合成生物學定義、發展歷程、特點及應用情況如何？

生物制造戰略意義深遠、 商業意義重大。

1.什么是合成生物學

合成生物學是一門以工程學思想為指導、多學科結合的新興領域，以“人工設計與編寫基因組”為核心， 可針對特定需求從工程學角度設計構建元器件或模塊。通過一系列重新設計與技術改造生物體或細胞以使 其具有新的能力，在此過程中設計與構建一系列新的標準化的生物元件、組件與系統，以實現理想的生物 制造能力。合成生物學的本質是讓細胞為人類工作生產想要的物質。

合成生物學區別于傳統生命科學的核心特征在于其“工程學本質”，主要體現在其工程化的兩大方向： 1）Top-down：應用基因工程和代謝工程等技術，將全新功能引入活細胞等生命體；也包括在此基礎上設計組裝 的生物非生物混合系統——“自上而下”地“改造生命”； 2）Bottom-up：體外合成全新生命系統，如人工細胞 等——“自下而上”地“創造生命”； 廣義上講，合成生物學還包括了任何對生命有機體關鍵要素的創新應用，如酶催化合成（催化單元）、無細胞合 成（轉錄和翻譯系統）、DNA存儲（遺傳密碼）等。

2.合成生物學的發展歷程

千禧年以來，合成生物學的發展大 體經歷了4個階段： 1. 創建時期（2000-2003年）： 產生了許多具備領域特征的研 究手段和理論，特別是基因線 路工程的建立及其在代謝工程 中的成功運用； 2. 擴張和發展期（2004-2007 年）：工程技術進步較緩慢， 領域有擴大趨勢； 3. 快速創新和應用轉化期（2008- 2013年）：這一階段涌現出的 新技術和工程手段使合成生物 學研究與應用領域大為拓展； 4. 發展新階段（2014年后）：工 程化平臺的建設和生物大數據 的開源應用相結合，全面推動 生物技術創新以及相關應用的 開發和商業化，代表技術包括 人工密碼子及非天然氨基酸系 統的開發、計算/AI蛋白結構設 計及預測、DNA存儲等。

3.合成生物學是最有潛力替代化學合成、天然提取的新興技術

以合成生物生產流程的特點，合成生物學被認為是綠色、環保、高效、可循環可再生的生產方式，相比化學合 成工藝、天然提取工藝，有著明顯的優勢，被認為是最有潛力替代化學合成、天然提取等成熟工藝的新興技術 手段，被政府、資本屆和產業界賦予了厚望。 天然產物是從自然界存在的動物、植物、微生物中分離提取的有機化合物，被認為是大自然賜予人類的瑰寶， 也是開發藥物活性分子的重要源泉，但天然產物在生物體內含量非常低，通過提取分離進行大量制備存在很大 難度，從而嚴重制約其開發和利用。而化學合成常受制于昂貴的化學試劑、苛刻的反應條件、難控的立體選擇 性、冗長的合成路線以及較低的總合成效率等，同時伴有高污染，嚴重制約其實際規模化生產和廣泛應用。 相較于傳統路徑，合成生物技術路徑受原材料和反應條件制約更小，全基因合成途徑與酶學機制，為構建細胞 工廠從頭異源合成天然產物提供了便利條件，同時也為合成生物學變革天然產物全合成提供契機。

4.生物制造應用領域廣泛、 市場空間廣闊

合成生物產業應用領域不斷拓展，市場空間高速成長

合成生物學產業的發展帶來了一大批行業應用場景。5年內工業化成果主要圍繞各大領域中先發探索話題的散點突破，如農 業和食品中的少數食品添加劑、植物基替代蛋白等；中期（5-10年）應用進一步拓展并實現部分全新子品類的技術突破和 規模化生產，如材料領域的高性能蛋白；遠期（超10年）有望在當前科研尚處早期或技術瓶頸較大的話題上實現工業化跑 通，如活體功能材料、器官再生等，另外，也預期將在生物質燃料、環保等新領域進一步發揮作用。據CB Insights、B Capital，全球合成生物學市場從2018年的53.0億美元預期增至2028年498.0億美元，期間CAGR超25.1%。易凱資本預測中 國生物制造2023年整體規模不低于4139.2億元，2033年將達近2萬億元，期間CAGR為16.6%，市場將處于黃金高速發展 期。

合成生物學未來具有廣闊的應用場景

合成生物學通過對生物系統的人工構建，不僅可以實現對生命的更深刻認知，從“格物致知”到“建物致 知”的轉化，而且還可以“建物致用”，用綠色、可持續的方法去制造人類需要的產品。合成生物學的多學科融合和交叉特點使其在醫藥、化學品、材料、生物燃料、食品、環境等領域都表現出 了廣闊的應用前景。

食品與營養：替代蛋白或顛覆傳統蛋白供給方式

在食品與營養領域，合成生物學為大規模食品生產建立新方法，開發多種功能的替代蛋白、合成天然稀有產物，提供微 生物油脂、生產食品添加劑和食品原料。相比化學合成法和天然產物提取法，全球食品業巨頭帝斯曼認為合成生物學方 法更可持續、成本更低，且具有質量一致性和可靠性。 據BCG，2023年全球食品飲料市場規模為6.6萬億美元，巨大的終端市場意味著食品添加劑和配料市場機會非常具有吸 引力，2022年中國食品添加劑和配料行業產量達1530萬噸，同比增長6.4%，銷售額達1441億元。另一個重要方向為替 代蛋白，2020年全球消費了約1300萬噸替代蛋白，僅占動物蛋白市場的2%，隨著技術不斷演進、替代蛋白市場認可度 逐漸提升，且替代蛋白的銷售成本快速下滑，相較傳統動物蛋白成本優勢越發明顯，未來替代蛋白市場規模將進一步擴 大，預計2035年全球替代蛋白市場消費量或達9700萬噸，滲透率將達11%。

農業：綠色高效農業發展前景可期

農業是合成生物學近年來的重點研究方向之一，包括農作物（包括糧食作物和經濟作物）、畜牧水產等主要領域。中 國人均耕地面積少，生物科技的應用尤為關鍵。根據BCG研究，農業排放占全球人類活動溫室氣體排放總量的17%。 合成生物學在農業領域的應用可以幫助減少肥料使用、減少碳排放、強化病害防控、提高生長效率等，不過行業整體 發展仍處于早期階段。

消費個護：市場需求空間廣闊，開發方向多樣

據BCG，2022年全球化妝品市場達約3780億美元，增速穩定在5.8%左右，其生產成本中上游原料比重較高，以功效性護 膚品為例，原料成本通常占成品銷售額的10-20%，且原料是影響產品功效和安全性的主要因素。據BCG、禾大，個護是 從石油基轉變到生物基原料的重要行業之一，生物基產品目前占到整個行業的40%左右。以膠原蛋白和多肽類原料為典型 代表的生物活性成分的開發和應用帶動了中國功效性護膚品市場快速增長。據BCG，中國膠原蛋白功效性護膚品市場預計 將從2022年的94億元增至2027年的775億元；據BCG、弗若斯特沙利文，中國多肽化妝品原料市場將從2022年的14.6億 元增至2027年的26.7億元。 在化妝品領域，合成生物學產品開發主要有3條思路：針對高價值產品，開發全新生產路線，以傳統動/植物提取物為典型 代表，因目標分子清晰、商業化潛力明確，成為目前產業的主要聚焦方向；聚焦環保主題，比如天然防曬劑、著色劑等， 主要是國際巨頭如歐萊雅等關心的話題；尋找全新原料，但受限于缺乏明確的分子改造目標和方向，研究進展相對緩慢。