合成生物學政策、技術及生產模式分析

政策支持疊加技術突破，合成生物產業迎風起。

1. 政策支持：戰略規劃齊發力，護航合成生物加速起航

合成生物學作為驅動醫藥產業變革的重要技術方向，受到國內外政策的高度重視。 各國政府通過資金與技術投入、法規與標準完善以及人才培養，全面助力這一領域的創 新與產業化發展。 全球主要國家政府陸續出臺合成生物學相關扶持政策，相繼建立合成生物學研究中 心，形成了遍布全球的合成生物學研究網絡。合成生物學進入全球共識、合作與競爭的 快速發展時期，歐盟、美國、中國等國家/地區從學科發展、政策制定和戰略布局等多維 度促進合成生物學發展。其中進程較快的國家如英國、美國。英國政府于 2012 年和 2016 年相繼發布《合成生物學路線圖》和《英國合成生物學戰略計劃》，是首個在國家層面 通過路線圖方式推動合成生物學發展的國家。2023 年英國政府發布《工程生物學國際愿 景》，通過 20 億英鎊的投資計劃推動合成生物學在醫學療法、精準治療等領域的突破性 應用。美國同樣從多維度相繼推動合成生物學的發展。2022 年 9 月，美國總統拜登簽署 了《促進可持續、安全和安全的美國生物經濟的生物技術和生物制造創新》的行政命令。 為落實這一戰略，美國白宮科技政策辦公室（OSTP）聯合多部門于 2023 年發布《生物 技術與生物制造宏大目標》，提出未來 5-20 年內通過生物技術和生物制造促進社會發展 目標的具體規劃。這些政策為全球合成生物學的醫藥領域發展提供了強有力的支持。

國內同樣重視合成生物學的研究與發展，在頂層戰略規劃上逐步加強，地方政策密 集出臺，為合成生物學的研究與應用提供資金和技術支持。2008 年香山科學會議首次探 討了合成生物學背景、進展和展望。2022 年 5 月，國家發改委印發《“十四五”生物經 濟發展規劃》，明確指出包括合成生物學在內的生物經濟是未來中國經濟轉型的新動力， 并提出發展合成生物學技術。《2024 年政府工作報告》就曾提到“積極打造生物制造、 商業航天、低空經濟等新增長引擎”，最新發布的《2025 年政府工作報告》也強調了要 “培育生物制造、量子科技、具身智能、6G 等未來產業”，生物制造作為新質生產力的 戰略意義持續得到國家認可。 近年來合成生物學科學研究和產業發展快速前進，現已成立多個研究中心和重點實 驗室等創新平臺。如 2008 年中國科學院批準上海生命科學研究院成立合成生物學重點 實驗室， 2019 年科技部支持天津與中國科學院共建國家合成生物技術創新中心等。十 余年間已成立多個相關研究中心和重點實驗室等創新平臺。同時，領域內多個合成生物 學重大項目獲得資金支持，國家重點基礎研究發展計劃開設“合成生物學”專題，國家 重點研發計劃開設“合成生物學”重點專項等。 政策的支持促成法規與標準的逐步完善，為合成生物學在醫藥領域的快速發展提供 規范保障。2021 年《生物安全法》從技術研發、實驗室管理到成果應用，提出了全面的 生物安全要求，確保新技術在規范框架內推進。2022 年，國務院辦公廳發布《關于加強 科技倫理治理的意見》，明確要求在生命科學、醫學等領域建立科技倫理規范和審查制 度，通過立法落實科技倫理要求，為合成生物學劃定倫理和法律邊界。同時，2021 年的 《關于推動原料藥產業高質量發展實施方案》與《“十四五”醫藥工業發展規劃》將合 成生物技術與綠色低碳生產納入重點方向，為產業的高效、環保發展提供了清晰的政策 指引。國際法規趨勢也提供了重要參考，美國和英國的技術規范和倫理審查經驗，為我 國提升全球競爭力提供了借鑒。合成生物學在多重法規護航下，正在規范、安全的軌道 上加速前行。

