合成生物學(xué)概念、技術(shù)壁壘、市場發(fā)展及優(yōu)勢是什么？

合成生物學(xué)是多學(xué)科交叉領(lǐng)域，技術(shù)壁壘高筑。

合成生物學(xué)作為先進(jìn)生產(chǎn)力的典型代表， 是生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)以及信息科學(xué)深度交叉融合的新興領(lǐng)域，對合成生物學(xué) 企業(yè)提出較高的技術(shù)要求，構(gòu)建較高的技術(shù)壁壘。其核心理念在于把復(fù)雜的生物系統(tǒng)視 為可設(shè)計(jì)、可組裝的模塊，如同搭建精密的機(jī)械模型一般，在基因、代謝途徑和細(xì)胞網(wǎng) 絡(luò)等層面系統(tǒng)地對生物系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測試，從而為人類提供具有實(shí)用價(jià)值的新 型生物系統(tǒng)和產(chǎn)品。

合成生物學(xué)的多學(xué)科融合特性，無疑對相關(guān)企業(yè)的研發(fā)能力提出了極高的要求，其核心 的技術(shù)壁壘體現(xiàn)在三個(gè)維度： 1）基因元件標(biāo)準(zhǔn)化：需建立標(biāo)準(zhǔn)化生物元件庫（如 Promoter/RBS 數(shù)據(jù)庫）； 2）代謝通路優(yōu)化：涉及基因組尺度代謝模型（GEM）的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控； 3）規(guī)模化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換：實(shí)驗(yàn)室成果向工業(yè)發(fā)酵的線性放大存在非線性損耗。 理性設(shè)計(jì)和改造篩選微生物細(xì)胞工廠是合成生物學(xué)技術(shù)的核心難點(diǎn)。合成生物學(xué)包括前 端的設(shè)計(jì)組裝、中端的改造篩選和后端的發(fā)酵生產(chǎn)，前、中端構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠是合 成生物學(xué)技術(shù)的最大難點(diǎn)。根據(jù)華恒生物 2022 年度向特定對象發(fā)行 A 股股票證券募集 說明書，在合成生物學(xué)的基礎(chǔ)上，研發(fā)人員可以利用基因合成、基因編輯、途徑組裝與 優(yōu)化、細(xì)胞全局優(yōu)化等技術(shù)，創(chuàng)建全新的細(xì)胞工廠，突破原有生物系統(tǒng)的限制，創(chuàng)造出 更加符合產(chǎn)業(yè)化的新型生物系統(tǒng)，加速科技成果的工業(yè)化進(jìn)程。

通過 DBTL 循環(huán)（Design-Build-Test-Learn）實(shí)現(xiàn)對微生物細(xì)胞工廠的高度控制和優(yōu) 化。根據(jù)《The second decade of synthetic biology: 2010-2020》，由于當(dāng)前的基因工程、 代謝工程等生物技術(shù)水平受限，我們難以做到對目標(biāo)生物系統(tǒng)的理性設(shè)計(jì)，仍需要包含 設(shè)計(jì)（Design）、構(gòu)建（Build）、測試（Test）和學(xué)習(xí)（Learn）四個(gè)主要步驟的 DBTL 循 環(huán)多次迭代來逐步修正和優(yōu)化微生物細(xì)胞工廠。

