合成生物学：绿色造物，智创未来

中心思想

合成生物学：绿色制造与产业革新的核心驱动力

本报告深入剖析了合成生物学作为一门新兴综合学科，如何通过“绿色造物，智创未来”的理念，加速传统化学制造向生物制造的变革，并成为医药、化工、食品、轻工等多产业升级的核心技术。合成生物学以其系统工程的特性，整合酶工程、基因合成、基因测序、基因编辑等多种生物技术工具，实现了从技术探索到规模化生产的突破，产品领域从基础化工品拓展至高附加值的重组胶原蛋白等，在规模化量产与经济效益上均已取得显著成就。

投资新机遇：关注技术迭代与市场格局重塑

报告强调，合成生物学的产业化已然到来，全球市场规模预计在2024年将达到189亿美元，年复合增长率高达28.8%。投资机遇应结合下游目标产品的属性进行判断，优先选择大市场、高壁垒、高毛利品种，以及已进入生物合成替代化学合成阶段的品种。同时，具备持续技术迭代能力、产品线可延伸性，并能将产业链向下游消费端延伸的企业，将在此轮产业变革中占据优势。合成生物学不仅是生命科学的第三次革命，更是重塑传统产业格局、实现绿色可持续发展的重要引擎。

主要内容

1. 合成生物学：加速绿色生物制造，开启新造物时代

合成生物学是一门新兴的综合学科，采用自下而上的策略，重编改造天然的或设计合成新的生物体系。它被欧美等发达国家视为颠覆性技术并给予政策支持，是实现医药、化工、食品、轻工等多产业升级的核心技术。

1.1 生命科学的第三次革命与绿色制造

合成生物学标志着生命科学从理解生命到创造生命的革新，实现了从读取自然生命信息到写出人工生命信息的跨越。它通过底盘细胞的构建，实现上游原料来源的绿色多样、可循环、可再生，并使整个生产过程低耗能、低污染，最终产物满足质量需求且能低成本量产，是绿色制造的核心。

1.2 替代传统化学合成与革新发酵工程

相较于传统化学合成，合成生物学在碳排放（降低30-50%）、反应条件（更温和）、成本（部分产品更低）等方面具有显著优势，正逐步替代高耗能、高污染的传统工艺。同时，合成生物学并非传统的生物发酵，其菌种来自工程化设计优化的细胞工厂，而非不可控制的非理性诱变，是发酵工程整合现代生物技术发展而来的新阶段。

1.3 政策支持与产业变革

美国工程生物学研究联盟（EBRC）发布了《工程生物学与材料科学：跨学科创新研究路线图》，预测了未来20年的技术突破。中国“十三五”和“十四五”生物技术规划也将合成生物学列入重点发展领域，明确提出要发展合成生物学技术，加大生物安全与应急领域投资，支持合成生物技术创新中心建设，为产业发展提供了坚实的政策基础。

2. 整合生物技术，元件工程化，系统集成化

合成生物学以构建细胞工厂为目标，是一个系统工程的集合，涉及多项生物技术的整合应用，并在工程化思维下将基因等组件化，引入计算机系统进行模拟组合。

2.1 酶催化与酶工程：核心驱动力

酶催化是绿色制造相对于化学合成更具竞争力的基本立足点，具有高效、专一、温和的反应条件。新酶的发掘、结构与功能的认知及改造是合成生物学和生物制造技术的重要科学与技术基础。通过生物信息技术加速新酶的构建和筛选，拥有系列化的工业酶专利是企业核心竞争力之一。

2.2 代谢路径与生物信息学：优化与效率提升

合成生物学继承代谢工程学，在纷繁复杂的代谢路径中寻找合成目标化合物所需步骤，并利用DNA合成、基因测序和编辑等工具进行路径优化。目标化合物越复杂，构建路径越长，技术难度越高。生物信息学贯穿合成生物学全过程，处理海量基因序列、转录调控、酶/蛋白结构、代谢路径信息，通过数据库和计算机辅助工具提升效率，构建企业核心竞争力。

2.3 测序、DNA合成与基因编辑：关键技术工具

基因测序是认知基因和发掘功能的基础，技术持续迭代，成本不断降低（人类基因组测序成本持续下降）。长链DNA合成技术的突破使合成生物学具备创造非自然基因、获得新产物的可能，合成成本在过去15年下降了10倍，推动了产业发展。基因编辑技术（如CRISPR/Cas系统）能够精准转录调控、介导微生物基因编辑、动态更改遗传信息，是实现底盘细胞操纵和菌种改良的关键。

