合成生物学：点燃未来生产的新引擎

文章来源于精准家，作者BiomedLink

01合成生物开启“造物“新时代

被称为“第三次生物科技革命”重要载体的合成生物学是二十一世纪新兴的交叉学科，它的本质是让细胞为人类工作，生产出想要的物质，有了这个技术可以使我们日常生活中接触到的许多产品以生物方法的形式合成。

例如青蒿素的合成，无论是通过大量种植黄花蒿来提取，还是通过化学方法来合成青蒿素，都受限重重，且成本较高。

2005年Amyris公司利用合成生物学技术得到青蒿酸，再用化学合成方式得到青蒿素，这大大提高青蒿素的产出。在与医药巨头赛诺菲合作后，青蒿素实现大规模量产。

根据兴业证券的数据，青蒿素价格从2005年的接近1200美元/千克，在两年内迅速降至200美元/千克以下。由此可见，合成生物学的应用不仅能提高产品产率、降低成本，生产高价值产品，还能减轻种植原料或养殖动物对环境的破坏，符合绿色发展的市场要求。 

近年来，不少传统和新兴企业在合成生物赛道展开布局，国内外诞生了一大批合成生物学领域企业，并成功获得全球资本市场的青睐，这也使产业投融资规模不断扩张。

得益于技术突破以及资金和政策的支持，合成生物学短短几年就取得了突破性进展，并迅速将科研成果向实用化产业化方向发展，被广泛应用在医疗、化工、化妆品、材料等领域，有望解决这些领域中因资源问题面临的瓶颈。

据麦肯锡统计，预计到2025年，合成生物学与生物制造的经济价值将达到1000亿美元，未来全球60%的物质生产可通过生物制造方式实现。

02驱动合成生物学发展的底层技术

合成生物技术是工程学思维在生物学领域的应用，延续了基于重组DNA的技术，同时融合了细胞工程、代谢工程等相关技术，以酶催化为核心，以创建新生命体系为目标。

关键底层技术包括DNA测序、DNA合成、DNA编辑和基因表达调控等。底层技术的快速进步和成本不断降低，显著提升了我们对DNA、RNA、蛋白质和细胞表现形式的设计和改造能力，并且大幅促进了合成生物学产业化的发展。 

DNA测序技术 

作为“读”的核心，在DNA水平上破解了各物种基因组序列，揭示了自然界生物多样性的遗传基础、为找到合成生物制造的有力“工具”奠定了数据基础。该技术始于20世纪70年代，目前第二代和第三代测序技术是DNA测序的主流技术，可以一次实现上百万的测序反应。

DNA合成技术 

指从头合成DNA，这个技术有着许多独特优势。因为从头合成DNA更容易实现目的，并且可以得到完整的模板进行扩增修饰；人工优化合成的序列优于天然序列，对研究遗传学机理方面有帮助，使用这些合成的序列可以设计并测试一些假说。近年来，利用酶促反应的高选择性和高催化活性，开发不依赖模板的酶促DNA从头合成技术，有望进一步提高单步合成效率，但目前处于起步阶段，还有很多问题需要逐步克服。

基因编辑技术 

是在基因组水平上对DNA序列进行定点改造修饰的与遗传有关的操作技术。原理是通过一个人工内切酶，在靶位点切断DNA，诱导细胞内的DNA修复系统启动，这时基因编辑技术就可以实现定点基因敲除、特异突变引入和定点修饰。

基因表达调控 

是代谢工程和合成生物学的核心技术之一，对优化目标产品合成途径的效率，避免过量代谢中间产物的积累，提高人工合成细胞的生产能力起着至关重要的作用。通过改变相应基因表达调控元件（如启动子、终止子）强度而改变基因表达水平是实现胞内基因表达最简便有效的方式。目前对于典型的模式微生物均已构建了相应数据库，以提供不同强度和类型的调控元件。此外，利用控制全局基因表达的特定蛋白或RNA、添加诱导剂进行动态调控等方法，也可以实现基因表达的调控。该技术现存问题有天然响应元件特异性不足、难改造优化，基因表达调控工具的开发标准未统一，技术还未成功实现从概念验证到工业化大规模应用。

基因组尺度代谢网络模型 

依托海量生物数据，在细胞整体系统水平建立数字细胞模型，可以使我们在计算机上描述和模拟生命代谢过程。该技术有助于理解细胞系统的组织原理和生命产生的进化规律，进而预测各种环境条件变化、基因扰动对细胞功能的影响，并指导人工生命的设计。挑战在于目前很多生物过程难以得到准确的动力学定量数据。

