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基础化工行业合成生物学专题研究：其命维新_引领未来1. 合成生物学概述1.1. 什么是合成生物学？合成生物学是一个非常广泛的定义，是多学科高度融合的结果 合成生物学汇聚并融合了生命科学、工程学和信息科学等诸多学科，在天然产物合成、 化学工业、生物能源、生物医药等诸多领域有广泛的应用前景。 颠覆性的生产方式：合成生物学不同于传统的生物学，基于对生物学的理解，对生物体 进行有目标的设计、改造、重新合成以创造可预知、可再生、功能明确的生物“机器” 有机体，服务于人类社会。合成生物学的典型产业链结构是怎样的？运用合成生物学的手段实现生产产品产业化主要包含菌种改造、代谢调控、分离纯化、聚合 工艺、应用开发五个重要环节，其以合成生物为工具，利用糖、淀粉、纤维素、甚至二氧化碳 等可再生碳资源为原料，进行化学品、药品、食品、生物能源、生物材料等物质加工与合成。 而合成生物学之所以能够实现对产物的定量可控，其核心在于运用基因工程手段实现对菌种的 改造工艺以及合成途径的精确调控。合成生物学与传统发酵的区别在哪里？传统发酵工艺：通过微生物（细菌、酵母和霉菌等）的发酵作用或经过生物酶的作用， 对食品原料进行加工使其发生生物化学及物理变化，产出具有独特风味的发酵产品。以 我国传统发酵食品白酒的酿造过程为例，生产过程需经过多次投料、多轮次发酵以及长 期贮存等操作，且白酒口感风格易受到曲种、发酵环境、人工勾兑效果等多重因素影响。 传统发酵工艺通常带有制造和贮存过程工艺复杂、发酵产物不稳定、生产周期长、产品 风味多受环境影响较难控制等问题。酶法工艺：与传统发酵工艺同属于微生物法合成法，酶法又称酶催化法，是借助酶蛋白 的催化将原料转化为产品的一种技术方法。以酶法合成法生产 L-色氨酸为例，该工艺是 一种工业化中常用的成本较低的生产方法，其利用微生物中 L-色氨酸生物合成酶系的催 化功能生产 L-色氨酸。相比传统发酵工艺，酶法具有产品收率高、纯度高、副产物少、 精致操作简单的优点。在传统发酵工艺和酶法的基础上，合成生物学的“工程学特质”实现了合成途径和产成 品的定量可控。合成生物学的工程学内涵所包含的“定量生物学”“分子生物学”与“系 统生物学”理念实现了对合成产物的定量可控。其采用的正向工程学“自下而上”的原 理，对生物元件进行标准化的表征，建立通用型的模块，在简约的“细胞”或“系统” 底盘上，通过学习、抽象和设计，构建人工生物系统，其构建生物体统的理念与构建传 统工程、计算机工程相同。1.2. 合成生物学为何引起关注？1.2.1. 政策、产业联合推进行业快速发展美国在合成生物学的研究、开发和应用上起步早，总体处领先地位 合成生物学是继 DNA 双螺旋结构发现（1953 年）和人类基因组测序（2003 年）之后的 “第三次生物科学革命”，其最早可以追溯至 1910 年，由法国物理化学家 Stephane Leduc 首次提出（生命与自然发生的物理化学理论）。美国最早在 2006 年由美国国家科学基金会 (NSF) 向新成立的合成生物学研究中心 （SYNBERC）提供为期十年共 3900 万美元的资助，为美国的合成生物学研究领域奠定了 基础。欧洲最早一批聚焦合成生物学的国家，顶层设计布局始于 2009 年，该年英国、德 国、法国研究学院分别发表在合成生物学行业研究报告或设立研发中心，旨在提升行业 的发展优先级以及指定本国未来的行业发展目标。从成效上看，凭借早期（2005 年-2015 年）的政策支持与资金赞助，美国合成生物学市 场发展处于全球领先地位，目前拥有全球范围内最多的合成生物学领域初创公司，全球 市场份额占比为 33-39%（2019 年）；英国紧随其后，同期占比 8-12%。