合成生物學(xué)在五大主要細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

合成生物學(xué)旨在通過工程化的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)方法，設(shè)計(jì)構(gòu)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(shù)和應(yīng)用科學(xué)平臺(tái)加速發(fā)展，合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)也獲得了政策、資金等各方面的高度支持，推動(dòng)學(xué)科應(yīng)用迅速從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。目前，合成生物學(xué)已廣泛應(yīng)用于眾多細(xì)分領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)推測(cè)：在不遠(yuǎn)的未來，60%的產(chǎn)品都可通過合成生物技術(shù)生產(chǎn)制造，這門前沿學(xué)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(xué)研報(bào)框架（資料來源：華醫(yī)研究院）。

合成生物學(xué)在化工能源領(lǐng)域的應(yīng)用

合成生物學(xué)在化工能源領(lǐng)域的應(yīng)用主要包含化學(xué)品、生物基材料、生物燃料等方向。

根據(jù)合成生物學(xué)理論構(gòu)建的“人造微生物工廠”，可開發(fā)的工業(yè)化學(xué)品包括乙醇、丁醇、乳酸、丙烯酸、甘油、氨基酸、有機(jī)酸、維生素、微生物多糖等化工原料產(chǎn)品。如Lygos設(shè)計(jì)酵母從糖和二氧化碳中生產(chǎn)化學(xué)丙二酸；Green Biologics設(shè)計(jì)細(xì)菌來生產(chǎn)用于油漆、粘合劑、清潔劑和香料的丁醇等化學(xué)物質(zhì)。國內(nèi)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(zhì)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(jī)酸、烷烴、烯烴等基礎(chǔ)生物基化學(xué)品，進(jìn)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(lán)晶微生物和微構(gòu)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?cè)系纳a(chǎn)方式、提高生物質(zhì)能源的使用效率、創(chuàng)制新型的生物能源產(chǎn)品，應(yīng)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?qū)搹S或垃圾填埋場等排放的二氧化碳或甲烷等廢氣轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品；深圳中科翎碳首創(chuàng)將電化學(xué)+生物混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)CO2轉(zhuǎn)化，利用新型電化學(xué)催化方法捕獲碳源轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物。

生物合成方法可以改進(jìn)化學(xué)品、材料、能源的制造和加工過程，進(jìn)而改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ睢?/span>發(fā)酵過程的改善可以提高生產(chǎn)速度和質(zhì)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(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展也為生物燃料的應(yīng)用帶來了更多前景。麥肯錫分析認(rèn)為未來10-20年該領(lǐng)域年度直接造成的經(jīng)濟(jì)影響可能在0.2-0.3萬億美元之間，并且這種經(jīng)濟(jì)潛力中約3/4與新生產(chǎn)方式帶來的資源效率提高有關(guān)。這表明在未來合成生物學(xué)所涉及的產(chǎn)業(yè)值得受到持續(xù)性關(guān)注。

圖2.合成生物學(xué)在化工能源領(lǐng)域的應(yīng)用(資料來源:華醫(yī)研究院)

合成生物學(xué)在消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用

在美容與個(gè)護(hù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)技術(shù)可以用于生產(chǎn)更純凈、環(huán)保的化妝品和護(hù)膚品成分，以滿足消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)稀缺天然產(chǎn)品的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有市場空間的教育擴(kuò)大與替代。合成生物學(xué)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)方法的替代，還可以合成新的產(chǎn)物。對(duì)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?qū)崿F(xiàn)對(duì)天然產(chǎn)物的進(jìn)一步改進(jìn)。近些年來重組膠原蛋白技術(shù)的成熟極大促進(jìn)了膠原蛋白在醫(yī)美、護(hù)膚等商業(yè)場景的落地，合成角鯊?fù)榈牧慨a(chǎn)大幅降低了制作角鯊?fù)榈慕疱X成本與環(huán)境成本。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，合成生物學(xué)能夠生產(chǎn)60%以上的用于美容護(hù)膚、保健食品的功能性原料，這些原料在功能性護(hù)膚品開發(fā)的功能性測(cè)試中，展現(xiàn)了抗衰、修護(hù)、祛痘、舒緩、祛皺等功效。