2.4 底盘细胞与生物元件：硬件基础与标准化探索

底盘细胞是代谢反应发生的宿主细胞，是合成生物学的“硬件”基础，如酿酒酵母、大肠杆菌等。理想的底盘细胞需具备GRAS安全、高效利用廉价原料、生长周期短、产量高、性能稳定等特点。底盘细胞的优化和专利保护构成了重要的技术壁垒，甚至需要十年时间积累。生物元件作为最基础的“零件”，通过标准化为代谢路径的规划和计算机模拟提供了可能，是工程标准化探索的重要方向。

2.5 DBTL循环与菌种：持续迭代与成果保护

合成生物学通过“设计−构建−检测−学习”(DBTL)的循环过程持续优化菌种和工艺，是构建研发实力的过程。最终获得的理想细胞工厂是工业化应用的“种子”，其成果保护（专利）对构建竞争壁垒至关重要。中国在合成生物学专利申请方面，技术和应用均有布局，尤其在下游应用端。

2.6 工业酶与发酵工艺：生产工具与产业化转化

在药物合成中，生物转化常只需特定催化酶即可完成，制备催化酶并进行固定化用于生物转化是重要应用。通过合成生物学构建细胞工厂获得菌种后，仍需经过完整的发酵和下游工艺才能获得目标产物。发酵工艺的放大是产业化必经过程，对产品质量和成本均有影响，需要持续优化。

3. 多领域应用，产业格局正逐步变化

合成生物学从概念提出到实际产业应用已有20年发展历程，应用范围逐步拓展至天然产物合成、生物医药、生物能源、工业等诸多领域。

3.1 市场规模与工业应用价值导向

根据CB Insights数据，全球合成生物学市场规模预计到2024年将达189亿美元，年复合增长率为28.8%。市场价值通过发酵获得的终端产物实现，工业应用以产量提升到优于现有工艺为前提，商业化价值导向是具备经济优势，实现从无到有、从稀到多、从贵到廉的突破。

3.2 医药产业：手性药物与生物转化

合成生物学在医药产业中，尤其在手性药物开发中显现优势。例如，默克（MSD）的降糖药西他列汀通过生物转氨酶反应，大幅提高转化率并缩减反应时间和能耗，其复方捷诺达销售额持续攀升。辉瑞新冠口服药PAXLOVID的有效成分Nirmatrelvir也因其多个手性中心，使得开发低成本关键中间体催化酶成为研发热点，预计2022年Paxlovid销售额将达220亿美元。

3.3 天然化合物：从简到繁，从易到难

合成生物学在天然化合物制造上，通过系统工具组合优化，在收率和产量上取得突破，获得更具经济价值的路径。已实现从氨基酸等初级代谢产物到次级代谢产物（如人参皂苷）、生物胺、萜类，再到中高分子量胶原蛋白和玻尿酸等的生物合成。

3.4 L-丙氨酸：生物合成优势充分显现

L-丙氨酸是重要的氨基酸，华恒生物利用合成生物学开发的菌种，实现了L-丙氨酸的高转化率和厌氧发酵，能耗更低、周期短、终端产物含量更高，更具市场竞争力。2019年全球L-丙氨酸需求量约5万吨，华恒生物占据龙头地位。日化领域是L-丙氨酸主要应用领域，其绿色合成优势使其成为巴斯夫等主要合作方，有望获得市场主要增量。

3.5 二元胺：生物制造突破进口垄断

脂肪族二元胺是高分子材料合成中的重要基础化学品，其化学合成核心技术长期被国外垄断。凯赛生物通过生物基戊二胺的生产，已实现年产能5万吨，并于2021年中期投产生物基聚酰胺生产线，有望打破我国高分子材料领域对进口的长期依赖。尽管生物合成仍需持续优化成本，但其战略意义重大。

3.6 烯萜类与角鲨烯：解决供应瓶颈

单萜及其衍生物在食品、化妆品和医药工业中有广泛应用，但传统提取法存在供应和成本问题。酵母作为底盘生物合成萜类等复杂分子具有优势。角鲨烯因其来源于鲨鱼肝脏，存在原料供应问题。目前，以大肠杆菌为底盘生物构建的角鲨烯细胞工厂已具备工业化条件。Amyris公司主导的蔗糖发酵角鲨烷已占据市场主导地位，合成角鲨烷市场份额达31.01%。全球角鲨烯市场预计2022年约1.43亿美元，到2027年达1.98亿美元，年复合增速6.8%。