我国国家重点研发计划及政策布局齐力推动行业快速形成、发展1997 年，我国重点基础研究发展计划启动（“973 计划”），主要支持国家重大需求驱动的 基础研究和重大新兴交叉科学前沿领域。2010 年启动部署“合成生物学”专题研究，其 中安排了 10 个研发项目，为我国合成生物学发展奠定了重要基础。2018 年，在前期发 展计划（“973 计划”）的基础上，科技部启动国家重点研发计划“合成生物学”重点专项， 专项中重点部署“人工基因组合成与高版本底盘细胞”“人工元器件与基因线路”“人工 细胞合成代谢与复杂生物系统”以及“使能技术体系与生物安全评估”等 4 项主要任务， 涵盖 了 11 个任务模块、47 个研究方向。国内各省份政府管理部门积极指定战略规划，促进合成生物学的基础研究、应用研究与 成果转化。当前国内诸多省份已出台并颁布重点鼓励和支持合成生物学行业的政策，加 强顶层设计，助推行业更快发展。1.2.2. 量变到质变基础研究累积、关键使能技术突破、行业融资率攀新高推动合成生 物学进入应用转化期基础研究迅速累积2020 年 10 月发表在 Nature自然杂志的一项研究将合成生物学领域的发展以 2010 年 为界划分为两个时段：2000-2010 年与 2010-2020 年。整体上看，2000-2020 年的 20 年间，合成生物学行业快速发展体现在三个方面：前期基础研究快速发展，研究论文产 出不断增加；相关技术进入应用研发期，专利申请量快速增长；行业内企业获多元资金 投入，融资额不断攀高。具体上，可以将合成生物学行业发展划分为四个阶段，分别为基础研究萌芽期（2005 年 以前）、基础研究成熟期（2005-2011 年）、应用开发期（2011-2015 年）以及产业投资期 （2015 年以后），各期间合成生物学的技术难题不断突破，应用范围持续拓展。关键使能技术突破，提升行业转化效率颠覆性使能技术（enabling technology）是支撑合成生物学发展的关键。使能技术是指 一种推动行业发生根本性变化的发明或创新技术；在合成生物学领域，DNA 合成以及高 效基因组编辑技术是两大其核心使能技术。（1）DNA 测序与合成高效低成本的 DNA 测序是实现 DNA 合成的基础。自 2003 年科学家完成人类基因组测 序以来，DNA 测序成本的下降速率已经突破了计算机工程中经典的“摩尔定律”。2019 年，人类个体全基因组测序的价格已低于 1000 美元，预计这一价格有望在未来 10 年内 降至 100 美元以下。测序成本的下降使得下一代 DNA 测序成为可能，在一系列现代技术 中，数百万或数十亿条 DNA 链可以被平行测序，然后被组装成一个单一的序列。DNA 合成技术突破： 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。进入 21 世纪，为降低 DNA 合成成本，研发人员开发了光刻合成、 电化学脱保护合成、喷墨打印合成这三种芯片式原位合成技术，其中喷墨打印技术因其 高通量、高效率、低成本极大地推动了 DNA 合成的发展。大规模、高精度、低成本的 DNA 合成技术推动合成生物学的效率提升。目前，现有基因 合成的主流方法是基于寡核苷酸合成仪来合成寡核苷酸，然后在此基础上利用 PCR 等手 段来进行基因合成；该技术的工程化使合成通量大幅度提高，催生了众多生物公司开展 基因合成业务，合成价格也因此极大降低。（2）基因组编辑技术突破：在 2008-2013 年这一阶段实现了人工合成基因组的能力提升到了接近 Mb（染色体 长度）的水平，基因组编辑技术出现前所未有的突破。CRISPR-Cas 基因组编辑技术高效、廉价等优点在合成生物学领域形成广泛应用。