在保健品行業(yè)，合成生物學(xué)可以用來合成人參皂苷等高價(jià)值原料。此外，合成生物學(xué)技術(shù)有望幫助生產(chǎn)更個(gè)性化的保健品。通過基因測(cè)序和生物合成技術(shù)，可以根據(jù)個(gè)體的基因組信息，定制針對(duì)特定健康需求的營養(yǎng)補(bǔ)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(xué)技術(shù)的應(yīng)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(xué)品和能源，并產(chǎn)生大量的廢水和廢棄物，對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。而合成生物學(xué)技術(shù)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(zhì)或多肽，這些蛋白質(zhì)或多肽可以用于制造仿皮革材料。

圖3. 合成生物學(xué)在消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域舉例（資料來源：華醫(yī)研究院）。

合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

在食品領(lǐng)域，合成生物學(xué)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(lǐng)域是合成生物學(xué)增長最快速的領(lǐng)域之一，其中最受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的名詞是“新型”和“功能”。通過細(xì)胞培養(yǎng)和精密發(fā)酵等技術(shù)，利用動(dòng)植物、微生物細(xì)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(fēng)味、質(zhì)構(gòu)、形態(tài)可控的食品產(chǎn)品，實(shí)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(lǐng)域的底盤細(xì)胞需要較為謹(jǐn)慎的選擇，盡管歐美等其他國家對(duì)大腸桿菌等非食品級(jí)的細(xì)胞所表達(dá)的產(chǎn)物接受程度較高，但選擇食品安全級(jí)底盤細(xì)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(duì)此類底盤細(xì)胞的合成生物學(xué)開發(fā)尚需加速成熟。

由于合成生物學(xué)的在食品領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，各家公司競爭激烈，目前尚未有“行業(yè)級(jí)”的巨頭出現(xiàn)，僅在部分特定產(chǎn)品上存在某些優(yōu)勢(shì)企業(yè)。從國內(nèi)外企業(yè)的特點(diǎn)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(xì)胞培養(yǎng)肉、細(xì)胞培養(yǎng)脂肪等；我國則側(cè)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(xué)在食品應(yīng)用領(lǐng)域舉例(資料來源:華醫(yī)研究院)

合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

合成生物學(xué)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)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(jià)值的突破性增長。目前，合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及作物增產(chǎn)、蟲害防治、動(dòng)物飼料及育種改良等方向。對(duì)于植物作物，利用合成生物學(xué)可以提高光合作用效率來增加產(chǎn)量、促進(jìn)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(zhì)以及高效防治蟲害；對(duì)于牲畜，主要是利用合成生物學(xué)高效提供蛋白飼料。這些技術(shù)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(lǐng)細(xì)胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新動(dòng)能和新業(yè)態(tài)革命

通過合成生物學(xué)技術(shù)，學(xué)界和業(yè)界進(jìn)行了大量的研究和探索，通過各種不同的方式實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)、蟲害防治、育種改良、動(dòng)物飼料等農(nóng)業(yè)應(yīng)用目標(biāo)，如人工構(gòu)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(jìn)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

眾多新老企業(yè)看到了合成生物學(xué)作為一項(xiàng)新興技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，拜耳、先正達(dá)、巴斯夫等老牌農(nóng)業(yè)國際龍頭通過并購整合或設(shè)立合成生物部門的方式擴(kuò)展產(chǎn)品線或?qū)ふ腋痈咝У纳a(chǎn)方式，從而進(jìn)軍合成生物學(xué)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，而Pivot Bio、GreenLight Bio、Calysta等農(nóng)業(yè)新興生物科技公司也通過細(xì)分領(lǐng)域的不同產(chǎn)品作為切入點(diǎn)，入局合成生物農(nóng)藥賽道。目前，合成生物學(xué)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域玩家眾多，無論是整個(gè)領(lǐng)域，還是細(xì)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(duì)比國內(nèi)外企業(yè)可以發(fā)現(xiàn)，目前國外的技術(shù)水平較為領(lǐng)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(shù)和先發(fā)優(yōu)勢(shì)逐步構(gòu)建產(chǎn)品和專利壁壘。盡管國內(nèi)在理論研究方面并不落后于國外，但技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)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(shù)和商業(yè)模式亟待驗(yàn)證。

