合成生物学产业链及各领域发展前景分析

尽管合成生物学在众 多下游领域均有广阔的应用前景，但受限于技术成熟度和市场拓展等因素，下游各领域的 产业化进度各不相同，其中医疗健康和 化工领域的产业化进度相对领先。

1.医疗健康：制药与治疗过程将更具经济性和高效性

合成生物学在医疗健康领域的应用最为深入。目前合成生物学技术应用于医疗健康产 业主要有两种方式：一种是对微生物进行设计和改造，使微生物可以生产某种药物分子， 或其本身作为活性药物，实现治疗疾病的功能；另外一种是基于合成生物学的工程化思维 和设计理念，对哺乳动物细胞进行改造，使其具备相应的功能，如用于器官移植、细胞治 疗和疫苗生产等。

生物药在医药市场中占据越来越重要的地位。生物制药是指从生物来源中制造、提取、 或半合成药品，早期主要是直接从动植物中提取，如牛胰岛素，随着现代生物技术在 20 世纪 80 年代兴起，现代生物制药技术逐渐发展为以生物工程为主导、发酵工程为中心的 包括细胞工程、酶工程的现代生物体系，由于改造基因和蛋白质的传统方式已经达到了技 术和经济的瓶颈，合成生物学就成为关键的新工具。和传统的化学药相比，生物药属于大 分子，结构复杂，理化性质不稳定，生产运输条件较高，研发和生产的难度、成本都较高， 但是生物药的治疗靶点更为精确，经常能带来更好的疗效和更低的毒副作用。随着技术的 进步，生物药研发和生产的难点被逐渐克服，可靠的功效使其在医药市场中的重要性不断 提升。根据 Frost & Sullivan 预测（转引自奥浦迈招股说明书），全球医药 CDMO 市场规 模将由 2020 年的 424 亿美元增长至 2025 年的 856 亿美元，其中生物药 CDMO 占比由 42.5%提升至 53.7%，对应全球生物药 CDMO市场规模 2020-2025年的 CAGR为 20.7%； 中国医药 CDMO 市场规模将由 2020 年的 317 亿元增长至 2025 年的 937 亿元，其中生物 药 CDMO 占比由 28.7%提升至 48.9%，对应中国生物药 CDMO 市场规模 2020-2025 年 的 CAGR 为 38.1%。

预计 2020-2030 年全球和中国生物药市场规模 CAGR 分别为 10.5%和 14.1%。根据 Frost & Sullivan（转引自珈创生物招股说明书），凭借生物药卓越的疗效、生物科技的显 著发展以及研发投入不断增加，全球和中国生物药市场规模在 2020 年分别达到 2979 亿美 元和 3457 亿元，该机构预计在 2030 年分别达到 8049 亿美元和 12943 亿元，对应 2020-2030 年的 CAGR 分别为 10.5%和 14.1%。得益于可支付能力的提高、患者群体的 增长以及医保覆盖范围的扩大，中国市场增速更快。

医疗健康领域与生物技术息息相关，将受到合成生物学深远的影响。一方面，合成生 物学融合了基因疗法和细胞疗法，将转染了具有治疗功能的人工合成基因回路的工程化细 胞植入生物体内以实现治疗疾病的目的，是临床治疗手段的重大变革。另一方面，与传统 治疗方式（如药物治疗、放射治疗以及手术治疗等）相比，合成生物学可在更大的时空范 围内，通过影响机体的特定生物学过程而重建生命内稳态，以达到治疗疾病的目的，更是 一种医学模式和治疗理念的转变。

2.化工：低成本+可持续，化工产品的制造将被重塑

相比传统化工，生物制造具有低成本+可持续优势。合成生物学在化工领域的应用主 要包含材料、化学品、化工用酶、油类和润滑剂等多方面。如利用改造后的酵母或其他微 生物生产化学品、材料和油类，通过定向进化结合高通量筛选寻找在高温高酸等特殊场景 拥有高活性的酶等。根据 OECD 的报告，生物制造可以降低工业过程能耗、物耗，减少废 物排放与空气、水及土壤污染，以及大幅度降低生产成本，提升产业竞争力。例如通过生 物制造生产 1，3-丙二醇，与石油路线相比，CO2减排 63%，原料成本下降 37%，能耗减 少 30%，成功创造了一个化纤原料摆脱石油价格体系的范例。OECD 预计 2023 年世界上 35%的化工产品将被生物制造产品所取代，生物制造产业将逐步形成可再生资源持续发展 的经济形态。

