中心思想
合成生物学:赋能未来产业的战略高地
合成生物学作为一门以工程学思想为指导、多学科交叉融合的新兴领域,正以其“人工设计与编写基因组”的核心能力,深刻变革着传统工业生产方式。它通过重新设计和改造生物体或细胞,使其具备生产人类所需物质的新能力,本质上是让细胞成为人类的“工厂”。该技术路径相较于传统的化学合成和天然提取,展现出绿色、环保、高效、可循环可再生的显著优势,有望突破自然生物体合成的局限,高效利用生物质资源,并实现复杂物质的生物合成,从而在降低产业成本、推动可持续发展和迎合低碳经济趋势方面发挥关键作用。麦肯锡预测,到2030-2040年,合成生物学在全球各领域的应用预计将带来每年2-4万亿美元的经济影响,尤其在人类健康与性能以及农业、水产养殖和食品等核心领域,其潜在直接影响总额占比高达70%左右,凸显了其深远的战略意义和巨大的商业价值。
中国生物制造:政策与资本驱动下的挑战与机遇
中国合成生物产业虽然起步相对较晚,但在国家“十三五”规划以来,已将其列为战略前瞻性重大科学问题和前沿共性生物技术,并获得多地政策的强力加码和资本市场的持续助力。2023年,在全球投融资市场整体低迷的背景下,中国生物制造领域逆势上升,融资事件数量同比增长11%,其中早期融资占据主导,医疗健康领域应用仍是主要方向,且政府引导资金和产业资本的参与度显著提升。然而,国内生物制造产业也面临中长期发展规划滞后、监管领域空白、应用研发主体错位(缺乏大型产业巨头和优质初创企业)、产业化能力不足(创新成果产业化实践较少)、以及人才储备与培养机制不健全等多重挑战。要充分释放合成生物学的巨大潜力,中国需在顶层设计、技术创新、产业生态构建和人才培养方面持续发力,以应对产业化进度不及预期、市场竞争加剧、原材料成本波动及地缘政治等潜在风险。
主要内容
一、生物制造战略意义深远、商业意义重大
合成生物学的工程学本质与发展脉络
合成生物学是一门以工程学思想为指导、多学科结合的新兴领域,其核心在于“人工设计与编写基因组”,旨在通过工程学方法设计、构建或改造生物元器件、模块及系统,赋予生物体或细胞新的能力,以实现理想的生物制造。其区别于传统生命科学的核心特征在于其“工程学本质”,主要体现在“自上而下”(Top-down,应用基因工程和代谢工程等技术改造活细胞)和“自下而上”(Bottom-up,体外合成全新生命系统如人工细胞)两大方向。广义上,它还涵盖了酶催化合成、无细胞合成、DNA存储等对生命有机体关键要素的创新应用。自千禧年以来,合成生物学经历了创建时期(2000-2003年)、扩张和发展期(2004-2007年)、快速创新和应用转化期(2008-2013年)以及发展新阶段(2014年后),后者尤其受益于工程化平台建设和生物大数据开源应用,推动了生物技术创新和商业化。
绿色高效的生产范式与万亿级经济影响
合成生物学被认为是绿色、环保、高效、可循环可再生的生产方式,具有替代化学合成和天然提取等传统工艺的巨大潜力。相较于化学合成工艺受制于昂贵试剂、苛刻条件、高污染等问题,以及天然提取工艺面临天然产物含量低、制备难度大等挑战,合成生物技术路径受原材料和反应条件制约更小,能够高效利用生物质资源,并合成传统方法难以实现或效率低下的产品。例如,通过合成生物技术生产己二酸、丁二酸、1,4-丁二酸等,可将碳排放量降低75-100%。在复杂物质合成方面,如人乳低聚糖,酶类合成法可达95%的产出率,远高于化学合成法的0.6%。这种产业趋势正向“降低产业成本”和“推动可持续发展的新型工业”转变,以迎合低碳经济发展趋势。麦肯锡分析指出,原则上全球经济物质投入中的60%可由生物产生,预计到2030-2040年,合成生物学在各领域的应用将带来每年2-4万亿美元的经济影响。其中,人类健康与性能以及农业、水产养殖和食品是两大重点领域,预计将贡献约1.3-2.5万亿美元的潜在直接影响,占总额的70%左右,显示出其对全球经济的重大颠覆性潜力。
二、生物制造应用领域广泛、市场空间广阔
市场规模高速增长与多元化应用场景
合成生物学产业正经历高速成长,应用领域不断拓展。据CB Insights和B Capital数据,全球合成生物学市场规模预计将从2018年的53.0亿美元增至2028年的498.0亿美元,复合年增长率(CAGR)超过25.1%。易凯资本预测,中国生物制造整体规模将从2023年的不低于4139.2亿元增至2033年的近2万亿元,期间CAGR为16.6%,预示着市场将进入黄金高速发展期。合成生物学通过对生物系统的人工构建,不仅加深了对生命的认知,更实现了“建物致用”,以绿色可持续的方式制造人类所需产品,其多学科融合和交叉特点使其在医药、化学品、材料、生物燃料、食品、环境等领域都展现出广阔的应用前景。
