合成生物学政策、技术及生产模式分析

政策支持叠加技术突破，合成生物产业迎风起。

1. 政策支持：战略规划齐发力，护航合成生物加速起航

合成生物学作为驱动医药产业变革的重要技术方向，受到国内外政策的高度重视。 各国政府通过资金与技术投入、法规与标准完善以及人才培养，全面助力这一领域的创 新与产业化发展。 全球主要国家政府陆续出台合成生物学相关扶持政策，相继建立合成生物学研究中 心，形成了遍布全球的合成生物学研究网络。合成生物学进入全球共识、合作与竞争的 快速发展时期，欧盟、美国、中国等国家/地区从学科发展、政策制定和战略布局等多维 度促进合成生物学发展。其中进程较快的国家如英国、美国。英国政府于 2012 年和 2016 年相继发布《合成生物学路线图》和《英国合成生物学战略计划》，是首个在国家层面 通过路线图方式推动合成生物学发展的国家。2023 年英国政府发布《工程生物学国际愿 景》，通过 20 亿英镑的投资计划推动合成生物学在医学疗法、精准治疗等领域的突破性 应用。美国同样从多维度相继推动合成生物学的发展。2022 年 9 月，美国总统拜登签署 了《促进可持续、安全和安全的美国生物经济的生物技术和生物制造创新》的行政命令。 为落实这一战略，美国白宫科技政策办公室（OSTP）联合多部门于 2023 年发布《生物 技术与生物制造宏大目标》，提出未来 5-20 年内通过生物技术和生物制造促进社会发展 目标的具体规划。这些政策为全球合成生物学的医药领域发展提供了强有力的支持。

国内同样重视合成生物学的研究与发展，在顶层战略规划上逐步加强，地方政策密 集出台，为合成生物学的研究与应用提供资金和技术支持。2008 年香山科学会议首次探 讨了合成生物学背景、进展和展望。2022 年 5 月，国家发改委印发《“十四五”生物经 济发展规划》，明确指出包括合成生物学在内的生物经济是未来中国经济转型的新动力， 并提出发展合成生物学技术。《2024 年政府工作报告》就曾提到“积极打造生物制造、 商业航天、低空经济等新增长引擎”，最新发布的《2025 年政府工作报告》也强调了要 “培育生物制造、量子科技、具身智能、6G 等未来产业”，生物制造作为新质生产力的 战略意义持续得到国家认可。 近年来合成生物学科学研究和产业发展快速前进，现已成立多个研究中心和重点实 验室等创新平台。如 2008 年中国科学院批准上海生命科学研究院成立合成生物学重点 实验室， 2019 年科技部支持天津与中国科学院共建国家合成生物技术创新中心等。十 余年间已成立多个相关研究中心和重点实验室等创新平台。同时，领域内多个合成生物 学重大项目获得资金支持，国家重点基础研究发展计划开设“合成生物学”专题，国家 重点研发计划开设“合成生物学”重点专项等。 政策的支持促成法规与标准的逐步完善，为合成生物学在医药领域的快速发展提供 规范保障。2021 年《生物安全法》从技术研发、实验室管理到成果应用，提出了全面的 生物安全要求，确保新技术在规范框架内推进。2022 年，国务院办公厅发布《关于加强 科技伦理治理的意见》，明确要求在生命科学、医学等领域建立科技伦理规范和审查制 度，通过立法落实科技伦理要求，为合成生物学划定伦理和法律边界。同时，2021 年的 《关于推动原料药产业高质量发展实施方案》与《“十四五”医药工业发展规划》将合 成生物技术与绿色低碳生产纳入重点方向，为产业的高效、环保发展提供了清晰的政策 指引。国际法规趋势也提供了重要参考，美国和英国的技术规范和伦理审查经验，为我 国提升全球竞争力提供了借鉴。合成生物学在多重法规护航下，正在规范、安全的轨道 上加速前行。