全球合成生物學(xué)市場或?qū)⑦M(jìn)入發(fā)展快車道。據(jù) CB Insights 數(shù)據(jù)，2019 年全球生物學(xué)市 場規(guī)模達(dá)到了53 億美元，預(yù)計(jì)到2024 年將達(dá)到189 億美元，年復(fù)合增長率約為28.8%。 根據(jù) Data Bridge Market Research 分析數(shù)據(jù)顯示，2020-2027 年，合成生物學(xué)市場規(guī)模 將持續(xù)上揚(yáng)，2027 年預(yù)計(jì)達(dá) 302.8 億美元，年復(fù)合增長率約 23.63%。 2020 年 6 月，全球管理咨詢公司 Mc-Kinsey 發(fā)布的報(bào)告《The Bio Revolution》，明確指 出“未來 60%的工業(yè)產(chǎn)品都可以通過生物技術(shù)進(jìn)行制造，在未來 10-20 年內(nèi) 4 萬億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將由合成生物主導(dǎo)。”世界經(jīng)合組織（OECD）預(yù)測，至 2030 年，將有 35% 的化學(xué)品和其它工業(yè)產(chǎn)品來自生物制造，生物制造在生物經(jīng)濟(jì)中的貢獻(xiàn)率將達(dá)到 39%， 且生物基產(chǎn)品將取代 25%的有機(jī)化學(xué)品和 20%的化石燃料，基于可再生資源的生物經(jīng) 濟(jì)形態(tài)終將形成1。我們認(rèn)為伴隨全球生物技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與迭代，全球 合成生物學(xué)市場或?qū)⒃谖磥?5 至 10 年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)倍數(shù)級增長。 合成生物學(xué)下游應(yīng)用場景豐富，多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域增速較快。在食品和飲料、農(nóng)業(yè)、消費(fèi)品 及工業(yè)化學(xué)品等細(xì)分市場，合成生物學(xué)發(fā)展勢頭迅猛、未來潛力十足。合成生物學(xué)在醫(yī) 療健康領(lǐng)域的市場規(guī)模占比最大，根據(jù) CB Insights，2024 年合成生物在全球醫(yī)療健康 領(lǐng)域應(yīng)用的市場規(guī)模預(yù)計(jì)約50.22 億美元、占比約26%，2019-2024 年復(fù)合增速約18.9%。 在食品和飲料、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，由于現(xiàn)有市場基數(shù)低，預(yù)計(jì)其市場規(guī)模的年復(fù)合增長率超 64%。

合成生物學(xué)可助力達(dá)成碳中和目標(biāo)，有望在傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級中成為核心驅(qū)動(dòng)力之一。 在全球氣候變化日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，碳中和已成為國際社會(huì)共同矚目的核心議題。傳統(tǒng)生 產(chǎn)方式深陷能源消耗高、碳排放量大的困境。參考中國能源報(bào)數(shù)據(jù)，工業(yè)革命前大氣二 氧化碳濃度僅約 280ppm，但隨著工業(yè)革命的推進(jìn)，化石燃料的大量使用致使二氧化碳 排放量急劇增長。美國國家航空航天局（NASA）數(shù)據(jù)表明，2021 年全球大氣二氧化碳 濃度平均值已攀升至 414ppm。 為達(dá)成碳中和目標(biāo)，許多國家都在積極推進(jìn)清潔生產(chǎn)戰(zhàn)略，要求企業(yè)全面改進(jìn)生產(chǎn)工藝、 提高資源利用率、有效降低能源消耗。在這樣的發(fā)展背景下，高耗能、高污染的傳統(tǒng)產(chǎn) 業(yè)轉(zhuǎn)型升級迫在眉睫，這無疑為合成生物學(xué)提供了良好的發(fā)展契機(jī)。 根據(jù)華恒生物招股說明書，與傳統(tǒng)化工制造相比，以合成生物學(xué)為核心的生物制造具備 顯著的綠色優(yōu)勢。生物制造通常采用可再生生物資源作為原料，能夠徹底擺脫對石油資 源的依賴，同時(shí)大幅削減二氧化碳、廢水等污染物的排放。根據(jù)世界自然基金會(huì)（WWF） 預(yù)估，到 2030 年生物制造技術(shù)每年可減少 10 億噸至 25 億噸二氧化碳排放。我們認(rèn)為， 這一數(shù)據(jù)直觀地體現(xiàn)出合成生物學(xué)在助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)、推動(dòng)綠色可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中 的顯著優(yōu)勢與巨大潛力，有望成為引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力，重塑多個(gè)行業(yè)的發(fā) 展格局。

