36氪 - 2023年中國(guó)合成生物學(xué)行業(yè)洞察報(bào)告

國(guó)合成生物學(xué)行業(yè)洞察報(bào)告“白箱”+“黑箱”推動(dòng)合成生物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，開(kāi)啟低碳造物新時(shí)代2023年3月15日，哈佛醫(yī)學(xué)院在《Nature》雜志上發(fā)表的研究顯示，利用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)藥物或其他物質(zhì)時(shí)可以避免病毒污染帶來(lái)的巨大損失。近年來(lái)，伴隨著底層使能技術(shù)的突破和工業(yè)化研究平臺(tái)的助力，合成生物學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景正不斷多元，醫(yī)療、工業(yè)、食品、醫(yī)美等領(lǐng)域市場(chǎng)化產(chǎn)品已率合成生物學(xué)深度融合了分子和細(xì)胞生物學(xué)、工程學(xué)、生物化學(xué)和信息技術(shù)等多個(gè)尖端技術(shù)，通過(guò)工程化的方法編碼基因、改造生物，重構(gòu)并新建出更加符合產(chǎn)業(yè)化的新型生物系統(tǒng)，集可持續(xù)、低成本等諸多優(yōu)勢(shì)于一體，被認(rèn)為是“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”和“基因組技術(shù)”之后的第三次生物科技革命。目前，合成生物學(xué)正處于產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵階段，產(chǎn)品種類(lèi)迅速增加，新產(chǎn)品驗(yàn)證和對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)法的替代并行，將可能為人類(lèi)面臨的醫(yī)療、能源和環(huán)境等重大問(wèn)題提供全新的解決方案。1、發(fā)展環(huán)境支持政策頻出，我國(guó)合成生物產(chǎn)業(yè)迎發(fā)展新機(jī)遇早在2006年和2010年，合成生物學(xué)專(zhuān)題研究便分別被列入我國(guó)“863計(jì)劃”和“973計(jì)劃”。近年來(lái)，國(guó)家愈發(fā)重視合成生物學(xué)發(fā)展，正逐步加強(qiáng)頂層戰(zhàn)略規(guī)劃，并做出發(fā)展底層技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的宏觀部署?！笆濉逼陂g，合成生物學(xué)作為戰(zhàn)略前瞻性重大科學(xué)問(wèn)題和前沿共性生物技術(shù)被寫(xiě)入《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》；國(guó)家衛(wèi)健委提出促進(jìn)生物技術(shù)大力發(fā)展，支持建設(shè)合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)新中心的各項(xiàng)細(xì)則，彰顯了合成生物技術(shù)在引領(lǐng)生物技術(shù)創(chuàng)新中的重要地位；進(jìn)入2021年以來(lái)，北京、深圳、上海等地方政府陸續(xù)將合成生物學(xué)列為發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，推動(dòng)底層技術(shù)發(fā)展，構(gòu)建創(chuàng)新技術(shù)平臺(tái)；2022年5月，國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》則作為綱領(lǐng)性文件，提出包括合成生物學(xué)在內(nèi)的生物經(jīng)濟(jì)是未來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的新動(dòng)力，表明國(guó)家對(duì)合成生物學(xué)學(xué)科及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視以及推動(dòng)合成生物學(xué)技術(shù)成果落地的決心。