3.7 稀有人参皂苷：从贵到廉，延伸至终端消费品

稀有人参皂苷具有更强的生物活性和医学价值，但结构复杂且在人参中含量极低。生物法合成（生物转化或生物异源合成）成为更优选择。巨子生物已实现Rk3、Rh4、Rk1、Rg5及CK五种高纯度稀有人参皂苷的百公斤级规模化生产，达到国际领先水平。稀有人参皂苷作为原料实现商业化生产后，巨子生物将产业链延伸至功能食品，推出参苷胶囊，2021年复购率达45.4%。中国稀有人参皂苷技术的功能性食品市场规模预计将从2021年的6.454亿元增至2027年的15.614亿元，复合年增长率16.1%。

3.8 重组胶原蛋白：大分子合成与市场拓展

重组胶原蛋白作为具备空间三维结构的大分子，已实现构型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的生物合成表达，以大肠杆菌和毕赤酵母为底盘细胞构建的表达系统具有生长周期短、生产成本低的优势。与天然胶原蛋白相比，重组胶原蛋白具有组分单一、过程可控、无病毒隐患、不易过敏等优势。在医美和化妆品领域，重组胶原蛋白生产企业将产业链延伸至消费端，如敷尔佳、可复美等品牌占据市场主导。中国胶原蛋白产品市场中，重组胶原蛋白的渗透率持续提升，预计2027年市场规模将达到1644亿元。

3.9 长期重塑农业与能源产业模式

合成生物学通过植物基因定向设计和植物微生物组工程，有望提高理想产物产量，减少肥料使用，实现绿色农业。

4. 投资新热点，关注突破超越时点

合成生物学是一个整合平台，其直接输出的载体是菌种、催化酶和工艺，最终通过下游应用获得终端产物实现价值。风险投资持续加码合成生物学领域，2020-2021年融资数量和规模大幅增长。

4.1 目标产物下游差异与价值实现

合成生物学下游终端产物属性各异，从基础化工原料到高附加值消费品。越往上游产品，越注重经济上的替代，需具备规模效应和成本优势。生物制造的低能耗、绿色环保优势使其成为替代化学合成的大趋势，但仍需与传统方法直接进行成本竞争。投资机遇在于把握改变下游目标产品竞争格局的关键时点，即在成本、质量上超越传统生产方法的突破时刻。

4.2 技术迭代与产品延伸能力

合成生物学通过DBTL循环实现产品持续优化，技术先进者持续巩固优势。相同或相似代谢路径的目标产物具有良好的可延伸性，如L-丙氨酸和L-缬氨酸可共享底盘细胞和代谢调控经验。

4.3 传统发酵产业升级与企业转型

中国是生物发酵产业大国，但传统产品附加值低、高污染、高耗能。合成生物学为传统发酵提供了更多产品选择和升级方向。国内一批传统发酵企业正转型，通过自主构建平台或与高校合作，引入新技术，如金城医药已从谷胱甘肽生产扩展至烟碱和虾青素的合成生物表达。

4.4 下游拓展能力实现价值最大化

从玻尿酸、重组胶原蛋白的价值链分布来看，终端零售价格往往是原料的数十倍。企业普遍主动向下游延伸，获得更高价值。成功的关键在于产品认证注册和品牌销售。投资应优先选择研发和销售均具优势的企业，即能持续开发注册新产品，并能组织销售、带动品牌提升的企业。

4.5 酶催化：时间效率上的追赶

酶催化在制药领域应用中，新药底物往往是新化合物，需快速开发匹配的催化酶。定点进化和生物信息工具的快速使用成为核心竞争力。专注于合成生物学工艺研发的企业（如奕柯莱）在医药领域布局广泛。

5. 风险提示

合成生物学面临新产品工艺放大落地的不确定性、企业开发的菌种和工艺被侵权的风险，以及各行业相关的市场风险。

总结

本报告全面分析了合成生物学作为医药行业中期策略的核心地位，强调其在加速绿色生物制造、开启新造物时代中的关键作用。通过整合酶工程、基因合成、基因测序、基因编辑等多种生物技术，合成生物学实现了从实验室到工业化应用的跨越，产品范围从基础化工品拓展至高附加值的医药、天然产物和消费品领域。报告详细阐述了合成生物学在L-丙氨酸、二元胺、角鲨烯、稀有人参皂苷和重组胶原蛋白等具体应用中的技术优势、市场格局变化及经济效益。

报告指出，全球合成生物学市场规模正快速增长，预计到2024年将达189亿美元。投资机遇应聚焦于大市场、高壁垒、高毛利品种，以及生物合成替代化学合成的临界点。具备持续技术迭代能力、产品线延伸能力，并能将产业链向下游消费端拓展的企业，将是未来投资的重点。同时，传统发酵产业的升级转型也为合成生物学提供了广阔的应用空间。报告最后提示了技术迭代、专利纠纷和市场拓展等潜在风险。