【行研】合成生物学行业发展现状

人类进入21世纪以来，新兴的交叉学科 “合成生物学”成为了国际科学前沿的一大热门，给生物技术产业带来巨大变革。2004年，《麻省理工科技评论》将合成生物学评为改变世界的十大新技术之一，2014年合成生物学被美国国防部列为21世纪优先发展的六大颠覆性技术之一。

合成生物学（Synthetic Biology）是通过工程化的思路，对生物体功能代码，如酶、合成途径，及底盘细胞的代谢调控网络等进行重编以设计出带有新型功能的生命体，并完成特定用途的一门崭新科学。英国伦敦皇家科学院（Royal Society）认为：合成生物学结合了其他领域的知识与工具，涉及领域包括系统生物学、基因工程、信息论、物理学、纳米技术及电脑模拟等。目前，合成生物学已在多个行业落实应用，例如农业、能源、制造业及医药学等。

合成生物学的发展历程及成果

迄今为止，合成生物学大体经历了五个重要时期：一、领域萌芽（1961-1999年），逐渐形成了基于程序性基因表达构建新的调控系统的设想，基因操作在微生物研究中得到了广泛应用；二、奠基时期（2000—2003年），基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用；三、扩张和发展期（2004—2007年），工程技术进步比较缓慢；四、快速创新和应用转化期（2008—2013年），合成生物学领域飞速发展，基因组编辑技术突飞猛进，2010年第一个人工合成细胞“辛西娅”诞生；五、全面提升期（2014-至今），将基因编辑技术与生物医药大数据相结合，全面推进合成生物学进展。2021年8月，中国首个使用生物合成技术的西格列汀仿制药获批，成为了中国正式接受利用合成生物的方法制造、生产医药类的产品的标志性事件。

图1.2000-2021年合成生物学研究的代表性进展 来源：中国科学院，Nature，Science，Cell，中信建投

政策推动合成生物学领域向前发展

合成生物学的发展引起科学界和政府的高度重视。美国国防部认为合成生物学可用于军用药物的快速合成、生物病毒战、基因改良和人体快速损伤修复等。中国2011年开始规划和部署合成生物学研究计划，工作重点在元器件库、化学品与材料（包括药品和天然化合物）的合成、肿瘤诊治、微生物和植物抗逆、生物固氮等研究。2021年11月9日，国家发改委、工信部联合发布了《关于推动原料药产业高质量发展实施方案的通知》，明确提到了要加快合成生物学等先进技术的开发应用，确保新形势下原料药产业高质量发展，医药产业核心竞争力得到进一步提升。可以预见，合成生物学研究将对国家的经济和社会发展带来重大意义。

表1.2021年国家及地方发布合成生物学政策

来源：招商证券

合成生物学的市场规模

近年来，全球合成生物学市场呈高速增长态势，2019年，全球合成生物市场达53亿美元；2020年，据Super Lab的统计显示，全球合成生物市场规模达68亿美元，根据Markets and Markets的一份报告，全球合成生物学市场预计将从2021年的95亿美元增长到2026年的307亿美元，年复合增长率为26.5%。

图2.2017-2026E全球合成生物学市场规模 来源：CB Insights、Super Lab、Markets and Markets

从合成生物学市场的细分领域来看，2019年，医疗和科研是规模最大的领域，市场规模分别达21.09亿美元、14.82亿美元。合成生物学技术的下游应用市场主要为医药，化工，农业等。其中，医药占比最大，在2019年，市场占比达到了50.39%。

图3.2019年全球合成生物学市场细分领域结构 来源：CB Insights前瞻产业研究院整理

按照地理位置划分，合成生物学市场分为北美、欧洲、亚太、拉丁美洲、中东和非洲。2020年，北美市场占据了全球合成生物学市场的最大份额，其次是欧洲和亚太地区。

合成生物学在医药领域的的应用

合成生物学有助于发现、分离获得新的天然药物，设计新的生物合成途径，产生更多天然药物及类似物；应用于肿瘤治疗的免疫细胞的设计，产生多样化的治疗策略，最大可能实现高效、低毒、可控、通用等目标；开发快速、灵敏的诊断试剂和体外诊断系统，满足早期筛查、临床诊断、疗效评价、治疗预后、出生缺陷诊断的需求；促进疫苗升级换代，重点推动新型疫苗（包括治疗性疫苗）的研发和产业化。目前合成生物学技术已广泛应用于提高药物产量、无细胞蛋白合成、发现新药物以及开发新型基因疗法等领域。

Amyris公司通过设计构建生产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞，成功使得100立方米工业发酵罐替代了5万亩农业种植的产能，大大降低了成本，提高产量。在镇痛药物的生产方面，通过利用改造的酵母从糖中直接生产阿片类化合物的蒂巴因和氢可酮以及那可丁的方法，可显著缩短其生产周期。此外人工不饱和脂肪酸（PUFA）、大麻素前体大麻萜酚酸（CBGA）、天然产物如人参皂苷、β-胡萝卜素、番茄红素、天麻素、红景天苷等在合成生物学制造方面也有了重大进展。

2021年4月9日，来自瑞典哥德堡查默斯理工大学系统与合成生物学系生物与生物工程系的研究人员发表一篇综述，重点介绍了合成生物学对药物设计中target validation、assay development、hit finding、先导化合物优化和化学合成等开发流程的影响，同时介绍了细胞疗法的发展。

2021年9月8日，来自纽约大学和芝加哥大学的科学家在国际顶尖学术期刊Nature上发表了名为“Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics”的文章，该研究主要介绍他们通过人工合成材料成功创建了一种具有主动运输能力的全新细胞模拟物。

合成生物学在肿瘤治疗领域的关注度也不断升温，在药物递送、设计非免疫细胞杀伤肿瘤细胞等方面取得了一些突破性进展。将合成生物学方法运用到肿瘤治疗中已成为肿瘤治疗的一个新的方向。2021年10月6日，意大利科学家在国际顶尖学术期刊Nature杂志上发表了名为“Metabolic modulation of tumours with engineered bacteriafor immunotherapy”的文章，该研究主要介绍了他们通过合成生物学方法开发了一种工程大肠杆菌Nissle1917菌株，能在肿瘤中定植，并不断地将氨（肿瘤中积累的代谢废物）转化为L-精氨酸，实验表明工程微生物疗法能够对肿瘤微环境进行代谢调节，从而提高免疫疗法的疗效。

合成生物学经过多年的发展，已经有很多突破性的进展。在医疗领域，除目前关注度较高的CAR-T等细胞治疗之外，利用合成生物学思路设计出细菌入侵肿瘤细胞的线路也是一个开拓性进展；在生物能源领域，我国科学家利用合成生物学技术实现了“人造淀粉”，完成了从“0到1”的突破，对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。但是，合成生物学领域还很年轻，发展潜力巨大，未来，我们相信合成生物学将对食品、能源供应、国家安全和经济发展等方面产生巨大的影响。

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