合成生物产业链及特点是什么？

与化学合成方法相比，更具环保，经济性和可持续性。

1.合成生物产业链简述

 合成生物产业链上游概述

从产业链角度看，合成生物学产业链的上游企业主要对应的是原料、基础技术和 生物工艺装备等企业。其中原料包括可再生物质，如淀粉、葡萄糖、木质素、纤维 素、多糖和植物油等。无细胞合成生物学的原料为去除了细胞中所有“活着”的成分 （包括长链 DNA、内置网的结构以及细胞膜的屏障）后剩下的物质，常见的细胞提取 物来源是大肠杆菌、小麦胚芽、酵母细胞、兔网织红细胞和昆虫细胞等。 基础技术包括基因测序、合成、编辑、组装、筛选等，DNA 合成和高通量测试是 上游技术的关键，如何打造专业团队，高效率向中下游转化是重中之重。 从生物工艺装备看，无细胞合成生物路线主要采用酶法工艺，过程涉及到酶设计 与改造、多酶级联催化、无细胞/类生命系统在体外实现生物合成；而细胞内合成生物 路线采用生物发酵，涉及代谢通路改造，细胞工厂合成目标产物，以及提取纯化等。 无论细胞路线还是无细胞路线均涉及大量配套设备使用。目前主要的生物工艺装备包 括国产测序仪、PCR 仪、酶标仪、细胞培养基，发酵系统，生物反应器，均质机、离 心机，层析柱等分离纯化系统等。

其中，细胞培养基既是培养细胞中供给细胞营养和促使细胞生殖增殖的基础物 质，也是培养细胞生长和繁殖的生存环境。培养基的性能会显著影响生物制品的生产 效率和成本，属于生物制品制备和生产的核心原材料之一。 生物反应器在生物制药领域主要用于实验室或者中试规模，能够适应多种类型的 生物反应和培养，提供精确的控制参数，如温度、搅拌速度、气体供应等，采用封闭式系统进行反应，配备有控制系统、发泡控制系统、在线检测系统等，能有效提高生 产效率和产品品质；不仅限于发酵过程，还可以用于细胞培养、酶活化等生物反应过 程。 发酵罐是生物合成中最基础及最常用的设备之一，主要用于细菌、真菌等微生物 培养和代谢产物的生产，与生物反应器相比，发酵罐更适用于大规模工业生产，但更 多依靠人工操作和经验来调控发酵过程。 离心机主要通过离心作用将混合物中的物质分离出来。在生物制药领域，离心机 可用于分离需要纯化的蛋白质、细胞和代谢产物，产出高纯度的产品。 层析柱的工作原理是依据样品分子在移动相（样品溶解的溶剂）和静止相（或固 定相）（主要指涂在填充柱或者芯柱上的一种固定物或者涂层）之间的分配系数不同而 实现空间分离的目的。在合成生物学领域，层析柱被广泛用于纯化蛋白质、核酸和多 肽等生物大分子。 均质机的工作原理是通过高压和高速剪切力的作用，将样品在均质器中快速击 打、破碎，实现样品的分散、乳化和均质化处理。在细胞破碎与蛋白质提取领域，高 压均质机能够有效破坏细胞壁，释放细胞内含物，为蛋白质和其他生物大分子提取提 供了一种温和并且有效的手段；在疫苗递送等领域，高压均质机用于制备具有特定粒 径分布的乳剂和脂质体，确保了制剂的稳定性和一致性；由于处理过程中的温和性， 高压均质机能够在不损害生物活性物质的前提下进行操作。