2. 技術突破：產業鏈技術升級，供給端迎來新發展

基因測序、基因編輯、基因合成等技術的快速發展及成本降低，支撐合成生物學由 概念逐步落地于產業。合成生物使能技術包括基因測序、基因合成、基因編輯、蛋白質 設計工程、基因線路與細胞工程等。基因編輯、合成和組裝將注重方法的開發和改進， 目標是實現染色體 DNA 的合成和整個基因組的編輯。得益于基因測序、基因編輯、基因 合成三個合成生物學底層技術成本的降低，越來越多的初創企業不斷出現。 基因測序技術的快速發展使生命信息的獲取變得更加精準、經濟和高效。自第一代 Sanger 測序技術問世以來，測序技術經歷了四次重大革新，從毛細管電泳到高通量測序， 再到納米孔測序技術，使 DNA 測序的速度提升了數百萬倍，測序讀長增加數倍，而成本 大幅下降。2001 年平均每兆數據量基因測序成本超過 5000 美元，單個人類基因組測序 成本近一億美元，而 2006 年新一代測序技術推出后，成本下降近 10 倍。到 2020 年平 均每兆數據量基因測序成本僅需 0.007 美元，單個人類基因組測序成本只有 645 美元。

近年來，全球基因測序市場迎來了高速發展，為產業鏈的上游奠定了堅實的基礎。 2024 年全球基因測序市場規模接近 150 億美元，預計在未來十年內會保持 20%以上的 增速，在 2030 年超 500 億美元，2034 年超過 1000 億美元。

基因編輯技術的突破，極大降低了基因改造的技術門檻，加速了菌種優化、合成路 徑設計等領域的進步。轉基因技術誕生于 20 世紀 70 年代，即利用 DNA 重組，對來自 不同基因組的 DNA 進行組合或將外源 DNA 導入受體基因組，該技術第一次實現了動物 物種之間的遺傳信息的交換和重組，但尚不能精準控制相關插入位置和數量。20 世紀 80 年代，ES 打靶技術興起，其原理是運用胚胎干細胞同源重組技術，篩選獲得帶有特定突 變的胚胎干細胞，然后利用胚胎干細胞的發育全能性，可將突變傳給子代，最終獲得的 可以穩定遺傳的動物模型。ES 打靶技術實現了對基因的精準編輯，但也存在耗時長、效 率低、成本高的問題。20 世紀 90 年代，出現了鋅指蛋白核酸酶技術、轉錄激活樣因子 核酸酶技術等新的基因定點編輯技術，理論上可以實現對基因序列的編輯，但其打靶準 確率僅約 30%，且設計復雜，用于 ZFN 編輯的鋅指蛋白的成本約 5000 美元，成本高昂 限制了其廣泛應用。2010 年后新一代基因編輯技術 CRISPR-Cas9 問世，成本約為 30 美元，降低了近 200 倍，其高通量且多樣化的優勢使基因編輯變得更加普及。 基因編輯技術的市場增長迅速，也展現出基因工程廣闊的前景。2021 年，全球基因 編輯市場規模為 48.11 億美元，到 2022 年增長至 54.12 億美元，同比增速達到 12.49%。 此外，基因編輯相關的專利技術也在近年來飛速增長，2010 至 2014 年間 CAGR 高達 41%，且其中許多技術已經從學術研究轉向商業化應用并得以迅速推廣。

基因合成技術的革新，推動 DNA 制造向更長、更快、更低成本發展。自 20 世紀 80 年代以來，DNA 合成技術經歷了多次革新，從最早基于亞磷酰胺的化學合成法發展至如 今的高通量芯片合成技術。芯片合成及超高通量芯片合成大幅提升了寡核苷酸的合成效 率，使得單次合成規模可達 10 萬條，同時將成本壓縮至傳統柱合成技術的 1/10000 至 1/100。盡管技術不斷進步，但寡核苷酸的化學合成仍存在諸多限制，如合成長度受限、 拼裝過程費時費力、工藝要求嚴格、成本居高不下，并且在合成過程中會產生大量污染 性有機化學廢棄物。隨著合成生物學的發展，對基因合成的需求持續提升，這些瓶頸問 題亟待突破。 酶促 DNA 合成技術的出現能夠有效解決化學合成法的眾多問題。酶促反應作用條 件溫和，DNA 可以在水相環境中合成，對 DNA 損傷較小同時避免了有毒化學試劑的使 用。由于減少試劑種類，成本降低 1-2 個數量級，使合成更加環保可持續。此外，酶促 DNA 合成單步準確率達到 99.5%，單步反應時間低至 30 分鐘，并憑借易于整合的特點， 使得一站式基因合成成為可能。

