合成生物學在五大主要細分領域的應用及展望

合成生物學旨在通過工程化的設計理念和技術方法，設計構建新型生物系統(tǒng)、生物部件或者改造現(xiàn)有生物系統(tǒng)，造福人類日常。近年來，底層賦能技術和應用科學平臺加速發(fā)展，合成生物學產(chǎn)業(yè)也獲得了政策、資金等各方面的高度支持，推動學科應用迅速從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。目前，合成生物學已廣泛應用于眾多細分領域。業(yè)內推測：在不遠的未來，60%的產(chǎn)品都可通過合成生物技術生產(chǎn)制造，這門前沿學科正在孕育出諸多方興未艾的朝陽產(chǎn)業(yè)。

圖1. 合成生物學研報框架（資料來源：華醫(yī)研究院）。

合成生物學在化工能源領域的應用

合成生物學在化工能源領域的應用主要包含化學品、生物基材料、生物燃料等方向。

根據(jù)合成生物學理論構建的“人造微生物工廠”，可開發(fā)的工業(yè)化學品包括乙醇、丁醇、乳酸、丙烯酸、甘油、氨基酸、有機酸、維生素、微生物多糖等化工原料產(chǎn)品。如Lygos設計酵母從糖和二氧化碳中生產(chǎn)化學丙二酸；Green Biologics設計細菌來生產(chǎn)用于油漆、粘合劑、清潔劑和香料的丁醇等化學物質。國內代表企業(yè)，凱賽生物（長鏈二元酸、生物基戊二酸）、華恒生物（丙氨酸系列產(chǎn)品、D-泛酸鈣）、新日恒力（月桂二酸）等均有代表性明星產(chǎn)品。

從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，生物基材料是以谷物、豆科、秸稈等可再生物質為原料，通過生物合成的過程獲得高分子化合物或者生物醇、有機酸、烷烴、烯烴等基礎生物基化學品，進一步加工得到生物基聚合物（塑料）、生物基纖維、生物基橡膠等產(chǎn)品，如用微生物生產(chǎn)的可降解材料PHA、蛛絲蛋白纖維、用于電子產(chǎn)品的無色聚酰亞胺和基于真菌菌絲體的剛性材料等。目前藍晶微生物和微構工場已使微生物發(fā)酵生產(chǎn)PHA可降解塑料等產(chǎn)品。

生物能源方面，包括改變原料的生產(chǎn)方式、提高生物質能源的使用效率、創(chuàng)制新型的生物能源產(chǎn)品，應用主要包含生物乙醇、生物柴油和丁醇等方向。例如Lanza Tech使微生物能夠將鋼廠或垃圾填埋場等排放的二氧化碳或甲烷等廢氣轉化為燃料和化學品；深圳中科翎碳首創(chuàng)將電化學+生物混合動力驅動CO2轉化，利用新型電化學催化方法捕獲碳源轉化為高附加值產(chǎn)物。

生物合成方法可以改進化學品、材料、能源的制造和加工過程，進而改變人們的日常生活。發(fā)酵過程的改善可以提高生產(chǎn)速度和質量（例如食品和飼料成分）。此外，創(chuàng)新生物線路可能產(chǎn)生全新的材料，能源獲取的改善和儲能技術的發(fā)展也為生物燃料的應用帶來了更多前景。麥肯錫分析認為未來10-20年該領域年度直接造成的經(jīng)濟影響可能在0.2-0.3萬億美元之間，并且這種經(jīng)濟潛力中約3/4與新生產(chǎn)方式帶來的資源效率提高有關。這表明在未來合成生物學所涉及的產(chǎn)業(yè)值得受到持續(xù)性關注。

圖2.合成生物學在化工能源領域的應用(資料來源:華醫(yī)研究院)

合成生物學在消費領域的應用

在美容與個護領域，合成生物學技術可以用于生產(chǎn)更純凈、環(huán)保的化妝品和護膚品成分，以滿足消費者對高品質稀缺天然產(chǎn)品的需求，實現(xiàn)對原有市場空間的教育擴大與替代。合成生物學不僅實現(xiàn)了對傳統(tǒng)方法的替代，還可以合成新的產(chǎn)物。對傳統(tǒng)方法的替代可以減少傳統(tǒng)天然產(chǎn)物種植的高成本和長種植周期，新產(chǎn)物合成能夠實現(xiàn)對天然產(chǎn)物的進一步改進。近些年來重組膠原蛋白技術的成熟極大促進了膠原蛋白在醫(yī)美、護膚等商業(yè)場景的落地，合成角鯊烷的量產(chǎn)大幅降低了制作角鯊烷的金錢成本與環(huán)境成本。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，合成生物學能夠生產(chǎn)60%以上的用于美容護膚、保健食品的功能性原料，這些原料在功能性護膚品開發(fā)的功能性測試中，展現(xiàn)了抗衰、修護、祛痘、舒緩、祛皺等功效。