重点应用领域:食品、医药、农业、消费品与材料的变革
在食品与营养领域,合成生物学为大规模食品生产开辟新途径,开发替代蛋白、合成天然稀有产物、提供微生物油脂及食品添加剂。全球食品饮料市场规模达6.6万亿美元(2023年),中国食品添加剂和配料行业2022年销售额达1441亿元。替代蛋白市场潜力巨大,2020年全球消费量约1300万吨,预计2035年将达9700万吨,渗透率达11%,且成本优势日益明显。
生物医药领域,合成生物学助推创新型精准医疗快速发展。例如,中国中医科学院中药资源中心合作开发的KH617新型制剂(榄香烯)获美国FDA许可开展临床试验,有望成为国内首个合成生物学来源的植物天然产物新药。此外,衣霉素、人参皂苷、天麻素、灵芝酸等多种活性成分的生物合成均取得突破性进展,显著提高了产量并降低了成本。
农业是合成生物学近年来的重点研究方向,尤其在中国人均耕地面积少的背景下尤为关键。合成生物学在农业上的应用包括设计育种(抗虫抗药作物改造)、打造植物自身固氮、减少农业合成肥使用、提高植物生长及农业产量(如提高光合效率)、抗虫害(植物合成昆虫信息素及植物源农药)等。中国农业合成生物技术发展目标清晰,计划在2025年实现光合效率提升30%、生物量提升20%,到2035年实现人造淀粉商品化生产,植物和微生物源蛋白质替代率达30%。
消费个护市场需求广阔,全球化妆品市场2022年达3780亿美元。合成生物学在此领域主要通过开发高价值产品(如玻尿酸、胶原蛋白、烟酰胺)、聚焦环保主题(如天然防晒剂)和寻找全新原料。中国胶原蛋白功效性护肤品市场预计将从2022年的94亿元增至2027年的775亿元,多肽化妆品原料市场也将从14.6亿元增至26.7亿元。
高性能材料领域,合成生物技术以可再生生物质材料为原料,有望颠覆基于化石能源的传统化工制造体系。生物基材料市场潜力巨大,目前替代率不到5%,潜在替代规模接近6000亿美元。中国生物基材料产值已超1500亿元(2021年),广泛应用于塑料、纺织、医药、涂料等领域。
大宗化学品及生物能源方面,合成生物学聚焦成本节降,实现对原有生产方式的迭代,并能实现绿色生产、环境友好、资源节约等目标。虽然目前可合成的大宗化学品种类有限,但一旦技术突破,降本幅度可达20%-40%。生物能源则通过优化碳源(如用纤维素代替粮食作物)和探索新生物能源形式(如生物脂肪烃、生物氢)来推动产业发展,LanzaTech已实现基于固废循环使用和碳捕捉技术的低成本液态生物燃料制备。
三、合成生物学产业链上下游布局各有侧重
产业链价值分布与毛利率差异
合成生物学产业链可分为上、中、下游三个环节,各环节的产业布局和价值贡献各有侧重。上游聚焦使能技术的开发,包括读—写—编—学、自动化/高通量化和生物制造等,关注底层技术颠覆及提效降本。中游是对生物系统及生物体进行设计、改造的技术平台,核心技术为路径开发,注重合成路线的选择及技术跑通。下游则涉及人类衣食住行方方面面的应用开发和产品落地,核心技术在于大规模生产的成本、批间差及良品率等的把控。从产业链价值上看,上游使能技术和产品以及下游终端产品的市场规模较大、增速较快。2021年,使能技术和产品、终端产品的市场规模分别为35.2亿美元和46.9亿美元,占比分别为37%和49%,预计到2026年,其复合增长率将分别达到29%和30%。在毛利率方面,上游基因工程、底盘细胞等原材料生产因科研含量高、竞争者少,毛利率普遍更高,初步统计可达75%至80%。中游技术平台和生物仪器供应毛利率相对下降,约为40%至50%。下游应用市场则因行业差异附加值有所区别,其中生物医药毛利率更高,达到60%,而化工及食品行业则偏低。
上游技术差距、中游平台化与下游选品能力
在上游使能技术方面,中国与海外存在较大差距。在设计环节,虽然二代测序技术中外同步,但三代测序技术国内起步较晚,且高度依赖海外数据库和工具。在构建环节,DNA拼接技术已与海外同步,但在DNA合成和基因编辑方面仍在快速追赶。测试环节国内以自动化机械辅助的人工测试为主,与海外差距较大。学习环节国内外均处于发展初期,海外在预测算法准确度、数据积累等方面领先。
