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合成生物学产业103页深度研究报告
属于未来的生产方式


1 合成生物学：天工开物
当人造物质超过自然物质总量时（资料来源 Nature），合成生物学有望移步幕前，成为人类实现可持续发展的必备工具。合成生物学的本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。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。复盘合成生物学发展，我们认为已进入成长期：2000 年以来，合成生物学基础研究领域加速发展；2011 年以来， 合成生物学技术的专利布局进入加速期，相关专利的申请量快速增长；2015 年以来， 合成生物学产业投资加速。
合成生物学是一个长坡厚雪的赛道。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。全球合成生物学领域有望快速成长：
1）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；
2）据 Transparency Market Research 数据，2018 年全球合成生物学市场空间已 达到 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 ％；
3）据 Data Bridge 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 ％；
4）根据 BCC Research 数据，合成生物学领域 2017-2022 年的复合年增长率（CAGR）为
％。
合成生物学是什么？
合成生物学的本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。该技术突破自然进化的 限制，以“人工设计与编写基因组”为核心，可针对特定需求从工程学角度设计构建元 器件或模块。通过这些元器件对现有自然生物体系进行改造和优化，或者设计合成全新 可控运行的人工生物体系。它把“自下而上”的“建造”理念与系统生物学“自上而下” 的“分析”理念相结合，利用自然界中已有物质的多样性，构建具有可预测和可控制特 性的遗传、代谢或信号网络的合成成分。合成生物学的研究内容主要包括生物元件、基 因线路、代谢工程以及基因组工程。
在合成生物学技术的知识体系中，DNA 合成技术的发展、合成生物学元件的开发是基础。其中，合成生物学元件根据来源可分为天然元件和非天然元件，根据作用又可分 为调控元件和功能元件等。立足元件的标准化开发，利用生物设计的工具，已开发出各 类生物线路。这些生物线路在底盘细胞或无细胞系统中，用于生物基化学品、功能成分、 蛋白质或多肽的表达，以及环境调控和监测、植物育种等领域的应用。
合成生物学难度有高低，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。
在化学品的生产过程中，与传统的化学工艺相比，合成生物学具有微型化、可循 环、更安全的特点：
（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。
合成生物学与计算机科学相似度很高。合成生物学的目标是扩展或改变生物的行 为，并对其进行改造服务产品生产。合成生物学过程的目标和方法可以用计算机的层次 结构类比。在层次结构中，每个组成部分都包含在更复杂的系统中。在设计新行为时会 先考虑到层次结构的顶部，但是实现的过程是自下而上的。层次结构的底部是 DNA， RNA，蛋白质和代谢产物（包括脂质和碳水化合物，氨基酸和核苷酸），类似于计算机中 的晶体管、电容器和电阻器等。上一层是设备层，包括生化反应，该反应调节信息流并 操纵物理过程，类似于在计算机中执行计算的逻辑门。在模块层，利用各种各样的生物 设备库来组装起类似于集成电路一样功能的复杂路径。这些模块彼此之间的连接以及它 们在宿主细胞中