在保健品行業(yè)，合成生物學可以用來合成人參皂苷等高價值原料。此外，合成生物學技術有望幫助生產(chǎn)更個性化的保健品。通過基因測序和生物合成技術，可以根據(jù)個體的基因組信息，定制針對特定健康需求的營養(yǎng)補充劑和保健品，使產(chǎn)品具有更高附加值。

在生物基材料方面，合成生物學技術的應用場景不斷增多。傳統(tǒng)的皮革制造過程涉及使用大量的化學品和能源，并產(chǎn)生大量的廢水和廢棄物，對環(huán)境造成負面影響。而合成生物學技術可能為生物皮革行業(yè)帶來可持續(xù)和環(huán)保的解決方案，并用于生產(chǎn)生物基原料，例如改造微生物來生產(chǎn)特定的蛋白質或多肽，這些蛋白質或多肽可以用于制造仿皮革材料。

圖3. 合成生物學在消費應用領域舉例（資料來源：華醫(yī)研究院）。

合成生物學在食品領域的應用

在食品領域，合成生物學為研發(fā)賦能，為大規(guī)模食品生產(chǎn)建立新方法。新食品領域是合成生物學增長最快速的領域之一，其中最受產(chǎn)業(yè)界關注的名詞是“新型”和“功能”。通過細胞培養(yǎng)和精密發(fā)酵等技術，利用動植物、微生物細胞，生產(chǎn)多種替代蛋白、合成天然稀有產(chǎn)物、提供微生物油脂、生產(chǎn)食品添加劑和功能性食品原料，研發(fā)風味、質構、形態(tài)可控的食品產(chǎn)品，實現(xiàn)更安全、更營養(yǎng)和更可持續(xù)的食品獲得方式。

值得注意的是，用作食品領域的底盤細胞需要較為謹慎的選擇，盡管歐美等其他國家對大腸桿菌等非食品級的細胞所表達的產(chǎn)物接受程度較高，但選擇食品安全級底盤細胞仍然非常有必要，如酵母菌、枯草芽孢桿菌、谷氨酸棒桿菌等都是比較好的選擇，對此類底盤細胞的合成生物學開發(fā)尚需加速成熟。

由于合成生物學的在食品領域的應用起步較晚，各家公司競爭激烈，目前尚未有“行業(yè)級”的巨頭出現(xiàn)，僅在部分特定產(chǎn)品上存在某些優(yōu)勢企業(yè)。從國內外企業(yè)的特點來看，國外近年融資主要為替代蛋白與油脂，如微生物油脂、細胞培養(yǎng)肉、細胞培養(yǎng)脂肪等；我國則側重于功能食品原料產(chǎn)品和新型食品添加劑等。

圖4.合成生物學在食品應用領域舉例(資料來源:華醫(yī)研究院)

合成生物學在農(nóng)業(yè)領域的應用

合成生物學的發(fā)展能夠幫助提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改良作物、降低生產(chǎn)成本以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，同時能夠改造植物光合作用增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、利用微生物或代謝工程手段減少農(nóng)業(yè)化肥使用以及重塑代謝通路改良作物等，帶來農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)能與營養(yǎng)價值的突破性增長。目前，合成生物學在農(nóng)業(yè)領域的應用主要涉及作物增產(chǎn)、蟲害防治、動物飼料及育種改良等方向。對于植物作物，利用合成生物學可以提高光合作用效率來增加產(chǎn)量、促進自主固氮來減少化肥使用、重塑代謝通路來改良農(nóng)產(chǎn)品品質以及高效防治蟲害；對于牲畜，主要是利用合成生物學高效提供蛋白飼料。這些技術將為世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供革命性解決方案，引領細胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新動能和新業(yè)態(tài)革命

通過合成生物學技術，學界和業(yè)界進行了大量的研究和探索，通過各種不同的方式實現(xiàn)作物增產(chǎn)、蟲害防治、育種改良、動物飼料等農(nóng)業(yè)應用目標，如人工構建高效生物固氮體系、合成微生物組、生產(chǎn)生物農(nóng)藥、改造害蟲基因、進行生物育種、發(fā)酵生產(chǎn)微生物蛋白以及開發(fā)新一代酶解決方案等途徑都已實現(xiàn)商業(yè)化應用。

眾多新老企業(yè)看到了合成生物學作為一項新興技術在農(nóng)業(yè)領域的應用前景，拜耳、先正達、巴斯夫等老牌農(nóng)業(yè)國際龍頭通過并購整合或設立合成生物部門的方式擴展產(chǎn)品線或尋找更加高效的生產(chǎn)方式，從而進軍合成生物學農(nóng)業(yè)領域，而Pivot Bio、GreenLight Bio、Calysta等農(nóng)業(yè)新興生物科技公司也通過細分領域的不同產(chǎn)品作為切入點，入局合成生物農(nóng)藥賽道。目前，合成生物學農(nóng)業(yè)領域玩家眾多，無論是整個領域，還是細分賽道，競爭都較為分散，市場集中度較低，尚未出現(xiàn)寡頭壟斷局面。