合成生物产业链中游概述

合成生物学的中游公司主要为对生物体进行设计、开发的技术平台性企业，这类 企业通过工程化逻辑以及专业设备，将合成生物概念落实到生产环节，提供一站式解 决方案。 平台型企业通过软件工程、生化工具、基因工程、自动化平台、机器学习与数据 科学、代码库等技术，通过菌株构建，大量测试多种元件、线路、底盘的组合，获取 大量实验形成数据积累，并通过标准化、自动化高通量实验平台,结合生物计算和机器 学习对生物体进行系统性、工程性编辑，最终得到高产的工程菌株。 平台型企业通过打通“设计-构建-测试-学习”（DBTL）的循环迭代，建立生物体 设计与软件开发的集成化平台，最终获得满足需求性状的微生物细胞工厂，实现从产 品设计到微生物开发、最终规模化生产的进程。品类筛选，研发（底盘即工程菌株设 计、原料利用、代谢改造），工业化能力（发酵放大、全流程生产集成）以及市场开 拓，是平台型企业的关键。

合成生物产业链下游概述

合成生物产业链下游为合成生物学产品企业，主要结合产品特性与市场需求，聚焦在不同的应用领域，进行产品的选择和销售，核心在于产品差异化选择，产品稳定 规模化产出，以及良品率把控。合成生物学的下游应用非常广泛。 在生物医药领域，合成生物学可以通过基因工程改造微生物或细胞系，使其能够 高效地生产目标蛋白，用于更经济，更可持续地生产生物药物原料药及中间体，比如 合成手性药物、天然药物以及单一中药活性成分；通过设计和构建新型疫苗来减少对 病原体的培养，减少生产时间和潜在的安全风险；通过分析患者基因组信息来设计个 性化的药物治疗方案，提供副作用小，治疗效果好的精准治疗选择；通过设计和构建 生产组织工程和再生医学的生物材料和支架。促进受损组织的修复和再生；利用合成 生物学方法开发的抗菌肽和细菌素，从而开发抗生素替代疗法；2021 年 8 月，弈柯莱 生物和通化东宝合作的首个使用生物合成技术的西格列汀仿制药获批上市，成为中国 正式接受利用合成生物方法制造医药类产品的标志性事件；2022 年，弘合生物首个基 于合成生物学的 I 类创新药 KH617 获得中美两国药监部门新药临床试验“双报双批”； 羽冠生物已推出 ProBVax 合成生物学疫苗技术平台。

在生物农业领域，合成生物学技术的应用价值体现在改良农作物品种，提高产量 和抗病虫害能力等方面。比如，Indigo Agriculture 利用合成生物学技术来改善植物 的生长和抗病性，开发了一种“植物有益菌”（Plant-Microbe）生物技术，可通过将 有益微生物应用于种子或土壤，来提高农作物的产量和健康。通过合成生物生产氨基 酸可以实现饲料豆粕的减量替代。 在食品和保健品领域，合成生物学不但可以变革传统的食品制造方式，而且可以 助力食物的低碳制造，同时能够提高食品蛋白转化效率。从食品原料的开发到细胞培 养肉，微生物奶等替代蛋白，合成生物学在食品领域的应用愈发广泛。目前国内外可 使用微生物合成蛋白，代糖，乳蛋白，人乳寡糖，食用益生菌，维生素 D3，人造肉， DHA、EPA 等功能性油脂等。 在消费个护领域，合成生物助力美妆关键原材料大力发展。提高原有原料生产效 率，降低生产成本，或找到合适的关键酶元件与相应的底盘代谢通路适配，可以获得 不受原料影响的低成本产物。目前已经投入应用的产品包括：玻尿酸，胶原蛋白，角 鲨烯，人参皂苷， β-胡萝卜素，红景天苷等。

在新型材料领域，通过生物合成的方式，利用代谢工程，纳米技术，分子生物 学，仿生学等多个研究手段及领域，制备出具有特定功能的新型生物材料。比如，中 科院天津工业生物技术研究所研究员张学礼研究的 2 项专利“生产丁二酸的大肠杆菌 基因工程菌及其构建方法与应用”和“提高丁二酸产量的重组菌及构建方法”，利用合 成生物学方法制备生物基丁二烯，解决了可降解聚酯塑料 PBS 丁二烯原料产能受限的 问题。未来我们会在包装材料，一次性餐具及购物袋，纺织材料等多个领域看到合成 生物材料的出现。