此外隨著互聯網時代的到來以及 AI 技術的持續突破，生物制造的效率和精準度得 到提高，也讓此前難以實現的生物合成成為可能。過去，研究人員對細胞代謝的認知是 零散的，而如今，隨著互聯網時代的到來，大規模的酶和代謝數據庫正在推動菌種優化。 例如，KEGG、MetaCyc、Brenda 等數據庫提供了細胞代謝網絡與酶功能的系統性數據， 使研究人員能夠快速分析目標菌株的代謝通路。此外，HMDB、SGD、GMD 等專門針對 特定生物體的數據庫，也使得針對不同物種的菌種優化更加精準。借助這些數據，科學 家可以更快地優化細胞工廠的代謝途徑，提高目標產物的合成效率。 酶工程的另一難點是精準預測蛋白質結構。近年來，AlphaFold 等 AI 技術的突破， 使得蛋白質結構預測的準確性大幅提升。這意味著研究人員可以更高效地設計和優化催 化特定反應的酶，縮短實驗周期，加速菌株改造。基于 AlphaFold 的結構預測，可以更 精準地改造代謝酶，提高目標化學品的合成速率，減少副產物的生成。 由于天然酶的種類有限，往往無法滿足復雜的化學合成需求，人工酶也至關重要。 近年來，人工酶設計技術取得了突破，能夠創造全新的催化能力。例如，Rosetta 軟件被 用于從頭設計能夠催化自然界不存在的化學反應的酶，如 Kemp 消除反應、逆醛縮反應 等。這些人工酶的出現，讓合成生物學突破了自然界的限制，為生物制造開辟了更多可 能性。

3.合成生物學重塑產業模式，提供更高效、環保的合成方案

合成生物學正在重塑產業生產模式，為高附加值化合物的制造帶來顛覆性變革，合 成生物學技術能夠執行傳統生物技術難以企及的任務。傳統的化學合成和天然提取方式 往往存在成本高、產量受限、環境污染等問題，而合成生物學通過細胞工廠和人工合成 代謝途徑的優化，實現了更高效、更環保的生物合成方案。隨著基因編輯、酶工程、代 謝工程等核心技術的突破，合成生物學不僅降低了藥物生產成本，還提升了產能，使大 規模工業化生產成為可能。 2020 年，麥肯錫發布的報告中提到，全球約 60%的產品可以采用合成生物學進行 生產，預計在 2030-2040 年，合成生物學產品每年可以帶來約 2-4 萬億美元的直接經濟 影響。 合成生物學技術通過精準改造菌株結構、優化代謝途徑等方式，能夠大幅提高生產 效率，降低單位生產成本。以丙氨酸生產為例，其生產工藝經歷了多次技術變革，從天 然提取法到化學合成法，再到酶法和發酵法，不斷朝著更低成本、更高效、更環保的方 向發展。早期的天然提取法和化學合成法雖然能夠實現規模化生產，但存在成本高、生 產路線復雜、環保污染嚴重等問題，難以滿足現代產業的可持續發展需求。隨著合成生 物學的發展，通過對菌株的精準改造和優化代謝途徑，發酵法的生產效率大幅提高，單 位成本顯著下降，使得生物法逐漸成為行業主流。

以華恒生物的生產實踐為例，其 L-丙氨酸產品主要采用傳統酶法和合成生物學方法 兩種生產路線。合成生物學方法的生產成本較低，但由于其光學純度不及酶法產物，售 價也相對較低。然而，盡管售價較低，合成生物學方法依然具備更高的毛利率，顯示出 其在成本控制上的顯著優勢。酶法產物的單位生產成本已經接近發酵法產物的市場售價， 進一步凸顯了合成生物學方法在降低成本方面的潛力。

合成生物學技術可通過更簡單易獲取原料合成目標產物，在保障原材料穩定可控的 同時顯著降低成本。2018 年中國科學院天津工業生物技術研究所通過 L-丙氨酸的最優 合成途徑設計、代謝路徑重構和細胞工廠優化，實現了葡萄糖高效轉化為 L-丙氨酸，并 在國際上率先實現發酵法 L-丙氨酸的產業化。原材料葡萄糖屬于可再生生物質資源，主 要通過玉米淀粉制得，甚至可以從木質纖維素中提煉，有很大的價格優勢，又能長期維 持成本的穩定。據計算，該技術使生產成本相比傳統方法降低了 52%。隨著菌株改造和 工藝優化的進一步推進，生物法生產丙氨酸的經濟效益將更加突出，為行業帶來更具競 爭力的解決方案。 在生產效率方面，合成生物學技術通過優化代謝路徑和發酵工藝，顯著提升了生產 能力。以 L-丙氨酸生產為例，相較于傳統化學合成和酶法受限于高成本、發酵周期長、 生產強度低等問題，改造后的工程菌株使 L-丙氨酸的產量提升至 127.2 g/L，轉化率提高 至 0.83 g/g，生產強度達到 3.53 g/L/h，較優化前均提高了 60%左右。這一突破源于對 代謝工程的深入改造，研究人員通過增強前體供給、優化基因表達、提升外運能力等手 段，使菌株能更高效地積累 L-丙氨酸，并結合優化的發酵策略，實現更短周期、更高效 的生物制造。該技術的成熟，不僅降低了生產成本，也為 L-丙氨酸的規模化應用提供了 更具競爭力的解決方案。