03全球著名合成生物企业介绍

合成生物整体的产业链可以分成3大类：上游底层技术、中游平台及下游终端产品。

上游主要为提供DNA合成、基因编辑等底层技术的公司；

中游是以菌株改造及自动化平台为核心的平台型公司，通过整合相应技术提供高效且可复用的技术平台；

下游为利用合成生物学技术生产各领域所需产品的产品型公司。 

Amyris是合成生物学领域首家纳斯达克上市公司，同时也是平台型公司的鼻祖和典型代表。经过长期的产业探索，逐步成为颇有影响力的法尼烯和长链碳氢化合物生产商。其菌株改造平台是行业最早的工程化平台之一，功能包括DNA设计、DNA组装、DNA质量控制、菌株转化、高通量筛选、数据分析、放大实验等。公司业务包括清洁美容、健康保健和香料香精等。 

GinkgoBioworks于2021年5月宣布上市，总部位于美国，专注于利用基因工程设计、生产工业用途微生物。拥有广泛的代码库、菌种工程、蛋白质工程和发酵平台，能够高通量生产和评估菌株，为客户定制微生物。2022年GinkgoBioworks完成对Zymergen的收购以整合其强大的自动化和软件能力，以及其在多种生物工程方法上的丰富经验，显著扩大了自己的合成生物学平台。 

TwistBioscience为美国上市公司，已建立高通量、低成本的新一代硅基DNA合成平台，该平台可以大量合成高质量的DNA片段及基因，用于药物开发实验和临床诊断等场景，开创了硅芯片“书写”DNA来制造合成DNA的新方法。主营业务包括保健相关、药物研究和工业化学品等。 

Synthego成立于 2012 年，是一家总部位于加利福尼亚硅谷的基因组工程公司。正在通过机器学习，自动化和基因编辑为规模化的科学研究搭建平台，其构建的云软件平台Antha，是一种计算机辅助的生物学软件平台，可以对实验室的设备、协议及工艺流程进行自动化编程。公司的主营业务包括利用CRISPR基因工程化改造细胞、提供合成化 RNA 解决方案以及提供生物信息学。 

凯赛生物成立于2000年，是一家掌握了产业链上游基因工程和菌种培养相关技术的平台型公司，完整布局了生物化工领域从基因工程——菌种培养——生物发酵——分离纯化——化学合成——应用开发的全产业链，于2020年8月在科创板上市。目前主要产品包括生物法长链二元酸、生物基尼龙等。 

华恒生物于2005年成立，是一家以合成生物技术为核心，主要从事丙氨酸系列产品为主的氨基酸等生物基产品研发、生产、销售的高新技术企业，于2021年4月在科创板上市。产品包括丙氨酸系列产品、D-泛酸钙和α-熊果苷，可广泛应用于日化、医药及保健品、食品添加剂、饲料等众多领域。 

弈柯莱生物成立于2015年，主要从事合成生物学方法的研发及规模化生产。目前，公司合成生物学技术主要用于生物医药、绿色农业、营养健康等多个市场前景良好的领域，已实现10多项产品的产业化。生物医药领域产品主要包括西他列汀中间体、度鲁特韦中间体等；绿色农业领域产品主要包括：S-氰醇、氨基酸氧化还原酶等；营养健康类产品主要包括烟酰胺单核苷酸原料。 

蓝晶微生物成立于2016年底，致力于设计、开发、制造和销售新型生物基分子和材料，其中包括生物可降解材料PHA、再生医学材料、美妆新功能成分、新型食品添加剂、工程益生菌等，是国内领先的生物法功能分子和新材料制造商。

整 理丨杨雅婷

编 辑丨凤梨酥

参考资料：

1.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1746371091974333725&wfr=spider&for=pc

2.https://finance.sina.com.cn/jjxw/2023-04-03/doc-imypansm3403195.shtml

3.https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/201231214535563122908.shtm

4.https://www.cn-healthcare.com/articlewm/20220210/content-1313556.html

5.https://mp.weixin.qq.com/s/ebOrb_bAEaqdefWQLBnS4Q

6.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752342590501278814&wfr=spider&for=pc

7.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1745942561710569700&wfr=spider&for=pc

8.https://www.cn-healthcare.com/articlewm/20220220/content-1316981.html

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