在环保领域,合成生物学技术应用能够处理废水、废气等环境污染物,实现资源化 利用。比如 LanzaTech 利用合成生物学技术来改变微生物，使其能够吸收和转化废弃 物中的有害气体，如二氧化碳和一氧化碳；运用合成生物学技术对微生物进行改造， 制作出的生物机器人可以用来清理海洋中的微塑料污染。 在能源领域。生物能源是指以生物质为原料或者由生物体合成的能源，是可再生 能源的重要形式，其生产和使用全周期中可以实现对地球大气存量碳资源的“净零” 利用，在保障能源供给、改善生态环境、支撑“双碳”目标达成等方面具有不可替代 的独特优势。比如中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔球团队，在论文中就综述 了热纤梭菌合成生物技术工具开发应用的前景进展，并介绍了应用该底盘转化生物质 资源进行糖、燃料以及化学品合成方面的代表性成果，在产品合成端，构建高效的微 生物细胞工厂，能够实现生物质糖向能源产品的高效定向转化。 在化工领域，合成生物学技术可以合成传统化工工艺不能合成的新材料。比如经 过特定基因编辑后的大肠杆菌和谷氨酸棒状菌，可以广泛用于 PHA、PHB、PLA、戊二 胺、丁二酸等化学制品的生产。

在 IT 领域，合成生物学技术可以应用于存储等领域，如 2021 年底，南大生物科 学与医学工程学院、生物电子学国家重点实验室的刘宏教授团队报道了一个完全集成 的 DNA 数据存储系统，通过电极表面合成 DNA 分子及原位测序实现了单电极上数据写 入和读取的一体化，并成功将校训“止于至善”——“Rest in the highest excellence!”以 DNA 分子形式存储在电极表面并读取出来。

2.合成生物产业特点

 与化学合成方法相比，更具环保，经济性和可持续性

合成生物学是以生物技术路线替代传统化工技术路线的科技产业，具备轻资产属 性，其制造原材料可再生，制造过程中反应条件温和，有利于安全生产。同时，合成 生物学路径可有效降低碳排放。另外，生物制造相对化学工艺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，成本下降空间大，且菌种能够实现 迭代优化，技术效率高。举例来看，江南大学的团队借助微生物发酵生产普通分子量 的透明质酸，将成本从每公斤几万元降低到了每公斤几百元。

技术具备可复制性

合成生物全过程采用模块化和标准化的方法，将生物系统分解为各个可重复使用 的模块，这些模块可以由不同的研究者使用相同的标准进行设计和构建，从而提高研 究效率和结果的可重复性。合成生物的制造研发经验和设备可以共用，不受地域条件 和设备规模的限制。

具备强进入壁垒属性

从合成生物学设计的关键技术看，主要包括基因合成和基因组编辑等工程 DNA 技 术；专注于改造单个生物分子，使其居于扩展能力或具备重要的挑战性目标功能的生 物分子、途径和线路工程；涵盖无细胞系统、合成细胞、单细胞生物、多细胞组织和 整个生物体，以及微生物群落和生物群落发展的宿主和群落工程；设计数据整理，建 模和自动化相关的数据科学。 具体看，合成途径的选择和工业化生产技术是合成生物学的关键技术。其中，基 于细胞的合成生物学主要依靠细胞或者细菌本身作为底盘细胞或者底盘细菌，打造“生物体”工厂，主要技术包括对生物体工厂的改造，对相应组学和代谢产物的鉴定 和认识等；基于细胞外进行的应用生物酶催化反应的合成途径主要涉及到的技术包 括，细胞生物学，组学分析，生物体大数据分析，化工制造，基因编辑等领域。 在选定合成目标以及合成途径之后，随着产品的规模化生产，要考虑合成效率， 降低成本，降低资源消耗，降低环境等目的。涉及的技术主要包括：发酵工艺、机械 工艺、细胞生物学、基因编辑、工程制造相关领域的基础技术，同时也会涉及一些机 械、力学等相关领域的技术。 综上，合成生物学是一个存在多学科交叉的行业、对技术、成本控制、研发人员 要求高,具有非常强的进入壁垒属性。