一、合成生物产业将迎来爆发式增长

2024年5月23日，《北京市加快医药健康协同创新行动计划(2024-2026年)》印发。提出到2026年，北京市医药健康产业总规模达到1.25万亿元。其中，医药工业营收达到2400亿元，固定资产投资每年100亿元以上。

总结来看，北京市明确把合成生物、基因技术、脑机接口等三个新质生产力领域，列为了未来医疗应用前景更广阔、更容易实现的三个优先方向。关注较早布局细胞基因治疗、脑机接口、合成生物学等前沿领域并取得一定研发成果的医药科技龙头。

在国家宏观战略指引下，近年来合成生物学研究和产业发展高歌猛进，已成立多个相关研究中心和重点实验室。同时，领域内多个合成生物学重大项目获得资金扶持。在政策的支持下，除了基础研究突飞猛进外，企业数量也快速增长。截至目前，我国合成生物学创业企业已达62家，主要集中在天津、深圳、上海、杭州等地。

全国人大代表、中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和透露了“从二氧化碳到淀粉的人工合成”项目的最新进展，该项目已建成小规模的中试装置，人工合成淀粉向产业化又迈进了一步。这背后，是合成生物学家十多年“设计—合成—测试—学习”的反复尝试。

2022年，国家发改委发布的《“十四五”生物经济发展规划》中，也数次提及“合成生物”。科创大数据分析平台睿兽分析的数据显示，2021年至今，国内已有92家合成生物学赛道公司获得融资，融资总额达289.78亿元。

站在政策和资本的风口浪尖，合成生物产业的蓝图已经绘制，它也将成为极具发展空间的行业赛道。

二、什么是合成生物？

合成生物学就是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 （基于酶催化+底盘细胞+代谢路径的认知，不断进行DBTL循环优化获得）、代谢调控、分离纯化、聚合工艺、应用开发（发酵工艺放大是产业化必经过程）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。

三、合成生物学的本质

合成生物学的本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。合成生物学是生物化工产业链的底层核心技术来源之一。完整的生物化工全产业链有六大环节，包括基因工程、菌种培育、发酵过程、分离纯化、改性合成、开发应用。对于生产企业而言，生物化工各个环节并不是孤立的，而是密切联系的。

合成生物学可分为三个阶段：

一是利用现有的天然生物模块构建新的调控网络并表现出新功能；

二是采用从头合成方法人工合成基因组DNA；

三是人工创建全新的生物系统乃至生命体。

合成生物学生产化学品的核心技术包括基因测序和编辑、菌种培育筛选、产品纯化分离。目前，合成生物学正处于产业化的关键阶段，产品种类迅速增加，新产品验证和对传统化学法的替代并行。

四、合成生物学的发展

合成生物学的发展始于人类对基因的认识，并在21世纪进入快速发展期。

19世纪下半叶以来,生命科学研究领域每50年左右便竖起一座里程碑,包括孟德尔遗传定律、摩尔根的染色体遗传学说、沃森和克里克构建的DNA双螺旋结构模型)以及人类基因组计划，推动生命科学进入组学和系统生物学时代。而系统生物学与基因技术、工程科学、合成化学、计算机科学等众多学科交叉融合,又催生和振兴了合成生物学。

作为一门典型的新兴和汇聚科学领域，合成生物学的影响力在21世纪以来迅速上升。我国在“十三五”科技创新战略规划中，已将合成生物技术列为战略性前瞻性重点发展方向。

21世纪以来，合成生物学的发展可以分为四个阶段：

（1）第一阶段（2005年以前）：以基因线路在代谢工程领域的应用为代表，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。

（2）第二阶段（2005—2011年）：基础研究快速发展，年度的专利申请量较之前并未有显著增加，合成生物学研究开发总体上处于工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段，体现出“工程生物学”的早期发展特点。

（3）第三阶段（2011—2015年）：基因组编辑的效率大幅提升，合成生物学技术开发和应用不断拓展，其应用领域从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、药物和疫苗开发、作物育种、环境监测等诸多领域。

（4）第四阶段（2015年以后）：合成生物学的“设计—构建—测试”（DesignBuild-Test，DBT）循环扩展至“设计—构建—测试—学习”（Design-Build-TestLearn，DBTL），“半导体合成生物学”（SemiconductorSynthetic Biology）、“工程生物学”（EngineeringBiology）等理念或学科的提出，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。基因测序成本和基因编辑成本的下降是合成生物学快速发展的重要原因。

目前，DNA测序成本的下降速度已经快于摩尔定律。2003年绘制人类基因组图谱耗费约30亿美元；2019年仅需花费不到1000美元；未来十年甚至更短时间内成本可能会降到100美元以下。