基因组 编辑技术，是指一种对目标基因进行编辑或修饰的基因工程技术。目前，主要有 3 种技 术：锌指蛋白核酸酶（ZFN）、类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）以及 CRISPR/Cas （CRISPR；Cas）系统。由于 CRISPR 系统的高效、方便、廉价等优点，前两种方法在 CRISPR 系统发展起来之后被逐渐淘汰。从 2012 年起，科学家利用 CRISPR-Cas 体系的可 编程和精准切割等特点陆续发展了一系列基因组编辑的工具，其宿主范围目前已经覆盖 了从细菌到高等生物，而且还在不断增加中。2014 年至今，由使能技术的工程化平台和生物医学大数据推动的合成生物学已进入到发 展新阶段。利用工程化平台进行合成生物研究能够实现依照“设计构建测试学习” （DBTL）的闭环策略组织工艺流程，进行工程化的海量试错，从而快速获得具有目标功 能的合成生命体。行业初创企业获风险投资额屡创新高，2021 年成投资元年一级市场资金的注入对合成生物学相关技术的应用和产品开发具有重要推动作用，体现 了行业从企业集中前端研发进入到产业的市场进入期。 2021 年成为合成生物学投资元年。2009-2020 年，全球合成生物学初创公司共计获融资 额 215 亿美元，而 2021 年当年就达 180 亿美元，单年获融资额占过去 12 年比例超 80%； 其中，2021 年第三季度单季度融资额为 61 亿元，为历史单季度最高水平。2021 年成为投资元年，主要体现在投资强度快速扩大，从投资结构上来看，依旧以应用 为主导。我们分析，主要系行业从前期技术研究阶段开始转变为在医药、食品、材料和 能源领域推出大量市场应用的落地。在 2021 年前三季度合成生物学领域筹集的 150 亿美 元中，VC 在技术应用领域方面的投资额占比达到了 87%，而生物体工程平台（Organism Engineering Platforms）等前端技术开发端使用的筹集资金额仅占 11.8%。1.3. 合成生物学国内外企业商业模式有何区别1.3.1. 全球合成生物学公司可划分为基础层与应用层合成生物学产业可以划分为上、中、下游三个部分，其中位于中上游的公司处于基础层， 位于下游部分的为应用层公司。基础层领域包括上游合成生物学使能技术公司和中游平 台类公司，这些公司掌握物体设计与自动化平台、DNA 和 RNA 合成或软件设计等技术； 对于应用层领域的公司，其产品核心内容在于利用合成生物学技术，将其应用于医疗保 健、工业化学品、生物燃料等产品的开发和市场化领域。基础层：合成生物使能技术公司+平台类公司合成生物使能技术公司为产业提供底层技术支持。DNA 和 RNA 的合成与软件服务是合成 生物学研究服务市场的重要细分领域。DNA 合成主要包括两部分，寡核苷酸合成和基因 合成，Twist Bioscience、DNA Script 与 Synthego 是该领域的代表性公司。以软件服务打 开市场的企业主要通过重点开发软件产品，该领域典型代表公司有 Benchling 和 Synthace， 生产产品包括开发软件平台以加速新型生物或基因产品生产。多功能、自动化“生物制造平台”是合成生物学产业价值链的核心。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。具备“全链 条生产”能力的平台型企业，能够通过打通上游核心技术与下游市场应用，适配不同领 域的需求提供服务。国外代表型公司主要有 Amyris，Ginkgo Bioworks，Zymergen，同时， 据 CB Insights 统计，我国也存有少数平台型公司，代表企业有 Bota Biosciences 恩和生物。 