合成生物学多重因素推动行业发展

合成生物学是一门典型的“汇聚”型新兴学科。2000年，斯坦福大学Kool在美国化学学会年会上指出，当前许多研究人员，正在利用有机化学和生物化学的合成能力，设计出在生物系统中发挥作用的非天然合成分子，他将之定义为“合成生物学”。合成生物学是一门通过合成生物功能元件、装置和系统，对细胞或生命体进行遗传学设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能的生物系统的学科。它把“自下而上”的“建造”理念与系统生物学“自上而下”的“分析”理念相结合，利用自然界中已有物质的多样性，构建具有可预测和可控制特性的遗传、代谢或信号网络的合成成分。作为一门典型的“汇聚”型新兴学科，近年来合成生物学引起了科学界的高度重视，它的崛起突破了生物学以发现描述与定性分析为主的“格物致知”的传统研究方式，提出了“建物致知”的全新理念，通过生物体系的模拟、合成、简化和再设计，使得人类更加深刻地理解生命的本质。作为一门交叉学科，合成生物学不仅包含基因工程、蛋白质工程等传统学科，同时结合了系统生物学、化学、工程学等其他学科的研究思路，以生物技术和工程化理念为基础，旨在设计与制造以生物为本质的组件与体系，使其达到人类的需求。其研究不仅可以使人们对生命科学中的遗传、发育、疾病、衰老以及进化等现象进行深入探索与解析，同时还可以通过执行一些特殊的生物功能再加工生命系统，从而使得其应用领域更加广阔，加速合成生物系统的工程化进程。

合成生物学历经4个发展历程。合成生物学发展迅速，其发展经历大致可以分为4个阶段：第一阶段是合成生物学的创建时期（2000—2003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；第二阶段是摸索完善时期（2004—2007年），这个时期的重要特征是虽然领域有扩大趋势，但工程技术进步比较缓慢；第三阶段是快速创新和应用转化时期（2008—2013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；第四阶段是飞速发展新时期（2014年至今），该时期研究成果全面提升，特别是酵母染色体的人工合成等领域取得突破性成果，为人类实现“能力提升”的宏伟目标奠定了重要基础。

合成生物学产业大致可以分为上、中、下游。合成生物学产业生态覆盖面庞大，不同技术和产业落地方向多元，且都有相当的市场规模。基于此，可以将整个合成生物学产业分为大致的上、中、下游。其中，上游开发使能技术，包括DNA/RNA合成、测序与组学，以及数据相关的技术、产品和服务。DNA/RNA片段的测序、编辑和人工合成技术是整个合成生物学的底层基础技术；中游是对生物系统和生物体进行设计、开发的技术平台，合成生物学从生物的基因编辑，到产品和服务的商业化落地，这之间存在着超长的技术链条。将实验室中能够用于解决实际问题的研究转化和扩大，需要对多种方向的专业技术进行密集而深度地整合，建立前所未有的基础设施和方法流程。合成生物平台类公司，扮演了“生物基解决方案”设计师和开发者的角色；下游是涉及人类衣食住行方方面面的应用开发和产品落地。合成生物学公司的技术和创新通常不会局限于上述产业的某一个层次。特别是对于着重下游应用和产品落地的公司，需要有打通从研发到产品落地全链条的过硬能力，以降低自身的商业风险和确保强竞争力。同时，来自上、中、下游的重大突破和创新也在相互促进和加强。

成生物学在医药领域应用主要涉及疾病诊断、疫苗、抗生素、药物、基因治疗、细胞工程等产品。美国合成生物学家JayKeasling设计构建了能够生产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞，堪称合成生物技术的重大应用典范。诺华公司开发的癌症细胞疗法Kymriah将工程活细胞用于医学治疗是第一个经FDA获批的细胞疗法，全球首个脊髓性肌萎缩症基因疗法Zolgensma也获美国FDA批准上市；在能源环境领域，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。印度理工学院SanjayKumar团队发现了生物燃料增长最快菌株拉长聚球藻UTEX2973，已知的聚囊藻属PCC6803和长聚藻PCC7942等已成功用于生物燃料生产。以色列魏茨曼科学研究所RonMilo团队创制出可固定二氧化碳的大肠杆菌，使其从异养生物变成自养生物；在化工领域，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。Genomatica公司将生物基丁二醇的工艺商业化，开发聚酰胺中间体和长链化学品。麻省理工学院ChristopherVoigt团队利用细菌孢子构建的3D弹性生物材料能应对极端应力包括干燥、溶剂、渗透压、pH值、紫外线。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在淀粉人工合成方面取得突破性进展，在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成；在食品领域，涉及人造肉、油、酒、蛋白质、食品添加剂和天然功能成分等。PerfectDay和ClaraFoods公司通过合成生物学技术开发合成蛋白类产品，如牛奶、蛋清奶酪等。Calyxt公司的高油酸大豆油是第一款进入美国食品供应市场的基因编辑大豆油；在农业领域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。Agrivida公司开发的酵素植酸酶Grain可以提高饲料的消化率，减少动物体内的营养抑制剂。GreenlightBiosciences公司致力于开发创造高性能的RNA农作物，使其精确靶向免疫于特定害虫，不会伤害有益昆虫或在土壤、水中残留。

行业市场规模在2027年有望接近400亿美元。根据CBinsights统计数据显示，2022年全球合成生物学市场规模达到140亿美元，其中医疗健康为最大的细分市场，市场规模接近56亿美元。根据CBinsights的预测数据，随着合成生物学在各领域应用更加广阔以及技术改善，合成生物学行业市场规模有望快速扩容，预计到2027年，合成生物学的市场规模将达到387亿美元，其中医疗健康仍然将是最大细分市场，市场规模有望达到103亿美元，占比达26.6%。食品和饮料及农业预计将是未来增速最快的赛道，因动植物选择性育种、DTC基因测试、基于微生物美容产品等带来的广泛前景应用，预计2022年至2027年的年复合增长率将分别为45.4%和56.4%。

图表：全球合成生物学医疗健康领域市场规模

数据来源：中研普华产业研究院整理

合成生物学是当今生物学领域的前沿研究方向，合成生物学技术正在逐步取代传统化学合成成为全球医药、食品、材料等领域“绿色合成”的重要途径。与传统的化学合成相比，合成生物学技术具有如下优势：①传统化学合成的原料主要来自石油、煤炭等石油基物质，而合成生物学技术所使用的原料以生物基物质为主，生物基物质数量巨大、价格低廉。体外合成生物学法工艺路径利用酶促反应缩减了传统化学法的工艺步骤数，缩短了工艺流程、减少了生产流程中碳的排放；②传统的化学合成在制造复杂分子方面较为受限，需要通过大量的中间体步骤才能生产出最后的目标分子。合成生物学技术在生产上述复杂分子方面具有显著优势，可通过构建高性能酶或者设计底盘细胞内的代谢通路直接获得目标产物，简化了工艺步骤、提高了生产效率；③传统化学合成过程中的“三废”污染较重、能耗较高。合成生物学技术缩短了生产工艺步骤、减少了化学品的使用、避免了金属催化剂带来的重金属污染，从而显著降低了“三废”排放与生产能耗，是一种绿色环保的制造方式；④合成生物学技术安全性高，合成生物学技术的安全性主要体现在两个方面：一是合成生物学技术工艺的生产过程通常在常温、常压下进行，环境安全，条件简单；二是合成生物学产品具有食品安全性，传统化学合成过程中常有重金属和有机溶剂残留，而合成生物学技术可以克服这一问题。