，預計到2027年，合成生物學的市場規模將達到387億美元，其中醫療健康仍然將是最大細分市場，市場規模有望達到103億美元，占比達26.6%。食品和飲料及農業預計將是未來增速最快的賽道，因動植物選擇性育種、DTC基因測試、基于微生物美容產品等帶來的廣泛前景應用，預計2022年至2027年的年復合增長率將分別為45.4%和56.4%。

圖表：全球合成生物學醫療健康領域市場規模

數據來源：中研普華產業研究院整理

合成生物學是當今生物學領域的前沿研究方向，合成生物學技術正在逐步取代傳統化學合成成為全球醫藥、食品、材料等領域“綠色合成”的重要途徑。與傳統的化學合成相比，合成生物學技術具有如下優勢：①傳統化學合成的原料主要來自石油、煤炭等石油基物質，而合成生物學技術所使用的原料以生物基物質為主，生物基物質數量巨大、價格低廉。體外合成生物學法工藝路徑利用酶促反應縮減了傳統化學法的工藝步驟數，縮短了工藝流程、減少了生產流程中碳的排放；②傳統的化學合成在制造復雜分子方面較為受限，需要通過大量的中間體步驟才能生產出最后的目標分子。合成生物學技術在生產上述復雜分子方面具有顯著優勢，可通過構建高性能酶或者設計底盤細胞內的代謝通路直接獲得目標產物，簡化了工藝步驟、提高了生產效率；③傳統化學合成過程中的“三廢”污染較重、能耗較高。合成生物學技術縮短了生產工藝步驟、減少了化學品的使用、避免了金屬催化劑帶來的重金屬污染，從而顯著降低了“三廢”排放與生產能耗，是一種綠色環保的制造方式；④合成生物學技術安全性高，合成生物學技術的安全性主要體現在兩個方面：一是合成生物學技術工藝的生產過程通常在常溫、常壓下進行，環境安全，條件簡單；二是合成生物學產品具有食品安全性，傳統化學合成過程中常有重金屬和有機溶劑殘留，而合成生物學技術可以克服這一問題。