合成生物学内涵、壁垒、政策支持及应用情况如何？

合成生物学具有强科技属性。

1. 合成生物学概念再梳理：造物致知，造物致用

合成生物学是指采用工程科学研究理念，对生物体进行有目标地设计、改造乃至重新合成，创建赋予非自然功能的“人造生命”，合成生 物制造是以合成生物为工具进行物质加工与合成的生产方式，有望彻底变革未来医药、化工、食品、能源、材料、农业等传统行业。合成 生物学内涵主要体现在两个方面：1）自上而下：目标导向的构建”人造生命” ，使用代谢和基因工程技术为活细胞赋予新功能，“人工 基因组”是其核心内容，大片段基因组操作、改造以及大规模、高精度、低成本DNA合成是关键技术；2）自下而上：通过将“非生命” 生物分子成分聚集在一起在体外创建新的生物系统，元件标准化→模块构建→底盘适配的线路以及对生命过程的途径、网络组成及其调控、 设计与构建是核心内容，人工线路构建平台是其关键技术。

合成生物学的目的是设计符合标准的生物系统，基于工程设计原则利用工程可预测性控制复杂系统构建的“设计-构建-测试-学习”循环 （DBTL）逐渐成为合成生物学的核心策略。生命系统具有高度的复杂性，人工设计的基因线路需要海量工程化试错实验去实现预设功能。 这就需要用到“设计-构建-测试-学习”（DBTL）循环过程这一工程原理。在生物制造领域，DBLT循环四个阶段循环往复可以成功构建需 要的细胞，生产出合适的产品。

设计：合成生物学DBTL策略的基础，在遵循一定的规则下利用现有的标准化生物元件对基因、代谢通路或基因组进行理性设计；相关技术：生物元件库、 计算机辅助设计、代谢通路 合成生物学从核心DBTL循环到以发酵为主的放大生产方式 来源： OECD，东吴证券研究所。构建：在生物系统中对目标基因 进行操作，构建细胞工厂，该过 程包括DNA合成，大片段组装以 及基因编辑；相关技术：DNA合 成、DNA拼接和组装、基因编辑、 基因测序。 测试：由于逻辑线路及模块化的 代谢途径在通过理性或非理性设 计后，都会存在大量的突变体或 候选目标，因此通常需要高效、 准确和经济的检测，生成相应数 据，评估构建的细胞工厂的实用 性；相关技术：微流控技术、酶 活性测定、无细胞系统。学习：利用测试数据，学习并随 机搜索更有效地推进循环实现预 期目标的原则，为下一个循环改 进设计提供指导；相关技术：数 据收集、数据分析、机器学习、 建模。

2.合成生物学强科技属性构筑高壁垒

合成生物学具有强科技属性，从微观的 基因合成到宏观的放大生产的发酵工程 存在大量know-how，技术壁垒高。 1. 产业链前端以基因编辑相关技术公 司为主，为元件构建提供技术支撑， 技术要求包括基因合成、编辑、组 装、测序等，国内主要代表公司有 金斯瑞生物科技、诺禾致源。 2. 中端以合成生物学平台公司为主， 通过搭建技术平台，形成项目经验 积累，为下游客户提供研发支撑， 国内主要代表公司有弈柯莱、蓝晶 微生物。 3. 后端则以产品型公司为主，主导产 品的放大生产与下游市场应用，市 场可延伸至医疗、化工、食品、农 业等多种领域，国内主要代表公司 有凯赛生物、华恒生物、川宁生物、 富祥药业等。

3.合成生物应用场景丰富——生命健康领域的十大方向

合成生物学在医疗健康多个细分领域得到广泛应用。不仅可以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，还可以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，通过纠正机体 有功能缺陷的回路，实现治疗疾病的目的

微生物蛋白（食品）

合成生物学可以提高食品生产的资源转化效率。合成生物学可以通过使用程序化的单克隆细胞工厂、工程微生物群落或无细胞生物合成平台 来改善食品生产。这有利于摆脱传统农牧业的弊端，同时提高资源转化效率。世界资源研究所分析，到2050年，相比2010年粮食缺口高达 56%。牛奶和肉类的需求将更大。 合成肉类：合成肉包括植物蛋白生产的植物肉、动物细胞培养的养殖肉以及其他可持续蛋白生产的肉类类似物（如藻类和真菌蛋白质）。 植物肉利用大豆、小麦、豌豆等合成。养殖肉又称体外肉，通过将动物的胚胎干细胞或肌肉组织在生物反应器中增殖，然后用支架或微 载体获得特定的肌纤维和大块组织。 无动物生物工程奶：使用大肠杆菌或酵母细胞工厂培养牛奶的主要成分，乳清蛋白、酪蛋白等，然后将纯化的蛋白与水、脂肪以及其他 成分（低聚糖、维生素等）混合即可制成合成牛奶。 食品添加剂：用细胞工厂生产取代传统的植物提取甜味剂等。

医药与化学品

合成生物学下游应用场景丰富，潜在市场需求大的产品空间广阔，在生物制造的优势基础上有助于大宗药品与化学品快速放量。以华恒生物为例，丙氨酸是公司最 主要的产品，其中：发酵法生产的 L 丙氨酸主要应用于日化、医药及保健品领域，酶法生产的 L 丙氨酸主要应用于医药及保健品、食品添加剂领域， DL 丙氨酸占 丙氨酸系列产品比重较少，主要应用于日化及食品添加剂领域 ，β 丙氨酸主要应用于医药及保健品、食品添加剂等领域。公司围绕丙氨酸产业链条拓宽应用范围， 获得了庞大的下游客户群体，并加速了产品放量节奏。

合成生物学成本优势显著，同一产品不同技术路径毛利率差异大。以L-丙氨酸为例，根据中国生物发酵产业协会数据显示，2019 年丙氨酸系列产品全球需求量约 5 万吨，2016年至2019年间，丙氨酸全球需求量年复合增长率约 14%，预计未来市场仍将会以约 12%的年复合增长率快速增长，到 2023 年全球市场需求可达 8.1 万吨。 据华恒生物招股书，公司同时拥有发酵法和酶法生产 L-丙氨酸的工艺。在发酵法工艺下，公司以可再生葡萄糖为原料厌氧发酵生产 L-丙氨酸，较传统酶法工艺大幅 降低了约50%的产品成本，因此发酵法毛利率约4倍于酶法。

合成生物学可优化药品生产能力和效率，也能生产出无法人工化学合成的产物。随着基因编辑技术与对细胞元件、功能认知的提升，使高 效设计生产菌种成为可能，使得部分药品的生产效率大大提升，也能够生产出无法人工化学合成的产物。

医药领域相关公司产品：辉瑞mRNA新冠疫苗：利用质粒和大肠杆菌生产疫苗，被评价为划时代的创新；川宁生物的硫氰酸红霉素、红没 药醇等抗生素/中间体：硫氰酸红霉素为纯发酵提取得到的产品，无法人工合成。

合成生物学可优化化学品和材料的生产能力与效率。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。

材料领域相关公司产品：耐用生物膜：Zymergen开发了一种透明的生物膜，这种生物膜薄、柔韧、耐用，可用于在智能手机、电视屏幕和 皮肤等多种表面传输触摸。智能包装：Infarm创造了一种可在物体周围折叠的可再生塑料。Earthpac利用马铃薯加工废水中的淀粉生产可生 物降解的餐具和托盘。