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合成生物学(synthetic biology)是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科，其实现的技术路径是运用系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子合成为基础，综合生物化学、生物物理和生物信息等技术，旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。合成生物学(Synthetic Biology)是一门结合了生命科学观察分析方法和工程学设计思维的学科，使人类通过工程方法设计、改造甚至从头合成有特定功能的生物系统。 通俗来讲，合成生物学就像奶牛产奶的过程：奶牛吃进低价值的草，而产出的却是高价值的牛奶。在合成生物学中，底盘细胞相当于奶牛，各种原料相当于低价值的草料。通过基因技术编辑过的底盘细胞，添加低廉原料后经过发酵等一系列工艺产生的高价值的化学或生物原料，就相当于生产的牛奶。高价值的牛奶最终帮助企业换取到金钱，合成生物学就完成了一整套“点石成金”的闭环过程。 根据麦肯锡研究，生物制造的产品可以覆盖60%化学制造的产品，未来生物制造的方式有望对未来医药、化工、食品、能源、材料、农业等传统行业带来巨大影响。   01   合成生物学的前世今生 1911年，“Synthetic biology”一词最早由法国物理化学家Stephane Leduc在其所著的《生命的机理》(The Mechanism of Life)一书中首次提出，在该书中其试图利用物理学理论解释生物起源和进化规律，认为“构成生物体的是其形态”，并归纳为“合成生物学是对形状和结构的合成”。 合成生物学的起源可以追溯到1961年弗朗索瓦·雅各布（Francois Jacob）和雅克·莫诺（Jacques Monod）的一篇里程碑式的出版物。他们对大肠杆菌中lac操纵子的研究的见解使他们假定存在调节性双基因表达。 随着20世纪70年代和80年代分子克隆和PCR的发展，基因操作在微生物学研究中变得广泛，为设计人工基因调控提供了技术手段。 到20世纪90年代中期，自动DNA测序和改进的计算工具使完整的微生物基因组得以测序，用于测量RNA，蛋白质，脂质和代谢物的高通量技术使科学家能够生成大量的细胞成分及其相互作用。这种分子生物学的“放大”产生了系统生物学领域，因为生物学家和计算机科学家开始将实验和计算结合起来，对细胞网络进行反向工程。 合成生物学真正被广泛关注始于21世纪初，一系列颠覆性成果在这个阶段陆续发布。 2000年,波士顿大学Collins团队受噬菌体λ开关和蓝藻昼夜节律振荡器的启发,设计合成了双稳态基因网络开关;普林斯顿大学Elowitz和Leibler基于负反馈调控原理设计了基因振荡网络。 2002年,纽约州立大学石溪市分校Wimmer团队通过化学合成病毒基因组获得了具有感染性的脊髓灰质炎病毒-人类历史上首个人工合成的生命体。 2010年,美国Venter团队宣布首个“人工合成基因组细胞”诞生.他的团队设计、合成和组装了1.08Mb的支原体基因组(JCVI-syn1.0),并将其移植到山羊支原体受体细胞中,产生了仅由合成染色体控制的新支原体细胞。 2013年，青蒿素的生物合成生产。 2014年,拓展遗传密码子入选Science年度十大科学突破。美国Scripps研究所Romesberg团队设计合成了一个非天然碱基配对:X和Y,并将它们整合到大肠杆菌基因组。理论上,遗传字母表从4个变成6个,密码子可以从64个扩充到216个,这意味着在控制条件下,未来的生命形式有无限种可能。 2016年，Nielsen等人发表了Cello，这是一个卓越的端到端计算机辅助设计系统，用于E.coli 中的逻辑构造。在过去十年中，这可能是合成生物学家最满意的，因为它通过标准化，表征和自动化设计实现了许多生物学工程功能。 2017年，基于CRlSPR的快速诊断。 2018年，具有逻辑控制的CAR-T细胞；具有合成融合染色体的酵母；自组织多细胞结构。 2019年，大肠杆菌基因组全合成；大肠杆菌基因组碳固定；大麻素的合成生产。 进入21世纪，合成生物学的发展可分为4个阶段： 1.创建时期（2000-2003年）：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其在代谢工程中的成功运用； 2.扩张和发展期（2004-2007年）：工程技术进步较缓慢，领域有扩大趋势； 3.快速创新和应用转化期（2008-2013年）：这一阶段涌现出的新技术和工程手段使合成生物学研究与应用领域大为拓展； 4.发展新阶段（2014年后）：工程化平台的建设和生物大数据的开源应用相结合，全面推动生物技术、生物产业和生物医药“民主化”发展。   02   合成生物学的核心策略与两大基础 2.1  核心策略：“设计-构建-测试-学习” 合成生物学的目的是设计符合标准的生物系统，基于工程设计原则利用工程可预测性控制复杂系统构建的“设计-构建-测试-学习”循环（DBTL）逐渐成为合成生物学的核心策略。在生物制造领域，DBLT循环四个阶段循环往复可以成功构建需要的细胞，生产出合适的产品。 ①设计：合成生物学DBTL策略的基础，在遵循一定的规则下利用现有的标准化生物元件对基因、代谢通路或基因组进行理性设计；相关技术：生物元件库、计算机辅助设计、代谢通路合成生物学从核心DBTL循环到以发酵为主的放大生产方式。 ②构建：在生物系统中对目标基因进行操作，构建细胞工厂，该过程包括DNA合成，大片段组装以及基因编辑；相关技术：DNA合成、DNA拼接和组装、基因编辑、基因测序。 ③测试：由于逻辑线路及模块化的代谢途径在通过理性或非理性设计后，都会存在大量的突变体或候选目标，因此通常需要高效、准确和经济的检测，生成相应数据，评估构建的细胞工厂的实用性；相关技术：微流控技术、酶活性测定、无细胞系统。 ④学习：利用测试数据，学习并随机搜索更有效地推进循环实现预期目标的原则，为下一个循环改进设计提供指导；相关技术：数据收集、数据分析、机器学习、建模。 2.2  两大基础：底盘细胞、发酵工程 ①底盘细胞：底盘细胞是合成生物学的“硬件”基础，其中常用的模式微生物有酿酒酵母、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌等。不同的模式微生物具有特定的优缺点，因此被应用于不同产物的生产。相关技术：菌株改造、菌株选择。 ②发酵工程：根据生产流程可分为上游、中游和下游三部分，上游工程主要为菌种的选育和改造，以获得生产性能良好的菌株；中游则为发酵过程控制，通过对发酵过程中各种参数的采集、分析和反馈，以达到生产最佳发酵条件；下游则是对产品的分离和纯化，采用多种技术将发酵产品从发酵液或者细胞中分离、纯化出来，在达到特定标准后制成产品。 来源：天风证券   03   合成生物学关键底层技术发展带动行业进步 3.1  合成生物学产业链分布情况 合成生物学具有强科技属性，从微观的基因合成到宏观的放大生产的发酵工程 存在大量know-how，技术壁垒高。 ①产业链前端：以基因编辑相关技术公司为主，为元件构建提供技术支撑，技术要求包括基因合成、编辑、组装、测序等，国内主要代表公司有金斯瑞生物科技、诺禾致源； ②产业链中端：以合成生物学平台公司为主，通过搭建技术平台，形成项目经验积累，为下游客户提供研发支撑，国内主要代表公司有弈柯莱、蓝晶微生物； ③产业链后端：则以产品型公司为主，主导产品的放大生产与下游市场应用，市场可延伸至医疗、化工、食品、农业等多种领域，国内主要代表公司有凯赛生物、华恒生物、川宁生物、博雅辑因等。 3.2  关键底层技术发展--DNA合成成本下降 DNA合成成本下降速率快过摩尔定律，合成片段长度、精度大幅提升推动基因合成下游应用： 1）20世纪80年代开发的基于亚磷酰胺的DNA合成法为DNA合成仪的创制奠定了基础，之后三种芯片式原位合成技术（光刻合成、电化学脱保护合成、喷墨打印）和超高通量合成技术相继被开发出来，推动了合成DNA效率的提升和成本的下降，2021年每Mb碱基合成的平均费用已由2001年的超过5000美元下降至0.006美元，未来随着第四代酶促合成技术的发展和成熟，DNA合成有望进一步降低成本，实现更大规模化生产； 2）目前工业化DNA合成工艺通常从化学合成寡核苷酸起始，更长的DNA分子是以寡核苷酸为原料通过酶促反应逐步拼接和组装得到，寡核苷酸单步合成效率虽然已高达99.5%，但合成长度达到200bp时产率即降至约35%，由于该产率杂质过多难以纯化得到目的片段，而要合成kb级长度的寡核苷酸单步合成效率必须达到99.9%以上才能获得同样的产率，随着微阵列式DNA合成技术的出现，合成所需的反应浓度更低（飞摩尔级），同时保证了成本和合成的准确度，当该技术目前主要缺陷在于合成错误率较柱式法更高，仍有进一步提升的空间。 3.3  关键底层技术发展--基因编辑与迭代 基因编辑：在生物体的基因组中特定位置插入、删除、修改或替换DNA。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，人工主导或干扰这个修复过程就可以把特定DNA序列进行删除或者插入外源基因。 基因编辑技术的迭代：1996年，第一代代基因编辑技术，经基因工程改造的锌指核酸酶(ZFNs)被设计出来，开启人工改造生命体的旅程。2009年，第二代基因编辑技术类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)诞生。但前两代技术构建周期长，步骤繁琐，难以进行高通量基因编辑，极大限制了其推广应用。直到2012年，CRISPR技术横空出世，与ZFNs和TALENs技术相比,CRISPR/Cas9的设计要简单得多,而且成本很低,对于相同的靶点,CRISPR/Cas9有相当甚至更好的靶向效率。 CRISPR/Cas9：实现基因编辑能力的重大飞跃。作为第三代基因编辑技术，相比前两代，其优势明显：1）构建简单方便快捷,适用于任何分子生物实验室;2）用于基因组的点突变编辑优于ZFN或TALEN;3）CRISPR/Cas9精确的切口酶活性用于基因治疗安全性高于ZFN或TZLEN。根据头豹研究数据，2016-2018年，中国CRISPR/Cas9行业市场规模（按销售额统计）从9.7亿元人民币增长至24.8亿元人民币，年复合增长率高达59.6%。 3.4  关键底层技术发展-- DNA组装与测序 DNA组装：技术相对成熟，低成本、自动化、一体化是未来发展方向。受到技术的限制，DNA片段从头合成的长度有限，更长基因或基因组有赖于通过核苷酸片段的酶促组装或体内组装获得，通常使用的寡核苷酸组装方法有两种：连接酶组装法（ligase chain reaction, LCR）和聚合酶组装法（polymerase cycling assembly, PCA）。使用短初始片段组装染色体或基因组长度DNA所需的分层组装次数较多，过程中所需的克隆挑选和测序等质控成本也会相应增多，具有低成本、自动化和一体化特性的微流控组装体系将成为寡核苷酸体外合成和组装整合平台开发的方向。 DNA测序：测序技术不断迭代，测序成本、长度、速度均得到指数级提升。DNA序列决定了DNA分子中核苷酸排列顺序。