可持续已经成为企业不可忽视的重要因素。越来越多的企业正在做出多种类型的可持 续承诺，其中大部分是化学和材料企业，麦肯锡 2021 年的调查发现近 50%的领先企业承 诺减少“范围 3”温室气体排放，包括与原料和原料上游生产相关的排放，同时承诺企业 数量从 2016 年到 2021 年以 34%的 CAGR 增长，比 2006 年到 2015 年的 14%显著增加。 针对“范围 3”做出的承诺正在对化学品和材料下游行业超过 4 万亿美元的收入产生影响， 涉及到的化学品和材料的产值约 5000 亿美元，在这种趋势下，生物制造的可持续优势不 仅仅有利于企业自身，对整个产业链更加重要。

生物可降解材料有望替代传统塑料。塑料作为石化产业重要的下游领域之一，其制造 所需要的石油消耗量占据全球石油产量的 8%。根据 NRDC 预测，如果按照目前的趋势发 展，2050 年全球塑料将消耗全世界 20%的石油。塑料污染问题逐渐成为仅次于气候变化 的全球第二大环境议题，塑料一旦泄漏到土壤、水体等自然环境中，便难以降解，会造成 视觉污染、土壤污染、水体污染等各种环境破坏，处置方式不当还会影响温室气体排放， 给脆弱的生态环境带来持久性危害。另外，微塑料进入食物链也可能对人体健康带来严重 危害。各国相继出台限塑政策，第五届联合国环境大会上 175 个国家和地区通过了《终止 塑料污染决议（草案）》，将在 2024 年底前完成首个全球“限塑令”，同时塑料污染治理和 可循环包装应用也成为全球主要快速消费品公司亟需解决的重要 ESG 议题。生物可降解 材料具有类似塑料的物理和机械性能，结合了传统塑料的优点，同时又具有白色污染难降 解的解决方案，有望成为传统塑料的最佳替代。

PHA 是最具前景的生物可降解材料。生物可降解材料分为石油基和生物基，主要的可 降解材料如 PBAT、PBS、PLA、PHA 等的单体（PBAT 的己二酸和丁二醇、PBS 的丁二 酸、PLA 的乳酸）或聚合物本身（PHA）理论上均可通过生物制造的方式生产。考虑到原 材料的可持续性和生产过程的安全性，生物基可降解材料更有优势，根据 European Bioplastics 预测，2027 年全球生物基塑料产能将达到 629 万吨，可降解塑料占到 56.5%， 其中 PLA 和 PHA 分别占 37.9%和 11.8%。相对于其他可降解材料，PHA 在降解性能和应 用领域方面均更优：降解性能上，PHA 的降解范围更广，可以在淡水、海水、土壤、堆肥、甚至有机污泥中生物降解，还可以通过与其他材料共混来提高终产品的可降解性；物理性 能上，PHA 是系列聚合物，既可以对共聚物的单体结构进行选择搭配，亦可以与其他可降 解材料复配，提升共混物的物理机械性能。根据《PHA 生物可降解塑料产业白皮书》（普 华永道，2022 年）预测，短期内，PHA 生产成本仍将高于 PLA，其市场需求主要为不便 于回收、易泄漏到环境中的场景，市场规模约 629 亿元；长期看，随着 PHA 生产成本不 断下探，其有望在包装领域完全替代 PP、PE，市场规模达到 1.2 万亿元。

看好未来生物制造在化工领域突破大体量产品。生物制造在一些细分领域已经完全取 代传统化工，例如，长链二元酸是是一类用途极其广泛的重要精细化工产品，针对长久以 来化学合成长链二元酸技术的不足，凯赛生物以石油中的副产物正烷烃为原料，采用微生 物发酵的方法生产长链二元酸，显著降低了成本和污染，是世界上首个使用生物法产品取 代石油化学法产品的商业成功案例。但无论是凯赛生物的长链二元酸、华恒生物的丙氨酸、 杜邦的 1，3-丙二醇，都是需求在十万吨级或更小的产品，而在百万吨级需求的化工产品 中尚未有成功替代的案例，我们认为随着合成生物学技术的进步，生物制造必然会在化工 领域突破大体量产品。目前已经有公司取得进展，东丽株式会社开发出一种 100%生物基 己二酸的生物合成方法，并已经开始探讨扩大研究规模，目标在 2030 年左右实现该技术 的实用化。