合成生物學(xué)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

合成生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域主要有兩種思路：一種是對(duì)微生物進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)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(xué)的工程化思維和設(shè)計(jì)理念，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行改造，使其具備相應(yīng)的功能，如用于器官移植、細(xì)胞基因治療、疫苗生產(chǎn)、制藥用酶的設(shè)計(jì)等。具體而言，合成生物學(xué)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用包括疫苗合成、細(xì)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(guān)應(yīng)用、體外檢測(cè)、醫(yī)療耗材、制藥用酶等諸多方向。

對(duì)于不同領(lǐng)域，都有短、中、長期都有可能突破的技術(shù)值得關(guān)注。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，目前正在實(shí)現(xiàn)的技術(shù)包括病原體篩查、無創(chuàng)產(chǎn)前檢查、DTC基因測(cè)試等體外診斷相關(guān)技術(shù)、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(shí)現(xiàn)的有CAR-T細(xì)胞治療液體腫瘤、微生態(tài)藥物等，而中期值得關(guān)注的是基因驅(qū)動(dòng)減少病媒傳播疾病與CAR-T細(xì)胞治療實(shí)體腫瘤以及生物監(jiān)測(cè)傳感器，長期則可關(guān)注干細(xì)胞產(chǎn)生的可移植器官和用于醫(yī)學(xué)目的的胚胎編輯等技術(shù)難點(diǎn)。

以國外合成生物學(xué)巨頭企業(yè)Synlogic為例，Synlogic將合成生物學(xué)與傳統(tǒng)藥物開發(fā)原理相結(jié)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(yàn)證的工程菌活體生物藥，為最早進(jìn)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(guān)系，已取得里程碑進(jìn)展。

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

Synlogic公司目前針對(duì)PKU的管線SYNB1934已于2023年6月5日推進(jìn)至臨床III期，用以評(píng)估SYNB1934的療效和安全性。來自臨床II期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，PKU患者在所有研究終點(diǎn)都有著一致的積極結(jié)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(xì)菌載體基因治療領(lǐng)域內(nèi)領(lǐng)先的管線，也是表明合成生物學(xué)對(duì)人類健康有強(qiáng)大貢獻(xiàn)的重要佐證。

結(jié)語

合成生物學(xué)融合了生物學(xué)、信息學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、化學(xué)和材料等眾多學(xué)科，為探索生命起源與進(jìn)化開辟了嶄新的途徑，被譽(yù)為“第三次生物技術(shù)革命”，有望成為新的“黃金賽道”。其以對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造，乃至重新合成為標(biāo)志，創(chuàng)建賦予超越自然功能的人造生命體系，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域均有大潛力和應(yīng)用前景。

產(chǎn)業(yè)內(nèi)，諸多技術(shù)型人才與生產(chǎn)型人才通力協(xié)作，挖掘合成生物學(xué)這一技術(shù)賦予各行各業(yè)的魅力，并致力于將技術(shù)先進(jìn)性和實(shí)用性應(yīng)用在生活的方方面面。我們可以看到，由合成生物學(xué)技術(shù)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(shù)生產(chǎn)型人才的互相配合與試錯(cuò)。創(chuàng)業(yè)者在創(chuàng)業(yè)過程中應(yīng)該格外留意合成生物學(xué)技術(shù)的先進(jìn)性和局限性，合理運(yùn)用合成生物學(xué)技術(shù)而不是不顧資源消耗和成本效益分析的濫用；投資者也應(yīng)當(dāng)注意甄別合成生物學(xué)賽道內(nèi)的真正機(jī)會(huì)，一定程度降低合成生物學(xué)的虛假繁榮，使合成生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用回到正軌。