大规模基因组测序工作可以提供有关自然界生物的信息，帮助合成生物学家从中构建生物元件和装置，同时测序可以验证制造的系统是否符合预期以及快速、廉价和可靠的测序可以促进所合成的生命系统的快速检测和鉴定。DNA测序技术在过去几十年间得到了快速的发展，从最初的Sanger测序发展到四代纳米孔测序，基因测序成本也由2001年每基因组的接近1亿美元下降至2021年的0.006美元。随着技术的迭代，读长长度、测序速度等都有了质的飞跃。   04   与人工智能结合加速研发各环节 随着合成生物学的发展，对于人工智能相关技术的需求将逐渐提升，当前，人工智能已在原件工程、基因线路、代谢工程、基因组工程中广泛应用，将合成生物各个环节的工作效率大大提升，成本明显降低，成功缩短研发周期并扩大研发可能。 元件工程：人工智能技术可改善生物元件的鉴定和功能注释效率，加快天然生物元件优化速度，为人类从头设计基因原件、蛋白质元件提供可能。例：利用生成对抗网络设计功能蛋白序列、在大肠杆菌中设计启动子。 基因线路：基因线路通常需要进行多次、长时间的调试才能正常运行，且无法确定其稳定性和对底盘细胞的其他影响。而计算机仿真策略可确定设计出来的线路可以执行哪些任务，并通过修改参数以实现所需的功能。例：利用人工神经网络设计基因线路 代谢工程：传统的设计从海量信息中找到合适的改造靶点非常困难。人工智能的集成建模方法有助于在代谢网络建模时兼顾动力学、调节作用、替代模型结构和参数集合等因素。同时人工智能可以参与到自动化DBLT平台的构建。例：集成机器人平台——BioAutoMata用于DBTL循环优化番茄红素的生物合成途径。 基因组工程：人工智能在基因组编辑、合成，微生物组或群落的设计均能发挥辅助作用。例：利用贝叶斯计算等方法自动设计合成微生物群落。   05   合成生物应用场景丰富，下游空间广阔 5.1  生命健康领域 合成生物学在医疗健康领域的应用广泛，包括创新治疗疗法（细胞免疫疗法、RNA药物、微生态疗法、基因编辑相关应用）、体外检测、医疗耗材、药物成分生产和制药用酶等诸多方向。合成生物学在医疗健康多个细分领域得到广泛应用。不仅可以通过设计全新的细胞内代谢途径，使医药产品能够通过微生物细胞利用廉价糖类等原料进行合成，还可以根据不同的疾病和致病机制，进行人工设计、构建适宜的治疗性基因回路，在载体的协助下植入人体，通过纠正机体有功能缺陷的回路，实现治疗疾病的目的。 5.2  化学品、材料和能源 合成生物学在化工领域的应用主要包含材料和化学品、化工用酶、生物燃料等方向，例如，生物可降解塑料、生物燃料（生物柴油、燃料乙醇）等；合成生物学可优化化学品和材料的生产能力与效率。 随着合成生物学快速发展，对细胞代谢和调控认知的深入以及技术手段的进步，使得优化改造、从头设计合成高效生产菌种成为可能，可再生化学品与聚合材料的生产能力与效率大大提升，与此同时可大幅减少原材料和能源消耗，大幅降低生产成本。 材料领域相关公司产品：耐用生物膜：Zymergen开发了一种透明的生物膜，这种生物膜薄、柔韧、耐用，可用于在智能手机、电视屏幕和皮肤等多种表面传输触摸。智能包装：Infarm创造了一种可在物体周围折叠的可再生塑料。Earthpac利用马铃薯加工废水中的淀粉生产可生物降解的餐具和托盘。 合成生物的能源应用：以农林废物资源、城市有机垃圾资源，合成气和CO2等为原料，利用人工设计的合成生物生产获得的不同产品类型的能源产品。合成生物能源包括生物乙醇、生物柴油、高级醇等生物液体燃料、生物沼气(甲烷)、生物氢气及生物电等。目前全球至少有60多个国家开始推行生物能源，其中巴西、美国、欧盟贡献了全球消费量的84%。 5.3  农业领域 合成生物学在农业领域的应用主要涉及作物增产、虫害防治、动物饲料及作物改良等方向，例如，利用微生物固氮来帮助作物增产，通过生物发酵生产蛋白质为牲畜提供蛋白饲料，利用基因编辑技术改良作物等。 1）农业产量主要受限于光捕获效率、生物量积累效率和收获指数等。目前,植物的光捕获率已接近最大理论值,且大幅度提高收获指数已无可能。但合成生物可以通过提高光合碳同化效率如提高Rubisco酶活性、引入碳浓缩机制和减少碳损耗,以及提高光能利用效率等提高农业产量。 2）合成生物可以通过构建人工高效固氮体系为农作物提供氮源,从而部分替代或大幅度减少化学氮肥的使用，减轻水体富营养化和大气污染等问题。 3）植物合成生物学可以通过改造现有代谢途径或者从头合成新的人工代谢途径对作物进行改良或者获得新的代谢产物，提高作物营养价值，规模化生产天然产物。相关公司产品：Pivot Bio研发出了针对玉米作物的微生物固氮产品，促使特定的微生物在作物根部释放氮，以满足作物日常氮需求。 5.4  食品领域 合成生物学在食品领域的应用包含肉类和乳制品、饮品、食品安全、调味剂和添加剂等多个方向。 合成生物学可以通过使用程序化的单克隆细胞工厂、工程微生物群落或无细胞生物合成平台来改善食品生产。这有利于摆脱传统农牧业的弊端，同时提高资源转化效率。世界资源研究所分析，到2050年，相比2010年粮食缺口高达56%。牛奶和肉类的需求将更大。 合成肉类：合成肉包括植物蛋白生产的植物肉、动物细胞培养的养殖肉以及其他可持续蛋白生产的肉类类似物（如藻类和真菌蛋白质）。植物肉利用大豆、小麦、豌豆等合成。养殖肉又称体外肉，通过将动物的胚胎干细胞或肌肉组织在生物反应器中增殖，然后用支架或微载体获得特定的肌纤维和大块组织。 无动物生物工程奶：使用大肠杆菌或酵母细胞工厂培养牛奶的主要成分，乳清蛋白、酪蛋白等，然后将纯化的蛋白与水、脂肪以及其他成分（低聚糖、维生素等）混合即可制成合成牛奶。 食品添加剂：用细胞工厂生产取代传统的植物提取甜味剂等。   