3.农业和食品：更高效的农业生产和更绿色健康的食品

合成生物学有望改善人类面临的粮食短缺困境。全球人口从 1961 年的 30.7 亿增长到 2020 年的 78.2 亿，在此期间全球人均耕地却减少约一半，原因除人口因素外还包括工业 化和城镇化进程加快以及气候问题。人类生存所面临的粮食危机越来越严重，联合国粮农 组织预计至 2050 年全球粮食产量需增产 70%才能满足需求，以快速且可持续的方式在更 少的土地上生产更多的粮食是农业界所面临的巨大挑战。随着合成生物学的快速发展，其 在农业领域的应用如作物增产、牲畜和动物饲料及添加剂、害虫防治等方面和在食品领域 的应用如肉类和乳制品、饮品、食品安全、调味剂和添加剂等方面的潜力日益凸显。

合成生物学能够从多个方面提高农业生产力，其比转基因技术更加高级。对于植物作 物，利用合成生物学可以提高光合作用效率来增加产量、促进自主固氮来减少化肥使用、 重塑代谢通路来改良农产品品质以及高效防治虫害；对于牲畜，主要是利用合成生物学高 效提供蛋白饲料。合成生物学技术与转基因技术在农业上的应用有一部分重叠，前者是建 立在后者基础之上的，两者主要不同是转基因技术将个别外源基因转移到某生物基因组内， 使之能表达有益的蛋白质，而合成生物学则一方面是从头设计和构建自然界中不存在的人 工生物体系，另一方面从对现有生物的重新设计和改造的角度看，其通常是转移一组基因， 因而要在更大规模更多层次上涉及到细胞网络，如代谢网络等。因此，合成生物学对农业 产生的影响和带来的前景将超过转基因技术。

预计 2026 年全球微生物肥料市场规模将达到 44.7 亿美元。微生物肥料是指以微生物 的生命活动为核心，使农作物获得特定的肥料效应的一类肥料制品，从传统的菌种筛选到 菌种改造设计、多高效复合菌系制造、肥料菌株功能挖掘等技术的应用，合成生物学实现 了肥料菌株研发的多样性、调控性和精确性。根据 Markets and Markets，北美是全球使 用微生物肥料最多的地区，其次是欧洲，2020年美国的微生物肥料使用比例高达60-70%， 欧洲许多国家达到 45-60%。Markets and Markets 预计全球微生物肥料市场规模将在 2021 年达到 22.5 亿美元，并以 11.9%的 CAGR 增长，在 2026 年达到 44.7 亿美元。随着合成 生物学技术不断进步，微生物肥料的增产效果、方便程度、生产成本都将持续改善，为解 决人类面临的粮食危机做出贡献。

传统畜牧业存在诸多问题，植物肉提供优质解决方案。随着全球的肉类消费需求增长， 传统畜牧业规模扩张导致动物疫情频发、滥用抗生素、温室气体排放等问题。根据联合国 粮农组织的数据，2015 年全球畜牧业温室气体排放约为 7.1Gt 二氧化碳当量，占人类活动 温室气体排放总量的 15%左右。在此背景下人造肉作为畜牧产品的替代品被开发出来，人 造肉分为细胞肉和植物肉，目前细胞肉由于技术难、成本高等因素无法规模量产，植物肉 以植物蛋白、氨基酸和脂肪为基础，添加经合成生物学技术改造的酵母合成的植物性血红 蛋白而制成，已经实现大规模商业化生产。相比传统畜牧业，每生产 1 公斤植物肉，为环 境节省了 93%的土地浪费与破坏、99%的生产用水和 90%的温室气体排放，除此之外， 根据美国农业部的研究，普通肉类中含有的激素等，会导致癌症、心脏病等疾病患病风险 大幅增加。从营养学角度，植物肉具有零胆固醇、零激素、零反式脂肪酸、零抗生素，富 含人体必需氨基酸等优点，更符合人们对饮食健康的要求。根据《2021 中国植物肉行业 洞察白皮书》（星期零，彭博商业周刊），目前植物蛋白肉的研究以及专利申请主要集中于 植物蛋白纤维化加工技术、血红蛋白的生产与应用、风味物质的生产与应用三方面，其中 后两者均依靠合成生物学实现。一方面，采用经改造的微生物生产的血红蛋白，可以赋予 植物蛋白类似肉制品的颜色，并且可以弥补植物蛋白铁元素含量不足的问题；另一方面， 采用经改造的微生物生产多种脂肪、维生素、风味物质，并结合热加工处理方法，使植物 蛋白肉的口感接近于真实肉制品。