此外，蓝晶微生物与衍进科技（LifeFoundry）两家企业正朝着平台型公司发展思路集中 发力。应用层：合成生物产品开发/应用类公司位于合成生物学应用层的公司重点利用合成生物底层技术开发下游广泛应用领域，涵盖 人们生活衣食住行各方面。前文合成生物学领域全球初创公司融资情况分布中可以看到， 当前位于应用领域的公司更获资本市场的青睐，融资占比超 80%（2021Q1-Q3）。1.3.2. 我国合成生物企业处于早期发展阶段我国合成生物学生产企业在基础层与应用层领域均有分布，多集中在基础层领域，部分 技术具备全球领先优势，合成生物产业处于较为早期的阶段。综合来看，国内的合成生 物学企业主要分为两大类：一类借鉴国外的模式，通过整合科研院所以及社会各界的学 术资源，通过自动化、机器学习以及大量生物数据的会聚来提高研究的发现、通量和产 量，从而构建技术研发平台，为下游企业提供基于合成生物学的解决方案（基础层）；另 一类则专注于产品，在产品生产过程中采用先进的生物工程技术，探索高效的生物合成 方法（应用层）。在 2020 年 12 月由 EB Insights 发布的全球值得关注的 50 家合成生物学企业中，中国 企业上榜 9 位，它们分别为：Bota Biosciences、博雅辑因、南京传奇生物、泓迅科技、 合生基因、凯赛生物、蓝晶微生物、森瑞斯生物、鑫飞生物。除上榜企业外，华恒生物、 衍进科技等企业在产品生物制造领域同样具备先进技术优势。2. 合成生物学产业链在化工领域的应用2.1. 合成生物学应用领域广泛合成生物学技术的进步扩展了其下游应用领域，而应用领域的发展情况反过来对生物制 造的创新速度与程度具有积极推动作用。 合成生物学基因测序及合成技术的进步，标准化的基因调控元件及各种载体、底盘细胞 的开发显著促进了代谢工程的发展；各种复杂的基因线路的设计和构建正逐步开始用于 疾病防治及环境污染检测治理等方面。另一方面，据麦肯锡研究，生物制造技术的创新速度与程度依赖于下游应用领域的发展。 目前，合成生物学已经在包括医药、化工、农业的领域实现了应用；此外，在医药领域， 目前采用生物途径进行药物制造已经展现出了早期商业应用迹象；而在一些使用基因工 程植物来固定 CO2 的应用中，在前端研究领域表现出可行性，但在商业应用层面还未取 得较大突破。据 CB insights 和 Biospace 统计，2020 年，全球合成生物学市场规模为 61 亿美元， 20172020 年行业 CAGR 为 16.15%，而 CB insights 预测，到 2024 年行业规模有望增长 至 189 亿美元。 从下游应用市场结构来看，医疗健康和工业化学品是合成生物学最为重要的两大应用领 域：2019 占比分别 40%、21%；而 CB insights 预测，到 2024 年食品饮料、农业等领域占 比分别提升至 14%和 12%，医疗健康和工业化学品占比预计分别为 26%和 20%。2.2. 合成生物学在化工领域的应用2.2.1. 合成生物制造与化学合成的区别是什么？合成生物制造通过利用糖、淀粉、纤维素以及二氧化碳等可再生碳资源进行有机化合物 的生产，反应过程具有清洁、高效、可再生等特点，能够减少工业经济对生态环境的影 响，未来有望在医药、食品、能源、材料、农业等领域引发生产制造模式的变革。合成生物学在绿色化工中广泛应用。根据麦肯锡研究，全球经济中 60%的物质投入都可以 通过生物方式生产。不同于传统微生物发酵生产模式，化学品的绿色制造并非依赖于对 产物天然合成菌株进行优化，而是重新合成全新的人工生物体系，将原料以较高的速率 最大限度地转化为产物。整个生产链条可分为原料的利用、底盘细胞的选择和优化以及 产品的生产三个部分。