06   合成生物学的优势 合成生物将对广泛的领域产生重大的经济影响。根据麦肯锡的分析，预计在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，到2025年，合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元，同时生物制造的产品可以覆盖60%化学制造的产品，并在继续拓展边界。而应用最清晰的医疗健康领域每年受到的直接经济影响在未来20年内达到0.5至1.2万亿美元。而在这堆经济数字的背后，是碳中和背景下节能减排的实际需求、生物技术的发展带来的制造升级、政策与资金引导诱发的产业革命。 合成生物制造是一种具有潜力的绿色生产方式，随着全球变暖及各国碳中和的提出，合成生物制造无疑成为潜在的最优解之一。合成生物制造可以降低工业过程能耗、物耗，减少废物排放与空气、水及土壤污染，以及大幅度降低生产成本，提升产业竞争力。根据创新和高技术发展司报告，和石化路线相比，生物制造产品平均节能减排30%-50%，未来潜力将达到50%-70%，以基础化学品1，3-丙二醇合成生物制造为例，与石油路线相比，生物法制造的CO2减排63%，原料成本下降37%，能耗减少30%。在全球和国家倡导”碳中和”的背景下，合成生物学无疑提供了非常好的解决方案，2014年世界经济合作与发展组织（OECD）发布《合成生物学政策新议题》报告，预测未来将有35%的化学品和其他工业产品可能涉及生物制造，世界自然基金会（WWF）估测到2030年，工业生物技术每年将可降低10亿~25亿吨CO2排放。 以基因合成、编辑为代表的合成生物学在过去20年间有了快速的发展，支撑产业迭代、升级。合成生物学从概念向产业的转变，最主要在于底层技术的创新，基因合成从传统的小片段化学合成发展到第四代酶促合成技术，合成片段的长度和效率逐步提升；基因编辑经历了从ZFN→TALEN→CRISPR/Cas9技术的升级，基因编辑效率和准确度都有了极大的提升。从Webof Science每年发表的合成生物学领域相关论文数量来看，2000年，领域内发表的论文数量为809篇，2022年达到了17456篇，增长超过20倍；从专利情况看，每年申请的合成生物学相关专利也由2004年的59项增长到2022年2899项，增长了48倍。同时，随着多组学的出现，从遗传物质DNA到最终转录产物蛋白质，功能解析越来越清楚，分子间相互作用网络也更加明晰，促进了合成生物学DBTL研发模式的发展，合成生物学处于冉冉上升期。 生物铸造厂模式的出现，给合成生物学产品开发和数据积累提供了优质的研发平台。生物铸造厂是以自然界已有的自然物质或合成物质为基础，构建基于生物体的新型制造平台，将生物设计、研发、制造过程变成工程设计问题，通过对自然生物的操纵来获取原创性新材料、新器件、新系统和新平台，实现高价值材料和设备的“按需设计与生产”，实现生物元器件和生物制造平台的模块化标准化设计，推动生物制造平台质的突破。以Ginkgo bioworks为代表的合成生物学平台型公司建立了相对成熟的生物铸造厂商业模式，通过将DNA编辑、合成、插入，细胞水平测试，强化数据分析能力，并将数据科学应用到下一次测试中去，形成了研发闭环。生物铸造厂规模效应突出，以Ginkgo bioworks为例，在生物铸造厂投入使用后，每年经济产出提升了3倍，而每个工作单元的平均支出却能够下降约50%。 底层技术成本指数级下降，带来下游合成生物学应用爆发。随着生命科学技术的发展和应用场景的拓宽，底层的基因合成与基因测序服务能力得到了极大的提升，价格上，基因测序与基因合成的成本下降速率明显快于摩尔定律，2021年每Mb的基因合成成本约为0.006美元，而每个基因组的测序成本约为562美元，更低的成本使得这些技术大规模应用成为了可能。 精准发酵替代传统发酵，成本下降带来竞争优势。随着在发酵工程的发展，精准发酵逐渐成为合成生物学放大生产的主流，精准发酵通过对于发酵微生物进行基因修饰，已达到目标产物最高得率。精准发酵的优势在于1）目标产物相对可控；2）成本、能耗降低；3）污染降低。 中国合成生物产业处于高速发展时期，国家持续出台政策助力产业发展。从“十二五”，国家提出对生物制造技术的支持；到“十三五”，国家将合成生物技术列为引领产业变革的颠覆性技术之一。此后国家出台一系列政策支持合成生物的发展，“十四五”更是强调了对生物合成的应用，在政策的大力支持下，合成生物产业也迎来了重要的发展机遇。   07   产业图谱：产业生态链分析与代表公司 合成生物学产业关键环节包括菌株设计改造、工艺开发、工业化量产和终端产品的交付，分为大致的上、中、下游。 上游是工具层，负责为该行业提供关键的底层技术和原料等，如DNA测序、DNA合成、基因编辑、细胞培养基以及菌株等，这类公司也被称为技术赋能公司。中游是平台层，提供技术赋能、构建平台型生物，涉及对生物系统和生物体进行设计、开发和改造等。 下游则是各类产品应用型公司，覆盖范围广泛，涉及医药、农业食品、化工能源和信息技术等领域应用和产品落地。 根据商业模式，合成生物学相关公司主要分为两类：一类是专注垂直化产品及专项技术突破，覆盖所有关键环节的全产业链产品型公司，企业需要建立从研发到生产的全链条能力，直接向客户交付终端的产品，因此选品是关键；另一类是底层技术驱动、专注于菌株设计和改造的平台型服务公司，根据性能特点选择应用场景，交付的产品是菌株，由代工厂完成产品的生产。 7.1  技术赋能型公司 开发使能技术的公司为行业提供关键的产品，如DNA测序、DNA合成、基因编辑、生物信息学或细胞培养基产品。如Agilent、Twist、Illumina、华大。 