主要看好逻辑：

1）合成生物制造的产品可以覆盖70%化学制造的产品，是对化学品制造的颠覆性技术。

2）合成生物学正向各领域快速渗透，革新和颠覆传统产业。

3）在“碳中和”的政策背景下，合成生物制造过程兼具绿色环保与降本增效优势。

一、合成生物学是什么？

合成生物学是对生物体进行有目标的设计、 改造乃至重新合成。“合成生物学”这一名词最早出现于DNA重组技术发展的上世纪70年代， 在2000年被EricKool重新定义为基于系统生物学的遗传工程，标志着这一学科的正式出现。合成生物学在工程学思想指导下，按照特定目标理性设计、改造乃至从头重新合成生物体系，用以解决人类食品缺乏、能源紧缺、环境污染、医疗健康等各方面的问题，是生物学、生物信息学、计算机科学、化学、材料学等多学科交叉融合的学科。 

合成生物学的本质是让细胞成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。

图1：合成生物学示意图

与传统的化学工艺相比，合成生物学具有哪些特点？

（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；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，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；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。

图2：合成生物学与化学工程对比

合成生物学和发酵工程有什么区别？

   合成生物学的本质是对细胞干预的定向性。与传统的微生物发酵相比，运用合成生物学可以使过程优化从反向工程到正向工程，提高生产效率，拓宽产品类型。在传统的发酵过程中，对细胞的认识比较有限，是通过细胞功能确定生产产品。传统发酵的产品优化主要来源于对菌种进行改造或大量筛选，研究 DNA、蛋白和代谢物对提升产品性能的影响。合成生物学出现后，为传统发酵提供了工程化、模块化、标准化的工具，对生物元件进行定性和定量。以此为基础，重新组装这些元件，创造一些新的功能。合成生物学的引入，大大提高了传统发酵的能力圈，不仅可以利用相对简单的方法提高了产品的质量和生产效率，还能生产原本不能生产或原本效率低下的产品。

二、合成生物学的应用场景

1、应用场景：医学领域

合成生物学通过设计全新的细胞内代谢途径，使医药产品能够通过微生物细胞利用廉价糖类等原料进行合成，从而降低医药产品的生产成本，为绿色生产提供可能。在医学应用中，合成生物学可根据不同的疾病和致病机制进行人工设计、构建适宜的治疗性基因回路；在载体的协助下植入人体，合成生物学通过纠正机体有功能缺陷的回路，实现治疗疾病的目的。

默克公司糖尿病药物：Januvia

➢   Januvia，又称西格列汀或者佳糖维，通过抑制二肽基肽酶 -4（DPP -4） 活性降低血糖水平。西格列汀拥有13.5亿美金的年销 售额，在现有大约107个处方中，西格列汀的开方数量排名在95位。西格列汀使用化学方法较难合成， 往往需要重金属和高压 的条件，原因是其分子结构中具有立体构象专一的氨基。

➢   默克公司利用多轮定向优化酶的催化活性，最终实现西格列汀超99.95％的生产纯度。从节杆菌属具有右旋选择性的转氨酶开始，利用模型模拟打开转氨酶与底物的结合口袋，最终通过27个氨基酸突变获得高转化率的转氨酶。

2、应用场景：化学品、生物材料、生物能源领域

   随着合成生物学快速发展，对细胞代谢和调控认知的深入以及技术手段的进步，使得优化改造、从头设计合成高效生产菌种成为可能，可再生化学品与聚合材料的生产能力与效率大大提升， 与此同时可大幅减少原材料和能源消耗， 大幅降低生产成本。

➢ 凯赛生物的生物制造法能够生产从九碳到十八碳的各种链长二元酸， 传统化工生产仅限于以十碳和十二碳二元酸为主；生物制 造方法生产的反应过程温和，三废排放少，原料部分利用可再生生物质原料；生产收率接近99%，优化后生物法长链二元酸的热稳定性从60%提升到95%以上，使得其应用于高端聚合物领域成为可能。

3、应用场景：农业领域

   合成生物学的发展能够帮助提高农业生产力、 改良作物、 降低生产成本以及实现可持续发展， 同时能够改造植物光合作用增加农业产量、利用微生物或代谢工程手段减少农业化肥使用以及重塑代谢通路改良作物等， 带来农产品产能与营养价值的突破性增长。

Pivot Bio公司的生物玉米氮肥：PROVEN

➢   Pivot Bio公司利用合成生物学方法重塑KV137基因组（一种具有固氮基因的细菌，可作用于玉米根部），使其表达固氮相关基因，进而开发了基于γ -变形杆菌（KV137）的玉米生物肥料PROVEN。液体肥料PROVEN的活性成分是KV137细菌，PROVEN的使用可将化学肥料的需求量减少12公斤/英亩（1英亩约等于6.07亩），将产量提高147公斤，2020年PROVEN的使用面积达25万英亩，后续有望持续扩大使用面积。

4、应用场景：食品领域

   合成生物学的发展能够帮助发掘动、植物的营养以及功能成分合成的关键遗传基因元件，有可能对跨种属的基因进行组合，采用人工元件对合成通路进行改造，优化和协调合成途径中各蛋白的表达，构建新的细胞工厂，颠覆现有的食品生产与加工方式。

 Impossible Foods公司的人造肉汉堡

➢Impossible  Foods采用DNA合成、DNA组装、遗传元件库建设以及基因线路设计来改造优化巴斯德毕赤酵母菌种，将其生产的大豆血红蛋白添加到人造肉饼中改善汉堡风味。

➢ 合成生物学方法与传统牛肉饼生产方式相比不需要养殖真正的肉牛， 所需土地减少96％， 温室气体减少89％。在全球范围内，其产品已经在超过30000家餐厅和15000个杂货店中售卖。

图3：合成生物发展历程

资料来源：行业资料整理

后续会继续更新：

合成生物学行业驱动因素和关键拐点；合成生物学市场空间；合成生物产业链分析和投资逻辑，面临的机遇和挑战。

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