合成生物学——未来主流生产方式

合成生物学是绿色制造的核心在“碳中和”的政策背景下，以合成生物学为基础，通过生物化工生产的产品。 合成生物学的本质     

合成生物学的本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。合成生物学是生物化工产业链的底层核心技术来源之一。完整的生物化工全产业

链有六大环节，包括基因工程、菌种培育、发酵过程、分离纯化、改性合成、开发应用。对于生产企业而言，生物化工各个环节并不是孤立的，而是密切联系的。

合成生物学可分为三个阶段：

一是利用现有的天然生物模块构建新的调控网络并表现出新功能；

二是采用从头合成方法人工合成基因组DNA；

三是人工创建全新的生物系统乃至生命体。

合成生物学生产化学品的核心技术包括基因测序和编辑、菌种培育筛选、产品纯化分离。目前，合成生物学正处于产业化的关键阶段，产品种类迅速增加，新产品验证和对传统化学法的替代并行。

合成生物学的发展     

合成生物学的发展始于人类对基因的认识，并在21世纪进入快速发展期。

19世纪下半叶以来,生命科学研究领域每50年左右便竖起一座里程碑,包括孟德尔遗传定律、摩尔根的染色体遗传学说、沃森和克里克构建的DNA双螺旋结构模型)以及人类基因组计划，推动生命科学进入组学和系统生物学时代。而系统生物学与基因技术、工程科学、合成化学、计算机科学等众多学科交叉融合,又催生和振兴了合成生物学。

作为一门典型的新兴和汇聚科学领域，合成生物学的影响力在21世纪以来迅速上升。我国在“十三五”科技创新战略规划中，已将合成生物技术列为战略性前瞻性重点发展方向。

资料来源：《Trendsin Biotechnology》华安证券研究所

21世纪以来，合成生物学的发展可以分为四个阶段：

（1）第一阶段（2005年以前）：以基因线路在代谢工程领域的应用为代表，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。

（2）第二阶段（2005—2011年）：基础研究快速发展，年度的专利申请量较之前并未有显著增加，合成生物学研究开发总体上处于工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段，体现出“工程生物学”的早期发展特点。

（3）第三阶段（2011—2015年）：基因组编辑的效率大幅提升，合成生物学技术开发和应用不断拓展，其应用领域从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、药物和疫苗开发、作物育种、环境监测等诸多领域。

（4）第四阶段（2015年以后）：合成生物学的“设计—构建—测试”（DesignBuild-Test，DBT）循环扩展至“设计—构建—测试—学习”（Design-Build-TestLearn，DBTL），“半导体合成生物学”（SemiconductorSynthetic Biology）、“工程生物学”（EngineeringBiology）等理念或学科的提出，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。基因测序成本和基因编辑成本的下降是合成生物学快速发展的重要原因。

目前，DNA测序成本的下降速度已经快于摩尔定律。2003年绘制人类基因组图谱耗费约30亿美元；2019年仅需花费不到1000美元；未来十年甚至更短时间内成本可能会降到100美元以下。

与传统生产方式比较     

与传统化学合成相比，合成生物学具有微型化、可循环、更安全的特点；与传统发酵工程相比，合成生物学对细胞的干预是定向的。合成生物学和化学合成不是对立关系我们认为，合成生物学是化学合成的一种补充生产方式，而不是替代关系。合成生物学不能构成完整的产业链。通常合成生物学更适宜生产小分子，因为大分子不宜和细胞质、营养液等相似分子量的物质分离。如果进一步生产聚合物或者改性仍需要精度更高的化学合成方法实施。完整的产业链包括基因工程、菌种培育、发酵过程、分离纯化、改性合成、开发应用这6个环节。

资料来源：华安证券研究所整理

（1）微型化：利用合成生物学生产化学品的最小反应单元主要是细胞或酶的催化，因此放大难度较小，同一套装置适用于不同产品的生产，产品容易相互切换；而化学工艺需要不同单元操作搭配不同的反应装置，装置大型化过程中存在不确定性，且同一套装置难以适用不同产品生产，较难切换。