7.2  平台型公司 合成生物学的中游（平台层）和下游（产品层）界限并不清晰，往往是一体的。“平台型”企业通过软件工程、生化工具、基因工程、自动化平台、机器学习与数据科学、代码库等技术，打通“设计－构建－测试－学习（DBTL）”的循环迭代，建立一个生物体设计与软件开发的集成化平台，获得满足需求性状的微生物细胞工厂，实现从产品设计到微生物开发、最终规模化生产的进程。这类公司容易获得VC青睐。美国的Amyris、Ginkgo基因（高通量测序）、博雅辑因（基因编辑疗法）、泓讯生物（DNA合成）等企业。 Bioworks和Zymergen，都通过建立生物铸造厂来帮助将遗传电路自动化装到细胞中，实现工程化的海量试错从而加速设计周期。如Ginkgo，通过自身的代码库（Codebase）完成菌株设计、编码和修正，再通过铸造厂自动化生产出满足需求的微生物细胞，目前服务的客户横跨了食品、农业、工业化学、医药等行业。 Synthego公司提供“全栈式”基因工程服务，利用机器学习、自动化和基因编辑构建了全栈基因组工程平台。美国Benchling和英国Synthace以软件产品为主体，更有效地设计和构建自定义DNA序列。国内的惠利生物依托酶计算设计平台开发创新生物催化技术并实现商业化落地。当然，也有平台型公司在打造高通量、自动化的生物工程和筛选的同时，往下游延伸，或是与其他人合作共同开发，或是干脆自己下场来做终端产品，这类公司包括Amyris、Zymergen等，以及国内Bota（恩和生物）、合曜生物等。 Amyris在过去十年内逐渐完成从提供化工、医药制品原材料向生产高毛利消费品的转型，预计到2025年，公司72%的收入都将来自下游消费品。恩和生物依托自动化技术平台BotaFreeway，加速开发可替代传统石油基的生物基产品。合曜生物搭建以独特的非模式生物自动化改造技术为核心的三大技术平台，并拓展了多条化妆品与创新食品原料管线。 7.3  产品应用型公司 产品型公司打通了从生物构造、发酵纯化到产品改性的全产业链，侧重规模化生产，也就是发酵等后续环节，这类公司有明确的产品管线规划，选品也更务实，力求能在短期内做出上规模、有利润的终端产品，涉及医疗健康、化工能源、食品饮料、农业技术、信息技术等应用领域。目前是国内合成生物领域的主流商业模式，各家公司都拥有自己的“代表性产品”。 如凯赛生物的生物尼龙（生物基聚酰胺Polyamide）、华恒生物的丙氨酸（Alanine）、华熙生物的透明质酸（Hyaluronic Acid），到金丹科技生产的聚乳酸（PLA）、再到蓝晶微生物和微构工场生产的聚羟基脂肪酸酯（PHA），都是合成生物领域打通从研发到产品全产业链的成功案例。 图片来源：synthetic biology深波   08   合成生物学未来可期 合成生物技术发展成为传统技术的充分补充和替代，广泛用于医疗、化工、食品、农业、消费品等终端领域。在政策和技术的双重驱动下，截至2021年底，全球合成生物学相关市场行业整体爆发式增长，市场规模达到736.93亿美元，较2020年增长767.5%。中国合成生物学从基础研究到产业发展进入了快车道，2021年市场规模约为64.16亿美元，同比增长158.92%。 从细分市场来看，医疗、科研服务和化工行业是主要应用领域。其中增长最明显的是医疗领域，超过七成的药物发现来自生物，2021年市场规模达到687.24亿美元；其次是化工领域，合成生物学市场规模18.22亿美元；科研服务领域合成生物学市场规模18.11亿美元；农业领域合成生物学市场规模为4.97亿美元；食品领域合成生物学市场规模为5.08亿美元；其他领域合成生物学市场规模为3.31亿美元。 合成生物学将在未来10年内对各个行业产生重要影响。随着合成生物学的应用，医学、美容行业将在5年内迎来一定的产品替代和/或工艺改进，纺织品、食品、农业、化学品等各个行业也都将受到合成生物学技术进步带来的影响。 合成生物学行业快速扩容，预计到2024年全球市场规模将达到189亿美元。随着应用场景的增多和技术的改善，市场逐渐扩容，根据CB Insights的预测，2019年全球合成生物学市场规模约为 53亿美元，到2024年将扩容至约189亿美元，2019-2024 CAGR为28.8%，其中占比最高的为医疗健康细分应用领域。 据麦肯锡预测，2030-2040年期间，合成生物学每年在医疗健康方面潜在影响将达到0.5至1.2万亿美元，最终有望解决全球疾病总负担的45%。 从技术发展、政策、投融资等方面综合来看，合成生物学正处于行业成长期，凭借其在各个领域的广泛应用前景，未来有望推动生产制造升级，带来新一轮产业革命。 参考资料：  [1]Cameron DE, Bashor CJ, Collins JJ. 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01前 言合成生物学被称为是“第三次生命科学技术革命”，推动了人类实现从“认识生命”到“设计生命”的伟大跨越。合成生物学是一个跨学科的研究领域，旨在创建新的生物部件、设备和系统，或者重新设计已经在自然界中发现的系统。它涵盖了生物技术、基因工程、分子生物学、分子工程、系统生物学、膜科学、生物物理学、化学与生物工程、电气与计算机工程、控制工程等各个学科的广泛方法论，并与进化生物学相关。近年来，科学家们不断创新实验，在合成生物学领域不断突破：在底层核心技术突破的带动下，合成生物技术在食品，材料与化工，农业，医药健康，医美与化妆品等各领域中不断取得革命性的进展。随着时间的推移，市场上不断涌出合成生物学产品，各领域的合成产品优势明显，在绿色可持续等方面展现了不一样的前景。回顾历史，展望未来。本文为大家总结了合成生物学在各个领域的产品沿革，列举各产品开发的代表事例，总结行业现状。