合成生物制造可以用来生产大宗产品、可再生化学品与聚合材料、精细与医药化学品以 及农产品等产品。同时，天然产物结构复杂，利用化学合成途径繁琐，得率低、能耗高、 污染重，难以实现环境友好的规模化生产。因此，借助合成生物学，构建合理的合成途 径及菌种为化工品和天然产物的产业长久发展提供了新的思路。2.2.2. 合成生物路径在化学品制造中的优势如何？（1）合成生物制造路线比传统石化路线反应过程更温和，更节能低碳与化学合成方法不同，生物制造利用生物资源或化石资源在生物微工厂内进行物质转化， 过程条件温和。和石化路线相比，目前生物制造产品平均节能减排 3050，未来潜 力有望达到 5070，同时减少环境影响 20%60%，这对工业基础原材料的化石原料 路线替代、高能耗高物耗高排放工艺路线替代以及传统产业升级，将产生重要推动作用。 据世界自然基金会（WWF）估测，到 2030 年，工业生物技术每年将有望降低 1025 亿 吨 CO2 排放，约占 2020 年总排放量 3.1%-4.7%（2020 年全球 CO2排放量约 320 亿吨）。（2）部分生物法制造的产品具备显著的成本优势合成生物制造可以通过降低产品生产成本，提升产业竞争力。例如，1,3-丙二醇的合成生 物制造与石油路线相比，原料成本下降 37%；巴斯夫公司开发的维生素 B2 的生物转化过 程比化学过程成本降低 50%；丁二酸的生物法制备路线生产成本比传统石化路线降低 20%。 此外，华恒生物公司的厌氧发酵法生产 L-丙氨酸工艺，其产品生产成本和酶法相比可以 大幅降低 50%。（3）一些合成生物制造具备技术的先进性，在产品品质方面更具优势饲料、食品添加剂等领域需求旺盛的烟酰胺，采用化学-酶法新工艺后可实现 100%的原子 经济性，克服了化学催化路线中烟酸到烟酰胺的胺化反应有 4%烟酸残留而需要重结晶分 离的问题，技术优势显著。此外，西格列汀（sitagliptin，一种可有效治疗 2 型糖尿病的 降糖药物）采用生物合成方法实现的产品总得率和生产效率均显著高于化学合成方法。（4）合成生物制造路线具备平台效应，可以实现一个菌种生产多项产品利用合成生物学手段改造大肠杆菌，可以由葡萄糖合成正缬氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、 亮氨酸和苯丙氨酸等多种氨基酸。同时，在氨基酸的合成路径中，通过酮酸脱羧酶（KDC） 和醇脱氢酶（ADH）又可以合成一系列高级醇，包括异丁醇、1-丁醇、2-甲基-1-丁醇， 3-甲基-1-丁醇以及苯乙醇等。当前诸多化工企业已实现由生物制造生产化学品及燃料，市场具备发展潜力。通过系统 性的设计和改造，利用大肠杆菌、酵母和蓝藻等底盘生物，以纤维素、木质素、生物质 等农业、工业废弃物以及二氧化碳为原料，可以实现生产清洁、高效、可持续的化学品 和生物能源产品，如乙醇、乳酸、丙烯酸等。基于合成生物学的化学品制造、生物能源 产品开发，将有助于打破经济发展的资源环境瓶颈制约、构建新型可持续发展的绿色工 业化道路。据麦肯锡预测，未来 10-20 年，合成生物学预计将每年对化学品、能源等领域的 1600- 2700 亿美元市场产生直接经济影响。不同于前文 CB Insights 对合成生物学 2024 年市场 规模将达到 189 亿美元的预测，这里的“经济影响”是指对能源化工领域市场带来影响。 2020 年，全球化学品销售规模达 3.82 万亿美元，未来 10-20 年合成生物学将通过改进现 有的发酵过程、为生产现有材料和化学品开发新的生物途径，以及生产新型材料和化学 品，对传统工业生产方式带来巨大影响。其中，将在新生物生产路线领域影响 700-1100 亿美元市场发展，新型材料领域预计对 60-1100 亿美元市场产生影响。