合成生物学的低成本优势主要体现在哪里？

合成生物学的低成本优势主要体现在轻资产、低能耗以及高选择性三个领域：

1.轻资产：

生物合成条件相较化工合成温和，设备要求较为简单，装置投资额较低； 生物合成条件相似，设备具备同一性，进一步强化轻资产优势

生物合成过程一般需模拟细胞或酶所需的生存条件，此类条件与生命体内条件相类 似，环境较为温和：pH通常为中性或弱酸弱碱，温度在常温附近，通常不需换热； 压力为常压或略加压；辅酶氧化还原对，温和氧化还原。化工合成要求条件较为苛 刻：pH为强酸强碱；温度为高温，通常需换热；压力通常为中高压；氧化还原需使 用强氧化还原剂。因此化工合成高温高压、强酸强碱的条件对化工装置的要求更高， 生物合成中发酵罐的投资额较低。除此外，生物合成多数合成过程在生物体内进行， 而化工合成需“反应器-分离装置”不断重复完成多步反应，装置数量上多于生物合 成。单位合成装置价格低、合成装置数量少使得生物合成具备轻资产优势。

合成生物学方法合成VE相较传统化工合成单吨投资额降低71%。武汉大学药学院与 能特科技合作完成的维生素E合成工艺，创造性采用微生物发酵合成的法尼烯为中间 体来合成维生素E前体——异植物醇，进而合成维生素E，颠覆了传统的的化学全合 成技术。根据荆州政府及中国科学院青岛生物能源与过程研究所数据，相较于传统 的化学全合成技术，半生物法VE侧链异植物醇合成由11步缩短至3步，生产过程可 减少60%的碳排放，单吨投资额为3.05万元/吨，相较国内维生素龙头A的10.5万元/ 吨降低71%，以15年折旧期、残值率5%测算，单吨折旧成本优势为4718元/吨。

生物合成条件相似，设备具备同一性。化工合成中不同的反应过程，合成设备天差 地别，如苯胺合成过程中的硝化装置与加氢装置；而生物合成过程反应条件具相似 性，设备具有同一性，即同一生产线可生产不同产品。根据华恒生物招股说明书，公 司募投2.5万吨交替生产丙氨酸、缬氨酸项目，在原有发酵法L-丙氨酸平台技术基础 之上，布局发酵法生产L-缬氨酸产品。投产后，将新增L-丙氨酸产能1.5万吨，L-缬 氨酸产能1万吨，验证生物合成设备的同一性。将同一类生物发酵合成装置用于不同 产品的合成，一方面在较低投资下拓展了产品品类，另一方面降低了设备的研发、 设计成本，生物合成设备的同一性强化了轻资产优势。

2.低能耗：生物合成中酶能显着地降低活化能，表现为高催化效率、低能耗

在化学反应中，反应物分子的自由能必须超过一定的阈值，成为活化的状态，才能 发生变化，活化态与初态的能量差值为活化能，催化剂的作用主要是降低反应所需 的活化能，以致相同的能量能使更多的分子活化从而加速反应的进行。酶催化的活 化能低于人工化学催化剂，因此向反应体系输入较少能量便可使生物催化反应进行。 根据杜邦与泰莱官网数据，基于生物的1,3-PDO比石油基消耗的不可再生能源少 49%，与丙二醇（PG）相比减少41%，与BDO相比减少46%。

3.高选择性:生物合成中酶作为催化剂具有专一性，合成过程表现为高选择性

由于酶催化的反应具有极高的专一性，即一种酶只能催化一种或一类底物，因此其 对底物的选择以及所生成的产物都具备高选择性。根据诱导契合学说，酶催化的原 理是底物和酶在空间中结合，产生相互诱导作用，使反应活性中心有关的各个集团 达到正确的排列和定向，引起高效的反应。酶和底物在空间中能否结合，取决于分 子和酶的形状，形状不一致的分子无法与酶结合，因此也无法反应，这即是酶专一 性的来源。

酶的专一性中对工业生产最重要的是立体异构专一性，立体异构专一性中以手性异 构专一性最为重要。手性指分子像左右手一样镜像对称，但无法重叠；然界存在的 糖以及核酸、淀粉、纤维素中的糖单元，都为D-构型，而组成蛋白质的基本单元氨 基酸绝大多数为L-构型。手性异构专一性是指具有手性选择性的酶只会利用特定手 性的原料，生产具有特定手性的产品。手性不同的分子会有完全不同的生物活性： 生物可以消化并利用L型氨基酸，但无法消化吸收D型氨基酸，因此饲料中需添加L型 氨基酸；药品中以沙利度胺为例，R手性异构的Thalidomide是药（镇定剂，抗妊娠 呕吐反应），而S手性异构的Thalidomide是毒（对婴儿致畸）。传统化工合成通常只能得到两种手性异构体各半的混合物，而生物合成过程由于利用了酶的手性选择 性，可以合成高纯度的单一手性分子。

基于生物合成酶特异性降解L-丙氨酸，进一步降低D-氨基酸生产成本。氨基酸在自 然界主要以D型和L型两种异构体存在，相较于L-氨基酸,虽然D-氨基酸及其衍生物含 量少，仅占已发现氨基酸总量的10%, 但在药物合成、食品添加剂、饲料以及农业等 领域，具有的特殊性质和功效往往不可替代，合成壁垒也高。以D-丙氨酸为例，D丙氨酸是生产新型广谱抗生素、D-丙氨醇、多肽、新型甜味剂阿力甜的主要原料。 现阶段已知制取D-丙氨酸的技术方法主要有生物发酵法、不对称化学合成法和氨基 酸酰化酶拆分法，但前两者工艺分离复杂、生产成本极高，仅有基于生物酶特异性 降解的氨基酸酰化酶拆分法适合小规模工业化生产，系当前国内外主流工艺。根据 《D-丙氨酸微生物制造方法》专利资料，华恒生物基于合成生物学方法成功制备对 L-丙氨酸具有强氧化能力的氨基酸氧化酶，实现通过L-丙氨酸特异性降解制备D-丙 氨酸。相较于 “氨基酸酰化酶拆分法”，更进一步降低生产成本，实现D-丙氨酸大 规模工业化生产。

立体异构专一性还包括几何异构专一性，即只作用于特定位置的基团，而不作用于 其他位置的同一基团。以熊果苷为例，α-熊果苷的增白效果是β-熊果苷的10倍以上， 同时α-熊果苷的生物安全性更好，α-熊果苷不会抑制黑色素细胞的生长，目前多应用 于高档的化妆品中；根据Indiamart数据，α-熊果苷价格约为3500元/kg，约为β-熊果 苷价格（约500元/kg）的7倍。熊果苷化学合成的一般程序是由葡萄糖和氢醌在适当 的保护后进行糖苷化反应，然后脱保护而得，反应过程中氢醌及其衍生物易氧化， 需要氮气保护或加入适当的防氧化剂；糖苷化方法由于糖环2位酰基保护基的邻基参 与效应，其产物大部分为β型，对于α-熊果苷，化学合成尚未能提供高效立体专一性的合成方法。生物法可借助糖苷酶用于合成α-熊果苷：根据华恒生物《产α-熊果苷的 基因工程菌及其构建方法和应用》的专利，华恒生物通过构建基因工程菌来生产α‑ 熊果苷，转化效率达到99％，生产强度为7.56g/L/h，是目前为止国内外报道的最高 水平，同时在生产过程中不使用相对较贵的麦芽糖的作为供体，无需纯化酶，从而 降低α‑熊果苷的生产成本。