环保健康生活是大势所趋，预计 2025 年全球人造肉市场规模达到 279 亿美元。环保 方面，根据普华永道的数据，如果全世界用植物肉取代 10%的动物肉消费，人类将节约 1.76 亿吨二氧化碳排放，相当于 27 亿棵树的吸收量；将释放 3800 万公顷土地，相当于 云南省的面积；将减少 86 亿立方米用水，相当于渭河一年的总流量。健康方面，根据《美 国心脏协会》发表的研究《Centered Diet and Risk of Incident Cardiovascular Disease During Young to Middle Adulthood》（Yuni Choi，Nicole Larson，Lyn M Steffen 等），最 常吃植物性食物的人患心血管疾病，如心脏病、中风、心力衰竭和其他疾病的风险降低了 16%，他们死于心血管疾病的风险也降低了 31%到 32%。环保和健康的生活方式是人类 发展的趋势，也是消费者选择植物肉的重要原因。Markets and Markets 预计 2025 年全球 人造肉市场规模达到 279 亿美元，对应 2021-2025 年的 CAGR 为 14.9%。

4.消费品：创造多元化的选择和更美好的生活

合成生物学正在为消费者提供多元化的产品。合成生物学在消费品领域的应用主要包 含人类营养、宠物食品、皮革、护肤品等多方面。如利用微生物发酵生产动物蛋白食品来 满足宠物营养和健康需求，利用菌丝体或微生物发酵生产皮革，通过改造微生物来生产香 料、保湿剂和活性成分等用于护肤品。Amyris 以甘蔗为原料进行酵母发酵合成法尼烯，再 以法尼烯为原料通过化学反应合成角鲨烯和角鲨烷，替代了鲨鱼肝油和高精度橄榄油的提 取技术路线，提供更加环保、更加纯净的可持续化妆品原料。

合成生物学助力婴幼儿配方奶粉营养素添新品。HMOs（母乳低聚糖）是母乳中仅次 于乳糖的第二大类碳水化合物成分和第三大营养成分，与母乳中其他活性营养相比，HMOs 的含量是乳铁蛋白的 12 倍，免疫球蛋白的 6 倍。HMOs 的结构超过 200 多种，目前已确 定结构的 30 多种，每一种结构的 HMO 都有独特的功能性，人类对 HMOs 的研究超过 130 年，在合成生物学技术的加持下，2016 年前后才实现商业化。目前，在 HMOs 生产工艺 上，实现量产的制备方法包括酶法和发酵法。根据《母乳低聚糖（HMOs）行业市场调研》 （恒鲁生物），2021 年全球 HMOs 市场规模为 3.8 亿美元，仍处于导入期阶段；随着产品 价格逐步降低，其在婴幼儿配方奶粉、功能食品和饮料、营养补充剂等领域的渗透率将不 断提升，在保守/中性/乐观三种情景下，预计 2027 年全球 HMOs 市场规模分别达到 9.57/13.60/18.38 亿美元，对应 2022-2027 年 CAGR 分别为 14.1%/22.4%/30.0%。

合成生物学助力重组胶原蛋白渗透率快速提升。胶原蛋白是用于化妆品领域的关键生 物活性成分，主要功效是皮肤修护和抗衰老，胶原蛋白可分为重组胶原蛋白（合成生物学 制造）和动物源性胶原蛋白（动物组织提取）。重组胶原蛋白具有包括生物活性及生物相 容性更高、免疫原性更低、漏检病原体隐患风险更低、水溶性更佳、无细胞毒性以及可进 一步加工优化等內在优势，在化妆品领域的应用逐渐普及。根据 Frost & Sullivan 预测（转 引自巨子生物招股说明书），中国重组胶原蛋白产品市场规模将由 2021 年的 108 亿元增长 至 2027 年的 1083 亿元，对应 2021-2027 年 CAGR 为 46.8%；中国重组胶原蛋白在整个 胶原蛋白市场中的渗透率将由 2021 年的 37.7%提升至 2027 年的 62.3%，在主要下游市 场中，功效性护肤品/医用敷料/肌肤焕活应用领域重组胶原蛋白渗透率均明显提升。