中游主要为平台型企业,通过合成生物底层软件技术、硬件设备及解决方案,为合成生物学发展提供基础。国际上以Ginkgo Bioworks、Zymergen为代表,业务广泛。中国平台型企业如凯赛生物,作为“合成生物第一股”,专注于工业领域应用,在研发和商业化方面均具领先地位,在产品数量及专利数量方面优势明显。
下游则高度考验企业的“选品能力”。选品是产品生产的第一个门槛,需理性评估目标产品利用生物合成途径生成的难度、市场空间、需求刚性,并与其他生成路径进行比较,同时考虑环境效益。错误的选品可能导致后期商业化开发阶段的巨大代价。例如,Amyris公司最初以酵母生产青蒿素,但因疟疾发生率下降和植物提取成本降低导致需求下降和成本不具优势,最终转型失败并破产。Zymergen公司在IPO后因主打产品光学膜存在“技术问题”而股价暴跌。相反,华恒生物通过突破厌氧发酵技术瓶颈,成功实现了L-丙氨酸的规模化生产,不仅降低了约50%的产品成本,还减少了二氧化碳排放,占据全球L-丙氨酸市场近50%的份额,成为选品和量产能力兼备的成功案例。
四、政策加码生物制造,资本助力国内产业快速发展
中国合成生物政策的加速布局与区域特色
中国合成生物产业起步虽晚于欧美发达国家,但发展速度惊人。自“十三五”规划将合成生物学列为战略前瞻性重大科学问题和前沿共性生物技术以来,国家出台了一系列政策支持其发展。近年来,北京、上海、天津、江苏、广东等多个地方政府也纷纷加大扶持力度,明确提出合成生物学方向的规划和布局。例如,北京市在“十四五”规划中强调研发高效遗传转化、精准基因编辑等关键技术;天津市目标成为全球合成生物技术原始创新策源地和产业战略高地;上海市发布行动方案,旨在2030年建成合成生物全球创新策源高地、国际成果转化高地和国际高端智造高地;广东省和深圳市也通过专项研发和基础设施建设推动产业发展。经过多年发展,我国生物制造产业已覆盖各省级行政区,其中长三角地区成为重点企业聚集地,北京、广东等省份在原始技术创新领域占有优势,而华北、华中地区则拥有较多骨干企业,西部地区则以特色天然产物生物制造和食品配料企业为主。
资本市场持续关注与投资结构变化
全球合成生物学投融资在2020年和2021年达到高峰,2022年虽有所回落至103亿美元,但仍保持资金充沛,投资趋于理性化和精准化。中国合成生物学投融资市场也经历了2021年的激增后,在2022年呈现下降趋势,逐渐回归商业理性。然而,在2023年整体投融资市场保持低迷的背景下,生物制造相关行业却逆势上升,全年中国一级市场生物制造领域融资事件共110起,同比2022年增加了11%,表明国内资本市场对生物制造企业持续保持高关注度。从融资阶段看,2023年中国生物制造领域市场融资轮次整体偏早期,B轮及以前的融资事件占比高达72.7%。从细分领域看,合成生物技术在医疗健康领域的应用仍然占据主要地位,创新药及生物技术是目前主要的应用方向,相关领域融资事件占融资总数的64.5%。值得注意的是,资本市场玩家结构正在变化,活跃投资人逐渐由财务投资机构向产业投资人、国家队转变,2023年有39.1%的融资事件有政府引导资金或产业资本参与。在交易金额方面,2023年融资事件中交易金额在1500万美元或1亿人民币及以上的融资事件有40起,相比2022年上升了29%,其中超1.5亿元以上的重点交易共22起,涵盖了甾体中间体、测序平台、保护氨基酸、重组蛋白药物、重组人胶原蛋白、生物基产品、基因编辑技术、工业酶制剂、mRNA疫苗、AI蛋白质设计平台等多个前沿领域,显示出资本对生物制造高价值项目的持续投入。
五、国内生物制造现存挑战
顶层设计与产业化能力不足
尽管我国已明确合成生物学的重要战略地位,但在中长期发展规划方面仍显滞后。目前,合成生物领域的长期、短期技术发展路线整体规划、技术发展实施路径、生物伦理监管体系构建等仍处于空白地带,缺乏专项政策规划,导致从基础研究到技术创新、工程平台建设、产品开发及产业转化的多层次、分阶段发展方式和路径尚不明确。此外,我国合成生物学应用研究主要以科研院所为主体,缺乏大型产业巨头和优质初创研发企业,与欧美发达国家形成的大型跨国企业巨头协同初创企业融合发展的产业格局存在较大差距。从产业规模看,我国生物制造核心产业增加值占工业增加值比重仅2.4%,远低于美、欧、日等发达国家。产业结构上,中