對比國內外企業(yè)可以發(fā)現(xiàn)，目前國外的技術水平較為領先，且法律法規(guī)和監(jiān)管制度都更加完善，已有不少產(chǎn)品上市，憑借技術和先發(fā)優(yōu)勢逐步構建產(chǎn)品和專利壁壘。盡管國內在理論研究方面并不落后于國外，但技術轉化為實際應用的比例較低，大多為依靠科研背景創(chuàng)立的初創(chuàng)型企業(yè)，有競爭力的產(chǎn)品推出較少，且產(chǎn)品、技術和商業(yè)模式亟待驗證。

合成生物學在醫(yī)療領域的應用

合成生物學技術應用于醫(yī)療領域主要有兩種思路：一種是對微生物進行設計和改造，使微生物可以生產(chǎn)某種藥物分子，或其本身作為活性藥物，實現(xiàn)治療疾病的功能，如天然產(chǎn)物的生物合成和微生態(tài)藥物；另外一種是基于合成生物學的工程化思維和設計理念，對細胞進行改造，使其具備相應的功能，如用于器官移植、細胞基因治療、疫苗生產(chǎn)、制藥用酶的設計等。具體而言，合成生物學在醫(yī)療健康領域的應用包括疫苗合成、細胞基因治療、微生態(tài)藥物、藥物發(fā)現(xiàn)與生產(chǎn)、器官異體移植、基因編輯相關應用、體外檢測、醫(yī)療耗材、制藥用酶等諸多方向。

對于不同領域，都有短、中、長期都有可能突破的技術值得關注。在醫(yī)療健康領域，目前正在實現(xiàn)的技術包括病原體篩查、無創(chuàng)產(chǎn)前檢查、DTC基因測試等體外診斷相關技術、藥物生產(chǎn)的新生物路線以及疫苗的研發(fā)與優(yōu)化，短期可以實現(xiàn)的有CAR-T細胞治療液體腫瘤、微生態(tài)藥物等，而中期值得關注的是基因驅動減少病媒傳播疾病與CAR-T細胞治療實體腫瘤以及生物監(jiān)測傳感器，長期則可關注干細胞產(chǎn)生的可移植器官和用于醫(yī)學目的的胚胎編輯等技術難點。

以國外合成生物學巨頭企業(yè)Synlogic為例，Synlogic將合成生物學與傳統(tǒng)藥物開發(fā)原理相結合，開發(fā)經(jīng)過基因工程改造，可在胃腸道中發(fā)揮特定功能，靶向經(jīng)過驗證的工程菌活體生物藥，為最早進入工程菌藥物賽道的公司之一，主要開發(fā)治療代謝性疾?。ㄈ绫奖虬Y和腸性高草酸尿癥）和腫瘤等疾病的工程菌類口服LBP藥物。Synlogic還與羅氏（Roche）和Ginkgo Bioworks建立了研究合作和合作伙伴關系，已取得里程碑進展。

圖5. Synlogic Therapeutics 管線分布（資料來源：Synlogic Therapeutics）。

Synlogic公司目前針對PKU的管線SYNB1934已于2023年6月5日推進至臨床III期，用以評估SYNB1934的療效和安全性。來自臨床II期的實驗數(shù)據(jù)表明，PKU患者在所有研究終點都有著一致的積極結果。尤其SYNB1934表現(xiàn)出的有效減少血漿Phe的能力，表明此管線有望成為PKU患者的一種變革性療法。這一管線不僅是細菌載體基因治療領域內領先的管線，也是表明合成生物學對人類健康有強大貢獻的重要佐證。

結語

合成生物學融合了生物學、信息學、計算機科學、化學和材料等眾多學科，為探索生命起源與進化開辟了嶄新的途徑，被譽為“第三次生物技術革命”，有望成為新的“黃金賽道”。其以對生物體進行有目標的設計、改造，乃至重新合成為標志，創(chuàng)建賦予超越自然功能的人造生命體系，在社會生產(chǎn)的各個細分領域均有大潛力和應用前景。

產(chǎn)業(yè)內，諸多技術型人才與生產(chǎn)型人才通力協(xié)作，挖掘合成生物學這一技術賦予各行各業(yè)的魅力，并致力于將技術先進性和實用性應用在生活的方方面面。我們可以看到，由合成生物學技術賦能的未來一定是更美好的，但過程中必然少不了諸多技術生產(chǎn)型人才的互相配合與試錯。創(chuàng)業(yè)者在創(chuàng)業(yè)過程中應該格外留意合成生物學技術的先進性和局限性，合理運用合成生物學技術而不是不顧資源消耗和成本效益分析的濫用；投資者也應當注意甄別合成生物學賽道內的真正機會，一定程度降低合成生物學的虛假繁榮，使合成生物學技術的應用回到正軌。