希望能够更好的了解合成生物学在各领域的产品发展，感知行业布局，利用合成生物学技术创造更好的未来。02食品领域传统的食品加工生产方式有些弊端，面临生态环境、人口增长、气候变化、公共健康等多方面的问题，人们生活水平的提高和消费结构的改变需要我们进行转型升级。合成生物学为食品领域带来了新方向。1、合成肉2013年，马克·波斯特（Mark Post）教授成功地培养出世界上第一块实验室培养的牛肉，其创建的Mosa Meat公司开发了一种名为“清真牛”的合成肉产品。科学家们通过合成生物学技术从动物细胞中培养出肌肉组织，避免了传统畜牧业中的环境破坏和动物福利问题。合成肉可以为人类提供高蛋白质的肉类替代品，同时减少了对有限资源的依赖。2、合成海鲜2015年，New Wave Foods公司开始研发一种名为“合成虾”的产品，其使用植物蛋白和海藻提取物来模仿真实虾肉的味道和口感，避免了捕捞对海洋生态的破坏，还提供了一种较为可持续的虾类替代品。3、合成奶2019年，Perfect Day公司用酵母菌进行发酵，产生与牛奶中的蛋白质相似的蛋白质成分，开发研制了合成奶。4、合成甜味剂2019年，Ginkgo Bioworks与Amyris公司合作开发了“合成甜味素”。合成甜味素使用微生物发酵产生甜味分子来代替传统甜味剂，如蔗糖或人工甜味剂，为食品和饮料提供低糖或无糖的替代选择。近年来，合成生物学被应用于多种食品配方与组分，相对于传统工艺，合成生物学有多种优势。一是变革了传统的食品制造方式，将食品的制造模式从种植养殖模式转变为车间制作模式；二是助力了食品的低碳制造；三是强化了食品的生产过程。合成生物学制造的食品正在改变人们的食品观念，并推动该领域的快速发展。在功能性食品领域，合成生物学具有不断增长的潜力，比如利用微生物发酵产生特定的食物分子。从食品原料的开发到细胞培养肉、微生物奶等替代蛋白，合成生物学在食品营养领域的应用也在逐年增加。例如，成立于2004年的嘉必优生物基于合成生物学平台加快虾青素、番茄红素等新产品的研发工作。而一兮生物、芝诺科技则将产品瞄准母乳低聚糖。弈柯莱生物与金禾实业共同出资成立上海弈金生物科技有限公司，计划推动合成生物学技术在天然甜味剂、食品原料减糖等食品领域的商业化应用，联合开发新一代代糖。03材料与化工领域随着合成生物学的快速发展，它在材料化工领域中的应用开始逐渐展现出潜力。材料是人类赖以生存与发展的物质基础，科技和社会的进步都离不开材料技术的发展，在合成生物学技术的帮助下，未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。1、生物合成聚合物1997年，NatureWorks LLC开发了一种生物基聚乳酸（PLA），该聚合物是由玉米淀粉或其他植物来源转化而来，具有可降解性和可再生性，可用于生产环保包装、纤维和塑料制品。2、合成生物塑料2007年，Bio-On公司开发名为PHAs的合成生物塑料，这种塑料由微生物代谢过程中产生的可生物降解聚合物制成，可以用来制造各种塑料制品，如包装材料、餐具、纤维和医疗器械。3、合成生物燃料2009年，Gevo公司将植物生物质转化为可替代传统石油的生物燃料。这种生物燃料可以应用于航空、汽车和能源行业，减少对有限的化石燃料资源的依赖。4、合成胶黏剂和粘合剂2017年，Bolt Threads开发了一种名为Microsilk的合成蛋白胶原基材料，可用于制造高性能纺织品和弹性材料。Microsilk模仿了蜘蛛丝的结构和特性，具有优异的强度和耐用性，同时可替代受限的天然蛋白纤维。5、合成生物染料2020年，Genomatica使用可再生资源和微生物发酵生产了合成生物染料。这些染料具有环保性、可持续性和低碳排放的特点，逐渐替代传统的化学染料，减少对环境的负面影响。一直以来，合成生物学在医药和食品领域的应用一直广受关注，而其在新材料、化工行业的技术进展才刚刚拉开序幕。据DeepTech统计，2021年全国合成生物学市场规模约为64亿美元，相比2020年之前增长约2~3倍。国内的企业大多处于初创阶段，与国外企业尚有一定的差距，但国内政策和资源优势明显，企业发展后劲十足。巴斯夫是全球最大的化工公司，其生物基产品包括生物基BDO、PBAT、TPU、可再生涂料等。索尔维在一些生物基产品上处于市场领先地位，包括瓜尔胶、生物源溶剂、高性能聚酰胺和天然香兰素。中国企业也在合成领域不断发展。安徽华恒生物科技股份有限公司是全球首家以发酵法生产丙氨酸并在国际上独家拥有核心发酵法生产L-丙氨酸技术、全球首家运用生物酶工程技术制造β-丙氨酸的高新技术企业。北京蓝晶微生物科技有限公司成立于2016年，是国内领先的生物法功能分子和新材料制造商。2021年4月7日，蓝晶微生物发布了年产2.5万t生物降解新材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)的产业化项目。上海凯赛生物技术股份有限公司成立于2000年，目前已实现商业化生产的产品主要聚焦聚酰胺产业链，在全球生物法长链二元酸市场份额中占据80%以上。04农业领域合成生物学在农业领域的应用为创新农业产品的开发提供了新的机会。这些产品在提高农作物的产量和质量、减少对农药和化肥的依赖、降低环境污染等方面具有重要的潜力，并为解决全球粮食安全和可持续农业发展提供了新的途径。1、转基因农作物第一个商业化的转基因作物是转基因大豆，它被改良成对除草剂草甘膦（Glyphosate）耐受。这标志着合成生物学为改良农作物的耐逆性和产量奠定了基础。2、合成生物肥料1990年代，合成生物肥料开始蓬勃发展，通过利用微生物菌株来制造对作物有益的肥料。