与传统生产方式比较     

与传统化学合成相比，合成生物学具有微型化、可循环、更安全的特点；与传统发酵工程相比，合成生物学对细胞的干预是定向的。合成生物学和化学合成不是对立关系我们认为，合成生物学是化学合成的一种补充生产方式，而不是替代关系。合成生物学不能构成完整的产业链。通常合成生物学更适宜生产小分子，因为大分子不宜和细胞质、营养液等相似分子量的物质分离。如果进一步生产聚合物或者改性仍需要精度更高的化学合成方法实施。完整的产业链包括基因工程、菌种培育、发酵过程、分离纯化、改性合成、开发应用这6个环节。

（1）微型化：利用合成生物学生产化学品的最小反应单元主要是细胞或酶的催化，因此放大难度较小，同一套装置适用于不同产品的生产，产品容易相互切换；而化学工艺需要不同单元操作搭配不同的反应装置，装置大型化过程中存在不确定性，且同一套装置难以适用不同产品生产，较难切换。

（2）可循环：合成生物学所需原料以生物质原料为主，符合可循环发展的理念，而化学工艺则以化石原料为主。

（3）更安全：合成生物学生产所需反应条件更温和，产业链长度更短，安全性更高；而化学工艺生产通常需要在高温高压等特殊环境下进行，产业链更长，容易出现安全隐患，需要更高的安全管理水平。

合成生物学的分类     

合成生物学从产业链布局的角度来看，合成生物学的公司可以分为两类：一类是实现从基因编辑到产品落地的全产业链公司，既有合成生物学技术储备，又有市场化产品落地；另一类是以服务为主，提供基因编辑和细胞工厂的研发型公司，业务以提供合成生物学技术支持为主，产品以代工厂生产为主。从盈利模式来看，全产业链布局的公司中短期内有望通过替代化学法更快实现盈利；而以服务为主的研发型公司将在合成生物学行业生态建立起来后，通过更高效专业地为大量代工企业服务获利。

截止目前，国外从事合成生物学领域的公司已经近500家，国内相关领域的公司也多达数十家，可谓百家争鸣、百花齐放。撬动合成生物学的政策杠杆：1）原料端，生物化工主要以可再生资源作为原料，符合可持续发展的理念，并在某些产品领域缩短产业链长度，降低原材料成本占比和产品周期属性；2）工艺端，对于某些特定的化学品，生物法大部分反应步骤均在微生物或酶的作用下进行，反应条件更温和、流程更简单，反应过程中的碳排放也更少；3）后处理端，一方面合成生物学通过改造可以让微生物参与更多的废弃物治理，另一方面生物基材料因热塑性而方便回收利用，减少环境负担。

合成生物发展的难度

1、工艺放大难题：可能导致项目整体耗时及成本大幅提升

在利用合成生物学方式生产产品时，产物结构越复杂，对应的代谢通路优化的复杂度以及分离纯化的难度也呈指数级提升，导致项目整体耗时及成本大幅提升。在所有环节均采用生物合成难度较大时，选择将部分步骤通过化学合成的方式实现，构建生物合成与化学合成的组合，则可能实现整体的成本和效率的最优，提升规模化生产成功率。

Amyris规模化生产青蒿素生物合成与化学合成结合办法

2、行业技术构成复杂

由于合成生物学是一门综合性较强的学科，因而其技术构成较为复杂，总体来看，合成生物学技术主要由代谢工程学、系统生物学以及计算机科学技术构成，其中代谢工程学包括代谢通路优化技术、代谢途径模拟和模型构建技术、基因工程技术以及代谢产物分离和纯化技术;而系统生物学包括了组学技术、生物信息学技术、细胞生物学技术以及模式生物学技术;除此之外，计算机科学技术亦在合成生物学中发挥了重要作用，主要包括计算生物学、数据挖掘和机器学习和遗传算法技术等。

 合成生物学技术全景图

华大智造研发投入遥遥领先

2018-2022年期间，我国合成生物学代表性上市企业总体持续保持一定的研发投入，但除华大智造外，其余四家代表性上市企业的研发投入力度与其企业经营效益存在一定关联，即经营效益好的企业，研发投入规模更大，经营效益一般的企业，其研发投入力度则相对较小;值得注意的是，华大智造的研发投入相对其营业利润而言较大，2022年达到了8.14亿元，表明部分技术主导程度更高的合成生物学企业在发展的初期阶段会投入大规模的资金进行研发。

2018-2023年中国合成生物学代表性上市公司研发投入规模（单位：亿元）

五、合成生物学产业链

合成生物学的核心内容是生物元件、基因线路、基因组工程及代谢工程。生物技术的进步推动着合成生物学快速发展，颠覆性使能技术是支撑合成生物学发展的关键，基因测序、基因编辑、基因合成、细胞设计、高通量筛选等技术的发展对合成生物学的发展有着重要的支撑和推动作用，基因测序、DNA合成以及基因组编辑技术都是其核心使能技术。除此之外，合成生物上游还包括葡萄糖、甘油和甲烷及其衍生物等原材料。