合成生物學(xué)既可以作為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的補(bǔ)充，也具有顛覆性的創(chuàng)新能力。合成生物學(xué)技 術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高選擇性、高效率、可定制化、大規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)過程具有高效、 清潔、可再生等特點(diǎn)，與全球大力倡導(dǎo)的碳中和理念高度契合，不僅能夠在現(xiàn)有框架下 對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式予以補(bǔ)充完善，更蘊(yùn)含著顛覆式創(chuàng)新的強(qiáng)大能量。 隨著技術(shù)的不斷迭代與應(yīng)用場景的持續(xù)拓展，合成生物學(xué)技術(shù)有望逐步全面賦能傳統(tǒng)行 業(yè)，補(bǔ)充甚至顛覆傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)邁向全新的發(fā)展階段2。歐洲《工業(yè)生物技術(shù) 2025 遠(yuǎn)景規(guī)劃》就已提出要向生物技術(shù)型社會(huì)轉(zhuǎn)變，力爭于 2025 年實(shí)現(xiàn)生物基化學(xué)品 替代傳統(tǒng)化學(xué)品 10%-20%，其中化工原料替代 6%-12%，精細(xì)化學(xué)品替代比例更是高 達(dá) 30%～60%。根據(jù)《華恒生物：2022 年度向特定對象發(fā)行 A 股股票證券募集說明書》， 到 2040-2050 年，直接應(yīng)用合成生物學(xué)可以將年平均人為溫室氣體排放量在 2018 年排 放水平基礎(chǔ)上減少 7%至 9%。我們認(rèn)為，合成生物技術(shù)對于我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的 實(shí)現(xiàn)以及未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有革命性的意義。

與傳統(tǒng)的化學(xué)合成法相比，合成生物制造具備環(huán)境友好、資源高效利用、高選擇性、成 本更低、產(chǎn)品多樣性和可定制性等多方面的優(yōu)勢： （1） 節(jié)能減排，綠色生產(chǎn)：合成生物制造利用生物體內(nèi)的酶催化反應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)，這使 得生產(chǎn)過程能夠在相對溫和的溫度和壓力條件下進(jìn)行，從而有效降低了能源消耗 與環(huán)境污染。以生物降解塑料聚乳酸（PLA）的發(fā)酵生產(chǎn)為例，相較于石油化工 生產(chǎn)工藝，具備原材料可再生；整個(gè)材料生命周期實(shí)現(xiàn)零碳循環(huán)；其在生產(chǎn)過程 中產(chǎn)生的溫室氣體排放和有毒物質(zhì)排放會(huì)顯著減少。

（2）資源高效利用：合成生物制造能夠?qū)U棄物和可再生資源轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品， 實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用與價(jià)值最大化。例如，通過改造大腸桿菌，可以實(shí)現(xiàn)廢棄植物纖維 素的轉(zhuǎn)化為生物燃料乙醇，提高資源利用率，降低對化石燃料的依賴，為可持續(xù)能源發(fā) 展開辟新路徑。

（3）高選擇性催化，提升產(chǎn)品品質(zhì)：生物體內(nèi)的酶催化反應(yīng)具有極高的選擇性，這使 得合成生物制造能夠有效避免傳統(tǒng)化學(xué)合成過程中常見的副產(chǎn)物生成問題。在藥物生產(chǎn) 領(lǐng)域，通過微生物發(fā)酵法生產(chǎn)抗生素，可以實(shí)現(xiàn)高選擇性、高純度的藥物生產(chǎn)，極大地 減少了化學(xué)合成過程中可能產(chǎn)生的副產(chǎn)物和不良反應(yīng)，為患者提供更安全、有效的藥物。

（4）成本優(yōu)勢：借助生物體內(nèi)的催化劑和基因工程技術(shù)，合成生物技術(shù)在部分領(lǐng)域展 現(xiàn)出突出的成本優(yōu)勢。一方面，合成生物技術(shù)能夠提高產(chǎn)量；另一方面，其對能源、原 料和處理副產(chǎn)物的要求相對較低，從而有效降低了生產(chǎn)成本。以多肽合成技術(shù)為例，根 據(jù)發(fā)酵工業(yè)網(wǎng)，瑞德林通過以酶催化為代表的新一代生物合成技術(shù)，可以將藍(lán)銅肽的生 產(chǎn)成本降低 50%以上。此外，通過改造微生物如酵母或藻類生產(chǎn)的生物柴油，與傳統(tǒng)石油提煉過程相比，也具有一定的成本優(yōu)勢。

（5）產(chǎn)品定制化、多元化：合成生物制造具有強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，能夠滿足不同領(lǐng) 域的多樣需求。例如，通過基因編輯技術(shù) CRISPR/Cas9，可以定制微生物以生產(chǎn)特定的 生物活性肽，如抗菌肽、腫瘤抑制肽等3，為醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域提供更多創(chuàng)新解決方案。 在食品飲料行業(yè)，通過基因工程改造釀酒酵母，能夠生產(chǎn)出不同口味、風(fēng)格的啤酒，滿 足消費(fèi)者日益豐富的個(gè)性化需求。