这些微生物生产出一系列的有机酸、植物生长激素和其他生物活性物质，用于提高作物的生长和产量。Mycorrhizal Applications使用合成生物学技术生产合成生物肥料。这种肥料由活性微生物种子和富含有机质的材料组成，可以增加植物的营养吸收和生长，提高农作物产量和质量。3、合成植物株2010年，合成生物学公司Amyris合成了一种高效产油的合成植物株，该植物株可以作为可持续的生物燃料来源，并在农业领域提供了新的能源解决方案。4、合成农作物改良2014年成立的Indigo Agriculture是一家合成生物学公司，他们利用合成生物学技术改良农作物。他们开发了对逆境条件更加抗性的作物品种，例如耐旱、耐盐以及抗虫害的合成转基因玉米和水稻。5、合成生物农药2015年，GreenLight Biosciences开始了对基于RNA干扰技术的合成生物农药的研发工作，致力于利用该技术对农作物病虫害进行防控。他们开发了基于RNA干扰技术的合成生物农药。这种农药可选择性地杀灭昆虫和病原体，同时对非目标生物没有副作用，为农业生产提供了更安全、可持续的解决方案。6、合成植物基因编辑CRISPR-Cas9基因编辑技术在合成植物改良方面的应用始于2013年。这一年，研究人员首次利用CRISPR-Cas9系统成功地编辑了拟南芥的基因。这项突破标志着CRISPR-Cas9技术在植物基因编辑领域的开端。Pairwise Plants合成公司利用CRISPR-Cas9基因编辑技术进行合成植物改良，研发出了抗虫害、抗逆境和营养丰富的合成植物品种，以提高农作物产量和耐受性。基因编辑技术可以用于改良农作物的产量、抗病性和耐逆性，实现传统育种无法达到的精准控制。合成生物学在农业领域的不断发展和应用，为农业生产的改良、可持续性和效率提供了新的机遇和解决方案。例如，科学家们利用基因编辑技术成功研发出多种具有抗病和抗虫性的水稻作物。Zhu等实现了在水稻胚乳中虾青素的从头合成，获得富含高抗氧化活性虾青素的“虾青素大米”。在合成生物学在生物农药方面的应用也在快速发展。2017年6月，拜耳公司表达昆虫dsRNA的抗虫玉米MON87411获得美国EPA(U.S Environmental Protection Agency)的种植许可，随后获得了多个国家的安全证书及种植许可，此后涌现了一大批基于RNAi技术进行病虫害防控的新兴公司，极大地加速了RNA生物农药的产业化步伐。05医疗健康领域在健康与医药领域，合成生物学研究成果和技术创新可以在认识生命规律的基础上，解析疾病发生发展机制、寻找药物设计靶点、干预自然的生理代谢过程与机体的免疫应答机制，实现对人体生理状态的监测以及对疾病的诊断与治疗，从而深刻影响医疗模式、诊疗体系和生命健康产业。合成生物学在医疗健康领域的应用为创新医疗产品的开发提供了新的机会。这些产品在治疗糖尿病、输血短缺、耐药性细菌感染和传染病预防等方面具有重要的潜力，并为改善人类的健康状况和提高医疗保健水平做出了贡献。1、合成青蒿素2005年，美国公司Amyris利用合成生物学技术得到青蒿酸，再用化学合成方式得到青蒿素，其后与医药巨头赛诺菲合作，实现大规模量产。2、合成人造医疗酶1982年，Amgen公司成功地利用合成生物学技术生产了人造酶重组人促红细胞生成素。这是一种刺激红细胞生成的蛋白质激素，用于治疗缺铁性贫血和肾性贫血。Amgen公司的重组人血小板生成素成为了第一个通过合成生物学技术生产的批准上市的人造医疗酶。此后，Amgen还开发了其他重要的人造医疗酶，例如重组人粒细胞刺激因子，用于促进白细胞生成，以及重组人血小板生成素，用于治疗血小板减少症。3、合成抗体药物Synthetic Genomics利用基因合成和编辑技术开发了合成抗体药物。这些药物通过合成过程生产，可以用于治疗多种疾病，包括癌症、自身免疫性疾病和传染病。4、合成DNA疫苗2020年初，COVID-19病毒成为全球关注的焦点，科学界迅速投入研究和开发相关疫苗。Moderna于2020年1月11日首次公布了SARS-CoV-2病毒基因组的序列，并在几天后就利用合成生物学技术开始了其mRNA疫苗的设计和开发。BioNTech也是在2020年初迅速开始了基于合成DNA的疫苗的开发。他们与辉瑞合作，共同开发了BNT162b2疫苗。这些疫苗基于合成的DNA序列，可以启动人体免疫响应，用于预防疾病，包括COVID-19新冠病毒疫苗。5、合成生物药物Zymergen是一家以合成生物学为基础的公司，他们利用基因编辑和高通量筛选技术，开发了合成生物药物。这些药物使用合成生物学方法生产，具有更高的纯度和活性，为疾病治疗提供了创新的解决方案。合成生物学技术已经在健康与医药领域展现出强大的潜力，应用于疾病发生发展的各个阶段，包括但不限于疾病预防、诊断和治疗等过程。例如，将异源途径整合到设计改造的细胞中用于高效生产医疗制剂，将培养基中天然产物的产量提高到等于或高于植物或真菌提取物的产量，构建靶向肿瘤的新型基因线路，可控地释放治疗剂并响应特定生物标志物以对抗多种慢性疾病等。此外，还开发了新的策略来治疗传统医疗手段难以治愈的复杂免疫疾病、传染病和代谢紊乱等。目前，国内已有多家合成生物学相关的生物医药应用型公司，如华东医药、川宁生物、弈柯莱生物、欣贝莱生物、臻质医疗、羽冠生物、百葵锐生物、合生基因等等。06医美与化妆品领域合成生物学在医美与化妆品领域的应用为创新产品的开发提供了新的机会。受到技术、原材料、政策等因素的限制，胶原蛋白、角鲨烯、燕窝酸等原料虽然功效出众，但依然无法大规模应用在化妆品领域，利用合成生物技术生产同类物质，可以很好地规避以上限制。1、合成香料和香精Ginkgo Bioworks是一家合成生物学公司，他们利用基因编辑和合成生物学技术合成了多种天然香料和香精。