合成生物学中游包括平台搭建和产品制造，平台型企业主要负责原料选择和底盘细胞选择及优化，产品制造企业则在各种平台基础上生产具体的产品。值得一提的是，目前大多数合成生物学企业均完成了产业链的延伸，兼具平台搭建和产品制造能力。

合成生物学下游应用广泛，目前比较成熟的应用领域包括医疗健康、工业化学品、农业、食品和能源，随着合成生物学技术的不断进步，未来其下游应用领域有望进一步扩展。

从我国合成生物学企业区域分布情况来看，合成生物学产业链企业在全国各地均有分布，在广东与江苏分布的密集程度遥遥领先于其他省份，其次是山东、湖南、浙江、福建等地。

六、合成生物学的应用实例和前景

1、应用实例

(1)蛋白质和多肽：美国的Bristol-Myers Squib公司的蛋白表达操纵系统 操纵和/或控制多肽的蛋白质品质;美国的Gilead Sciences公司的结合蛋白 编码结合基质金属蛋白酶-9(MMP9)的细胞; 英国的Astrazeneca公司的γ-羧化的蛋白质表达需要γ-羧化的重组蛋白、维生素 K 环氧化还原酶和γ-谷氨酰羧化酶的细胞。

(2)化学品、生物材料和生物能源：日本的钟渊化学公司的聚羟基链烷酸酯通过硫解酶基因、还原酶基因。聚羟基丁酸合酶基因。聚羟基链烷酸酯合酶基因等组成的生物线路;美国的Yield10 Biosciences公司的多羟基丁酸酯将多个基因导入植物，使其产聚羟基链烷酸酯;丹麦的Novozymes公司的生物质降解酶编码α-淀粉酶的多核苷酸。

(3)农业：瑞士的先正达和中国的中化公司的植物调节序列将目标的编码蛋白的多核苷酸的表达导向非花粉组织(不导向花粉组织);韩国的G+Flas LifeSciences公司的植物表达系统使用 CRISPR 系统的植物基因组缺失和替换方法。

(4)食品：德国的C-Lecta公司的海藻糖通过热稳定的海藻糖磷酸化酶;美国的Impossble Foods公司的人造肉录激活因子与甲醇诱导型启动子元件连接。

(5)环境和卫生检测：美国的Sample6 Technologie公司的李斯特菌检测 、编码标记物的重组噬菌体法国的Carbios公司分解聚酯的生物酶能够降解含聚酯材料的酶。

2、合成生物学应用前景

人类健康和性能：2020年用于病原体筛选和无创产检，2020-2030年应用在液态肿瘤的CAR-T 细胞疗法和液体活检;2030-2040年合成生物学的基因用以预防媒介传染疾病;2040年后可用于干细胞产生的可移植器官。

消费品服务：2020年前进行DTC 基因遗传测试;2020-2030年应用在基于遗传和微生物组的个性化膳食服务;2030-2040年用于基于组学数据的个人健康、营养和健康状况的生物监测传感器;2040年以后可用于基因治疗(如皮肤衰老)。

材料、化学品和能源：2030年应用在新材料——生物高分子聚合物(如 PLA 和 PET);2040年以后用于生物太阳能电池和生物电池。`

据麦肯锡咨询预测，到2030-2040年合成生物每年可产生约1.8-3.6万亿美元的直接经济影响。据BCC咨询预测，2021年全球合成生物市场规模达95亿美元，预计到2026年达到307亿美元，2021-2026年CAGR预计达26.5%。

中信证券研报表示，2023年和2024Q1合成生物学板块的收入和利润增长亮眼，目前行业估值明显低于近3年平均估值水平。基本面方面，相关公司新产品和新产能逐步落地，未来收入和利润有望维持稳定增长的态势；估值方面，随着后续重磅政策催化，板块估值水平有望持续修复。其认为当前生物制造公司的核心竞争力在于产品拓展和落地能力，看好具备成功案例、龙头地位、优质产品储备以及下游需求景气的标的。

对于产业的投资机会，山西证券表示合成生物学产业投资逻辑，短期看选品，长期看平台，首选具备平台化能力的产品型公司。短期角度看，选品能力将对产品型公司的短期财务业绩产生关键性影响。优秀的选品应具备“下游应用成熟”及“成本领先”两大特征，以解决真实的商业需求；长期看，平台化能力决定了合成生物企业的研发延伸和产品拓展空间，具备扎实研发能力、自动化、AI化的合成生物学研发平台是持续成长的根本，因此“强劲的研发能力”和“丰富的储备品类”也较为关键。

西部证券指出，合成生物仍在产业化初期，中国企业有望凭借合成生物产品/成本优势，成为具备全球竞争力的企业。新质生产力的核心在于创新，以创新药、合成生物、脑机接口等为代表的生物科技与制造是重点布局方向之一。