（2）可循环：合成生物学所需原料以生物质原料为主，符合可循环发展的理念，而化学工艺则以化石原料为主。

（3）更安全：合成生物学生产所需反应条件更温和，产业链长度更短，安全性更高；而化学工艺生产通常需要在高温高压等特殊环境下进行，产业链更长，容易出现安全隐患，需要更高的安全管理水平。

资料来源：华安证券研究所整理

合成生物学的分类     

合成生物学百家争鸣从产业链布局的角度来看，合成生物学的公司可以分为两类：一类是实现从基因编辑到产品落地的全产业链公司，既有合成生物学技术储备，又有市场化产品落地；另一类是以服务为主，提供基因编辑和细胞工厂的研发型公司，业务以提供合成生物学技术支持为主，产品以代工厂生产为主。从盈利模式来看，全产业链布局的公司中短期内有望通过替代化学法更快实现盈利；而以服务为主的研发型公司将在合成生物学行业生态建立起来后，通过更高效专业地为大量代工企业服务获利。

截止目前，国外从事合成生物学领域的公司已经近500家，国内相关领域的公司也多达数十家，可谓百家争鸣、百花齐放。撬动合成生物学的政策杠杆：1）原料端，生物化工主要以可再生资源作为原料，符合可持续发展的理念，并在某些产品领域缩短产业链长度，降低原材料成本占比和产品周期属性；2）工艺端，对于某些特定的化学品，生物法大部分反应步骤均在微生物或酶的作用下进行，反应条件更温和、流程更简单，反应过程中的碳排放也更少；3）后处理端，一方面合成生物学通过改造可以让微生物参与更多的废弃物治理，另一方面生物基材料因热塑性而方便回收利用，减少环境负担。

合成生物学的未来     

据McKinsey统计，生物制造的产品可以覆盖70%化学制造的产品，并在继续拓展边界。天然生物有300万种分子或新材料尚待发掘，从小分子聚合物到生物大分子再到细胞和生物材料。石油基分子的多样性十分有限，而生物分子多样性却近乎无限，超过7成的药物发现来自于生物，其余的才来自于煤化工和石油化工。生物合成作为一种新的生产方式，与传统方式相比主要有以下优点：1）生物合成更擅长于制造复杂分子，如复杂官能团、杂原子、手性特异性等；2）生物合成在部分领域具有成本优势，如维生素E、甜菊糖苷以及凯赛的尼龙56等；3）生物和成的生产方式能够显著降低碳排放，PHA能够把全生命周期碳排放降低90%，一根PHA吸管比PP吸管碳排放低180g。

在化工领域，合成生物学在生物基化学品的合成、生物材料、生物能源、现代农业、环境治理等领域有广泛的应用前景。近年来，合成生物学的技术进步不仅使一批合成生物学企业（例如：Aymris、Zymergen、Beam等）得以成长，也令许多以传统化工、医药产品开发为主的企业（例如：BASF、Dupont等）也将目光投向合成生物学，发展生物化工，开发出一系列生物基产品。

结语     

合成生物学对各行业的影响力逐步提高，未来5年有望达到千亿美元的市场。据McKinsey数据，预计到2025年，合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元。据TransparencyMarket Research 数据，2018年全球合成生物学市场空间已达到49.6亿美元，预计至2027年将超过400亿美元（2600亿元人民币），年复合年增长率（CAGR）为26.3％。据DataBridge Market Research 数据，到2027年合成生物学市场规模将达到303亿美元，复合年增长率为23.6％。根据BCCResearch 数据，合成生物学领域2017-2022年的复合年增长率（CAGR）为26.0％。

合成生物学未来将进入快速发展期，产业链投资速度继续加快，产品产业化也将提速。

资料来源：McKinsey，华安证券研究所