2. 技术突破：产业链技术升级，供给端迎来新发展

基因测序、基因编辑、基因合成等技术的快速发展及成本降低，支撑合成生物学由 概念逐步落地于产业。合成生物使能技术包括基因测序、基因合成、基因编辑、蛋白质 设计工程、基因线路与细胞工程等。基因编辑、合成和组装将注重方法的开发和改进， 目标是实现染色体 DNA 的合成和整个基因组的编辑。得益于基因测序、基因编辑、基因 合成三个合成生物学底层技术成本的降低，越来越多的初创企业不断出现。 基因测序技术的快速发展使生命信息的获取变得更加精准、经济和高效。自第一代 Sanger 测序技术问世以来，测序技术经历了四次重大革新，从毛细管电泳到高通量测序， 再到纳米孔测序技术，使 DNA 测序的速度提升了数百万倍，测序读长增加数倍，而成本 大幅下降。2001 年平均每兆数据量基因测序成本超过 5000 美元，单个人类基因组测序 成本近一亿美元，而 2006 年新一代测序技术推出后，成本下降近 10 倍。到 2020 年平 均每兆数据量基因测序成本仅需 0.007 美元，单个人类基因组测序成本只有 645 美元。

近年来，全球基因测序市场迎来了高速发展，为产业链的上游奠定了坚实的基础。 2024 年全球基因测序市场规模接近 150 亿美元，预计在未来十年内会保持 20%以上的 增速，在 2030 年超 500 亿美元，2034 年超过 1000 亿美元。

基因编辑技术的突破，极大降低了基因改造的技术门槛，加速了菌种优化、合成路 径设计等领域的进步。转基因技术诞生于 20 世纪 70 年代，即利用 DNA 重组，对来自 不同基因组的 DNA 进行组合或将外源 DNA 导入受体基因组，该技术第一次实现了动物 物种之间的遗传信息的交换和重组，但尚不能精准控制相关插入位置和数量。20 世纪 80 年代，ES 打靶技术兴起，其原理是运用胚胎干细胞同源重组技术，筛选获得带有特定突 变的胚胎干细胞，然后利用胚胎干细胞的发育全能性，可将突变传给子代，最终获得的 可以稳定遗传的动物模型。ES 打靶技术实现了对基因的精准编辑，但也存在耗时长、效 率低、成本高的问题。20 世纪 90 年代，出现了锌指蛋白核酸酶技术、转录激活样因子 核酸酶技术等新的基因定点编辑技术，理论上可以实现对基因序列的编辑，但其打靶准 确率仅约 30%，且设计复杂，用于 ZFN 编辑的锌指蛋白的成本约 5000 美元，成本高昂 限制了其广泛应用。2010 年后新一代基因编辑技术 CRISPR-Cas9 问世，成本约为 30 美元，降低了近 200 倍，其高通量且多样化的优势使基因编辑变得更加普及。 基因编辑技术的市场增长迅速，也展现出基因工程广阔的前景。2021 年，全球基因 编辑市场规模为 48.11 亿美元，到 2022 年增长至 54.12 亿美元，同比增速达到 12.49%。 此外，基因编辑相关的专利技术也在近年来飞速增长，2010 至 2014 年间 CAGR 高达 41%，且其中许多技术已经从学术研究转向商业化应用并得以迅速推广。

基因合成技术的革新，推动 DNA 制造向更长、更快、更低成本发展。自 20 世纪 80 年代以来，DNA 合成技术经历了多次革新，从最早基于亚磷酰胺的化学合成法发展至如 今的高通量芯片合成技术。芯片合成及超高通量芯片合成大幅提升了寡核苷酸的合成效 率，使得单次合成规模可达 10 万条，同时将成本压缩至传统柱合成技术的 1/10000 至 1/100。尽管技术不断进步，但寡核苷酸的化学合成仍存在诸多限制，如合成长度受限、 拼装过程费时费力、工艺要求严格、成本居高不下，并且在合成过程中会产生大量污染 性有机化学废弃物。随着合成生物学的发展，对基因合成的需求持续提升，这些瓶颈问 题亟待突破。 酶促 DNA 合成技术的出现能够有效解决化学合成法的众多问题。酶促反应作用条 件温和，DNA 可以在水相环境中合成，对 DNA 损伤较小同时避免了有毒化学试剂的使 用。由于减少试剂种类，成本降低 1-2 个数量级，使合成更加环保可持续。此外，酶促 DNA 合成单步准确率达到 99.5%，单步反应时间低至 30 分钟，并凭借易于整合的特点， 使得一站式基因合成成为可能。