2.2.3. 合成生物学化工行业的产业化壁垒对于进行生物法合成产品的企业，从实验室科研成果到产品商业化落地的过程重点在于 解决实现规模化的生产工艺这一难题，而能否实现规模化生产工艺主要取决于前端菌种 改造效率与后端工艺放大效果两个方面。菌种改造：效率主要体现在生产产品的转化率、生产速率和产量 3 个指标高性能菌种可以实现更高的产品转化率、产品浓度和生产强度。合成生物制造的第一步， 需要根据目标产品的特性选择一个性状优良的菌种，也称底盘细胞，它是用于该产品生 产的宿主。利用合成生物学的方法，对生物体基因组特定目标基因进行改造和修饰，以 达到改造微生物代谢途径的目的，能够构建高效的菌种，实现产品生产事半功倍。生产速率的提升依赖于合成途径中酶催化的反应效率，通过多种基因编辑技术能够提升 酶的催化效率。化学品的生物合成途径通常由一系列酶催化反应构成，而自然状态下各 个酶的催化效率难以达到协调的状态。在实际操作中，多基因调控技术、基因动态调控 技术与蛋白骨架技术三种手段可以实现对合成途径进行优化，使各个酶达到平衡协调的 状态以提高产品的生产速率。最优合成途径的设计将实现提升合成生物产品的转化率、生产效率以及产量规模。以生 物法制造 1,3-丙二醇为例，自然界一些微生物将甘油转化为 1,3-丙二醇的理论转化率为 0.75mol/mol；杜邦公司开创了以葡萄糖为原料的生物合成途径，构建出的细胞工厂 1,3- 丙二醇产量达 135g/L，并将转化率提高至 0.83 mol/mol；近日，国内清华大学应用化学 研究所团队首次实现了以谷氨酸棒杆菌为底盘细胞通过系统的代谢网络模拟 1,3-丙二醇 合成过程，将原料转化率提高至 0.99mol/mol。此外，清华大学团队设计的以谷氨酸棒杆菌为底盘细胞进行生物法 1,3-丙二醇的制造， 实现了更广泛的原料底物利用谱，为工业化应用提供了坚实的实验基础。通过利用谷氨 酸棒杆菌的丙酮酸-草酰乙酸-磷酸烯醇式丙酮酸循环可以在不破坏 PTS 的葡萄糖转运系 统下高效地合成 1,3-丙二醇，提供了不同于杜邦公司的设计与优化方案，该路线具有更 广的底物利用谱，可以有效地利用葡萄糖、木糖、蔗糖、纤维水解液等为原料生产 1,3- 丙二醇。后端工艺放大：高效低成本的分离纯化工艺对产品效果起重要作用研究开发高效低成本的分离纯化技术可以实现产品产业化的重要环节。合成生物制造的 分离纯化是指从复杂的生物发酵体系中得到高质量产品的关键性步骤，也是决定生物制 造大规模产业化实践的重要技术瓶颈。作为生物合成制造产业化的“最后一棒”，产品的 分离提纯成本占到总成本的 60%以上，高附加值产品的分离成本甚至可以达到 90%。不同于传统化学分离，生物产品分离过程需要保证产品的生物活性，常需要低温、合适 的 pH 和一定的耐受压力，因此对分离纯化技术存在较高的要求。常用的绿色分离纯化技 术有膜分离技术、模拟移动床色谱技术和超临界萃取技术，其中膜分离技术是以选择通 透性膜为分离介质，在外界推动力的作用下，利用各组分扩散速率的差异，来实现原料 液中各成分的有效分离。例如，华恒生物选用超滤膜和纳滤膜分离技术去除色素、蛋白 等杂质，最终得到高纯度成品 L-丙氨酸。应用选择：选择一个具有长期市场空间的和价值的产品，对于进行合成生物制造产 业化的企业同样至关重要。合成生物制造的产品研发周期长且投入大，一个产品从研发到落地的技术链条长且复杂， 需要公司在每个环节都有研发能力。足够的下游客户和市场需求是支撑产品落地的重要 一环，产品的成功落地又可以持续支持公司的创新和研发；反之，公司则会面临较大的 时间和资金的损失。因此，如何通过调整商业模式、整合各方资源来实现商业闭环，是 合成生物公司除了建立技术上的壁垒之外需要着重考虑的问题。