產(chǎn)業(yè)鏈剖析“白箱”+“黑箱”雙重模式推動(dòng)合成生物學(xué)理性設(shè)計(jì)能力加速突破理性設(shè)計(jì)能力有限一直是合成生物學(xué)的技術(shù)痛點(diǎn)，現(xiàn)階段，合成生物學(xué)正通過(guò)“白箱”+“黑箱”雙重模因測(cè)序與合成、基因編輯、計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)、菌種培育和篩選、產(chǎn)品分離純化等底層使能技術(shù)不斷進(jìn)步，帶來(lái)了DNA測(cè)序合成通量和菌株開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力大幅改善。另一方面，黑箱理論則借助于自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)生的大量生物學(xué)數(shù)據(jù)，支持機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)人工智能輔助為廠商提供基于微生物菌株的解決方案。近年來(lái)，研究人員提出了“設(shè)計(jì)-合成-測(cè)試-學(xué)習(xí)”(DBTL)理念，構(gòu)建了大規(guī)模的基因元件、線路、系統(tǒng)試錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)手段，并引入自動(dòng)化和高通量硬件設(shè)施構(gòu)建了生物鑄造廠，提高了生物實(shí)驗(yàn)對(duì)象、方法、技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化水平，有效提升了理性設(shè)計(jì)合成生命體的能力。2、發(fā)展現(xiàn)狀上游基礎(chǔ)層提供技術(shù)賦能，中游平臺(tái)層進(jìn)行生物體設(shè)計(jì)改造，下游應(yīng)用層企業(yè)則打通了從基因編輯到產(chǎn)品落地的合成生物學(xué)全產(chǎn)業(yè)鏈，側(cè)重規(guī)?；a(chǎn)。據(jù)創(chuàng)業(yè)邦睿獸分析數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段，我國(guó)合成5.84%)，應(yīng)用層企業(yè)430家(占46.48%)。其中，合成生物學(xué)平臺(tái)層和應(yīng)用層相輔相成，企業(yè)間界限并不清晰。應(yīng)用層企業(yè)為避免過(guò)度依賴(lài)單一產(chǎn)品，通常建立研發(fā)平臺(tái)以加速多個(gè)產(chǎn)品管線落地；而平臺(tái)型企業(yè)早期通過(guò)向客戶提供細(xì)胞編程服務(wù)來(lái)獲取收入，盈利空間十分有限，待業(yè)務(wù)規(guī)模和融資規(guī)模擴(kuò)大后，同樣可以基于自身研發(fā)創(chuàng)新能力向下游應(yīng)用層延伸以實(shí)現(xiàn)商業(yè)閉環(huán)，將利潤(rùn)最上游基礎(chǔ)層負(fù)責(zé)使能技術(shù)的開(kāi)發(fā)，包括DNA/RNA合成、測(cè)序、編輯，是合成生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，基因測(cè)序、編輯技術(shù)發(fā)展迅速，檢測(cè)時(shí)間和單位成本大幅下降，而基因合成技術(shù)逐步走向高通量和精準(zhǔn)合成，底層技術(shù)的成熟引領(lǐng)行業(yè)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入商業(yè)化階段。中游平臺(tái)層主要由合成生物平臺(tái)型企業(yè)構(gòu)成，通過(guò)軟件工程、生化工具、基因工程、自動(dòng)化平臺(tái)、機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)科學(xué)、代碼庫(kù)等技術(shù)，打通“設(shè)計(jì)－構(gòu)建－測(cè)試－學(xué)習(xí)(DBTL)”的循環(huán)迭代，建立生物體設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)的集成化平臺(tái)，解決基因編輯、產(chǎn)品服務(wù)商業(yè)化落地的問(wèn)題。該類(lèi)型企業(yè)產(chǎn)品多為代加工為主，部分平臺(tái)型企業(yè)則在打造高通量、自動(dòng)化生物工程平臺(tái)的同時(shí)向下游孵化產(chǎn)品。例如，恩和生物依托自動(dòng)化技術(shù)平臺(tái)BotaFreeway加速開(kāi)發(fā)可替代傳統(tǒng)石油基的生物基產(chǎn)品；合曜生物搭建以獨(dú)特的非模式生物自動(dòng)化改造技術(shù)為核心的三大技術(shù)平臺(tái)，拓展了多條化妝品與創(chuàng)下游應(yīng)用層負(fù)責(zé)研發(fā)和生產(chǎn)生物基產(chǎn)品，探索高效的生物合成方法。