以抗生素為例，合成生物學同樣顯著提高了單批次產量，同時在規模化生產中保持 較高穩定性。川寧生物通過自主研發，在傳統發酵基礎上通過研發新的發酵工藝，進一 步提升中間體產品生產提取效率。這一突破顯著提高了單批次產量，使得工業發酵從傳 統的小規模生產邁向超大規模制造階段，展現出強勁的產能優勢。以頭孢菌素 C 生產為 例，川寧生物通過改進發酵工藝，在最佳工藝參數下，其發酵水平提升了 8.28%，單次 發酵的抗生素產量顯著提高。相比傳統發酵方式，該技術不僅優化了菌種代謝能力，還 在規模化生產中保持了高效穩定性，為生物制造行業提供了更強的產能支撐。

合成生物產業采用生物基材料替代傳統化石基材料，以生物技術替代傳統化工技術。 在當前雙碳減排趨勢下，發展合成生物學產業具有深遠的戰略意義。根據世界自然基金 會（WWF）估算，到 2030 年，工業生物技術每年可減少 10 億至 25 億噸二氧化碳排 放。而統計數據顯示，合成生物技術可在多種生物基材料生產中實現超過 60%、甚至高 達 90%的碳減排。相較于傳統的石化路線，合成生物學能夠利用可再生資源作為原料， 通過代謝工程改造微生物，實現更加節能、低碳的制造方式。根據中科院天工所統計， 目前合成生物制造產品的節能減排能力已達 30%-50%，未來可進一步提升至 50%-70%。 這一創新路徑不僅降低了對不可再生資源的依賴，還在碳捕捉、碳回收等方面展現出較 大潛力，助力工業綠色轉型。 以華恒生物的厭氧發酵技術為例，公司突破了傳統好氧發酵能耗高、糖酸轉化率低的技術瓶頸，建立了以可再生葡萄糖為原料的 L-丙氨酸厭氧發酵生產體系。這一技術的 關鍵優勢在于無需通氧，從而顯著降低能源消耗。根據中國輕工業聯合會的鑒定意見， 該工藝已達到國際領先水平，并滿足了巴斯夫等國際客戶對綠色原材料的生態標簽要求。 此外，華恒生物還創新性地利用酶催化技術，以 L-天冬氨酸或丙烯酸為原料生產β-丙氨 酸，避免了有機溶劑及廢鹽的環境污染，進一步推動了生物制造技術的綠色升級。

我國生物發酵產業規模全球領先，產業鏈完備齊全，更具產能和成本優勢。根據中 國科學院院刊顯示，國內各類發酵產品產量超過 7000 萬噸，氨基酸、有機酸、維生素等 核心產品的產量占全球總量的 60%-80%。在合成生物學的推動下，發酵工藝不斷優化， 提升了生產效率，推動了生物制造的產業化落地。 生物發酵產業鏈的上游技術創新正在驅動整個合成生物學生產端的發展，其中，生 物發酵設備的技術突破是核心推動力。設備的升級不僅提升了發酵效率和產品質量，也 加速了合成生物學的產業化進程。中國生物發酵設備行業已形成完整產業鏈，從原材料 供應到設備制造和產品研發均實現了快速發展，市場規模近年來穩定增長，2023 年上半 年超過 200 億元。國內企業具備生產多種規格發酵罐的能力，技術水平不斷提高，市場 認可度逐步提升。隨著行業競爭加劇，企業通過加大研發投入和技術創新來提升產品性 能，推動設備向智能化、高效化發展。盡管市場增長率有所放緩，但行業正在經歷技術內卷，高密度發酵工藝、智能監控系統等新技術的應用，使得合成生物學生產端更具成 本優勢和產業化潛力。未來，隨著設備進一步升級，生物制造產業將邁向更高端、更自 動化的發展階段。

此外，中國在生物發酵原材料供應上也具有全球領先的優勢。發酵原材料主要包括 小麥、玉米、大米、木薯等，而中國是全球最大的小麥生產國，玉米和大米的產量也位 居世界前列，確保了充足且穩定的供應。這種上游原材料的豐富性和價格優勢，為合成 生物學的生物制造提供了堅實的基礎，進一步降低了生產成本，增強了產業鏈競爭力。