他们的产品包括以合成方式获得的香草香精和玫瑰香水。2、合成生物表面活性剂Amyris于2011年利用合成生物学技术合成了生物表面活性剂。通过利用合成生物学技术，Amyris成功地将植物微生物重新编程，使其生产出具有表面活性剂性质的化合物，取代了传统石化来源的表面活性剂。这项创新技术为生物化学产业带来了更可持续和环保的解决方案。3、合成胶原蛋白2013年，科学家们首次合成了部分胶原蛋白。研究人员使用DNA合成技术合成了胶原蛋白的碱基序列，并将其插入到细胞中以产生胶原蛋白。2017年，研究人员成功合成了全长度的人类胶原蛋白。Geltor公司利用合成生物学方法合成了一种高效的胶原蛋白，其用于制造护肤品和化妆品，具有更高的纯度和活性，能够提供更有效的抗衰老和皮肤修复效果。4、合成天然色素Perfect Day是一家创新的食品公司，它于2019年利用合成生物学技术成功地合成了乳制品中的动物蛋白质。该技术使他们能够生产出与传统乳制品相似的牛奶和冰淇淋，但并不需要利用真正的动物。这项技术为人们提供了一种更可持续和环保的乳制品替代方案，同时能够满足乳制品的风味和营养需求。合成生物学可以提高已有原料的生产效率，进一步降低成本：合成生物法的底盘细胞经过定向设计后，其产率将远远高于自然界中已有的菌株。利用合成生物学生产化妆品原料，不仅收率高、生产成本低，而且更符合绿色可持续发展得理念。西安巨子、山西锦波、江苏创健等公司利用合成生物学生产出重组人源化胶原蛋白，其选取的氨基酸序列与人体胶原蛋白部分序列相同，而且部分企业已经掌握了去除重组胶原蛋白大规模量产过程产生的内毒素的技术，这类重组胶原蛋白作为化妆品添加剂可大大降低致敏率，有助于推广胶原蛋白材料在化妆品中的应用。另外，通过合成生物技术，我国在人参皂苷、β-胡萝卜素、红景天苷等天然产物生物制造方面已取得了众多进展。例如，中科院上海植生所研究团队通过优化稀有人参皂苷CK酵母细胞工厂的糖基供体供给及合成途径关键元件的表达,使得CK产量突破了5.7g/L。07总 结总而言之，合成生物学在各个领域发展有着至关重要的地位，作为第三系技术革命，通过技术层面的进步与创新合成领域的产品也在不断的更新，为人类的生活带来了改变。我们要把握住合成生物学技术革命，不断加速创新，未来生产出更多的绿色可持续的合成产品。参考文献[1]合成生物企业与产品分析[J]. 中国生物工程杂志, 2023, 43 (04): 141-147.[2]刘虎虎,田云.走进合成生物学[J].科学,2023,75(02):30-34+69.[3]曾小美, 朱泽熙, 翁俊. 合成生物学产品商业化安全监管思考[J]. 生物工程学报.[4]张拓宇, 孟庆海. 于产业视角的合成生物学发展态势研究[J]. 世界科技研究与发展.[5]赵田鑫, 钟超. 合成生物学技术在材料科学中的应用. 生物工程学报, 2017, 33(3): 494-505[6]陈洁,黄永康,王希.合成生物学在化工新材料领域的应用及展望[J].生物技术进展,2023,13(01):39-45.DOI:10.19586/j.2095-2341.2022.0098.[7]赵越. 合成生物学在食品领域的发展前景与热点[J]. 张江科技评论, 2023, (05): 32-35.[8]刘晓,薛淮,颜韬等.2023年合成生物学在健康与医药领域的应用[J].生命科学,2024,36(01):72-80.DOI:10.13376/j.cbls/2024010.[9]徐显皓,刘龙,陈坚.合成生物学与未来食品[J].中国生物工程杂志,2024,44(01):61-71.DOI:10.13523/j.cb.2311100.[10]刘晓,薛淮,颜韬等.2023年合成生物学在健康与医药领域的应用[J].生命科学,2024,36(01):72-80.DOI:10.13376/j.cbls/2024010.[11]郭学平.合成生物学——化妆品原料的创新驱动力[J].中国化妆品,2021(12):18-24.[12]Zhu Q,Zeng D,Yu S,et al(2018).From golden rice to aS-TARice:bioengineering astaxanthin biosynthesis in rice endosperm.Mol Plant, 11(12): 1440-1448合成产品主题馆2024第二届合成生物学产业博览会将再度打造合成产品主题馆，主题馆入驻覆盖合成生物学所有关键环节的全产业链产品型公司，聚焦食品、消费品、农业、能源、医美和化妆品等领域利用生物合成技术实现的产品，将吸引众多行业头部企业入驻；同时，合成产品主题馆还将持续深化BC双端观众吸引力，提供更加专业且定制化的服务内容，期待您的加入！2024合成生物学产业博览会合成产品主题馆以提升特色合成生物学产品知名度为定位，以拓宽合成生物学产品线下宣传渠道为目标，以加强企业之间的交流与合作为主旨，通过多元化的形式，展示食品、消费品、农业、化妆品等领域的合成产品成果，不断提升产品的影响力、竞争力和品牌价值。一大批合成生物学产品届时将集体亮相主题馆，尽显合成生物技术魅力，助力合成生物产业的发展升级。·主题馆名称·2024SBC合成产品主题馆·主题馆主题·生物制造新力量，选品弥足珍贵！·主题馆时间·2024年4月12日-13日·主题馆地点·江苏·南京SBC2023产品主题馆 部分展示图*2024年产品主题馆效果展示图设计中，尽情期待三大产品主题馆：合成生物学现在到底能生成什么产品？2024升级再出发，三大产品主题馆欢迎前来入驻。更多详情欢迎咨询：Seven18121311478生物制造新力量！免费入驻！点击小程序立即报名吧:合成产品主题馆登记表