該類(lèi)型企業(yè)既有合成生物學(xué)技術(shù)儲(chǔ)備，又有市場(chǎng)化產(chǎn)品落地，現(xiàn)階段應(yīng)用場(chǎng)景以醫(yī)療、工業(yè)、食品、醫(yī)美為主。市場(chǎng)規(guī)模：應(yīng)用場(chǎng)景逐漸多元，醫(yī)療領(lǐng)域呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)隨著底層使能技術(shù)的突破和基礎(chǔ)研究的深入，在工業(yè)化研究平臺(tái)的助力下，合成生物學(xué)正向醫(yī)療、化工、能源、食品、消費(fèi)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域進(jìn)行延伸，部分國(guó)內(nèi)外企業(yè)已初步實(shí)現(xiàn)“從1到N”，整體市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。根據(jù)CBinsights數(shù)據(jù)，2021年全球合成生物市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到736.93億美0年增長(zhǎng)767.5%。從細(xì)分賽道來(lái)看，醫(yī)療是占比最大的領(lǐng)域，2021年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到687.24億美元，占比超過(guò)93%。據(jù)麥肯錫預(yù)測(cè)，2030-2040年期間，合成生物學(xué)每年在醫(yī)療健康方面潛在影響將達(dá)到0.5至1.2萬(wàn)億美元，最終有望解決全球疾病總負(fù)擔(dān)的45%。3、發(fā)展展望合成生物學(xué)從減排+固碳兩方面推動(dòng)“雙碳“目標(biāo)達(dá)成合成生物學(xué)制造過(guò)程利用生物資源在細(xì)胞工廠內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，通過(guò)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)和改造，可實(shí)現(xiàn)碳元素的閉環(huán)循環(huán)，兼具綠色環(huán)保與降本增效優(yōu)勢(shì)，從減排和固碳兩方面助力“碳達(dá)峰”、“碳中和”的一方面，相較于傳統(tǒng)化工生產(chǎn)工藝，生物基化學(xué)品可以顯著降低CO2排放量，而合成生物學(xué)為化學(xué)品的生物制造提供了技術(shù)手段。據(jù)中科院天工所統(tǒng)計(jì)，目前合成生物制造產(chǎn)品平均節(jié)能減排30％-50％，未來(lái)潛力將達(dá)到50％-70％。例如，通過(guò)合成生物技術(shù)生產(chǎn)1,3-丙二醇用于多種藥物、新型聚酯PTT、醫(yī)藥中間體及新型抗氧劑的合成，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排63%；而一根PHA制造的吸管比PP吸管碳排放低180g，全生命周期碳排放量可降低90%以上。另一方面，合成生物學(xué)能夠?qū)ψ匀坏奶即x路徑進(jìn)行改良，重組出一種新的人工碳代謝路徑，從而增強(qiáng)了植物和微生物的固碳能力。此外，通過(guò)合成生物學(xué)和代謝工程的手段對(duì)藍(lán)藻等自養(yǎng)微生物進(jìn)行改造還可實(shí)現(xiàn)以CO2為原料生產(chǎn)乙醇、乙酸、丙酮、丁醇、乳酸等化學(xué)品，如美國(guó)公司Lanzatech利用細(xì)菌將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的CO2、CO等轉(zhuǎn)化為工業(yè)乙醇用于航空燃料的技術(shù)已在首鋼的兩家工廠實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。AI+合成生物學(xué)深度融合，全面賦能“設(shè)計(jì)-合成-測(cè)試-學(xué)習(xí)”全流程近年來(lái)，人工智能技術(shù)快速發(fā)展，其基于海量數(shù)據(jù)的持續(xù)學(xué)習(xí)能力和在未知空間的智能探索能力有效契合了當(dāng)前合成生物學(xué)工程化試錯(cuò)平臺(tái)的需求，是實(shí)現(xiàn)生物工程可預(yù)測(cè)的重要途徑，在復(fù)雜