此外随着互联网时代的到来以及 AI 技术的持续突破，生物制造的效率和精准度得 到提高，也让此前难以实现的生物合成成为可能。过去，研究人员对细胞代谢的认知是 零散的，而如今，随着互联网时代的到来，大规模的酶和代谢数据库正在推动菌种优化。 例如，KEGG、MetaCyc、Brenda 等数据库提供了细胞代谢网络与酶功能的系统性数据， 使研究人员能够快速分析目标菌株的代谢通路。此外，HMDB、SGD、GMD 等专门针对 特定生物体的数据库，也使得针对不同物种的菌种优化更加精准。借助这些数据，科学 家可以更快地优化细胞工厂的代谢途径，提高目标产物的合成效率。 酶工程的另一难点是精准预测蛋白质结构。近年来，AlphaFold 等 AI 技术的突破， 使得蛋白质结构预测的准确性大幅提升。这意味着研究人员可以更高效地设计和优化催 化特定反应的酶，缩短实验周期，加速菌株改造。基于 AlphaFold 的结构预测，可以更 精准地改造代谢酶，提高目标化学品的合成速率，减少副产物的生成。 由于天然酶的种类有限，往往无法满足复杂的化学合成需求，人工酶也至关重要。 近年来，人工酶设计技术取得了突破，能够创造全新的催化能力。例如，Rosetta 软件被 用于从头设计能够催化自然界不存在的化学反应的酶，如 Kemp 消除反应、逆醛缩反应 等。这些人工酶的出现，让合成生物学突破了自然界的限制，为生物制造开辟了更多可 能性。

3.合成生物学重塑产业模式，提供更高效、环保的合成方案

合成生物学正在重塑产业生产模式，为高附加值化合物的制造带来颠覆性变革，合 成生物学技术能够执行传统生物技术难以企及的任务。传统的化学合成和天然提取方式 往往存在成本高、产量受限、环境污染等问题，而合成生物学通过细胞工厂和人工合成 代谢途径的优化，实现了更高效、更环保的生物合成方案。随着基因编辑、酶工程、代 谢工程等核心技术的突破，合成生物学不仅降低了药物生产成本，还提升了产能，使大 规模工业化生产成为可能。 2020 年，麦肯锡发布的报告中提到，全球约 60%的产品可以采用合成生物学进行 生产，预计在 2030-2040 年，合成生物学产品每年可以带来约 2-4 万亿美元的直接经济 影响。 合成生物学技术通过精准改造菌株结构、优化代谢途径等方式，能够大幅提高生产 效率，降低单位生产成本。以丙氨酸生产为例，其生产工艺经历了多次技术变革，从天 然提取法到化学合成法，再到酶法和发酵法，不断朝着更低成本、更高效、更环保的方 向发展。早期的天然提取法和化学合成法虽然能够实现规模化生产，但存在成本高、生 产路线复杂、环保污染严重等问题，难以满足现代产业的可持续发展需求。随着合成生 物学的发展，通过对菌株的精准改造和优化代谢途径，发酵法的生产效率大幅提高，单 位成本显著下降，使得生物法逐渐成为行业主流。

以华恒生物的生产实践为例，其 L-丙氨酸产品主要采用传统酶法和合成生物学方法 两种生产路线。合成生物学方法的生产成本较低，但由于其光学纯度不及酶法产物，售 价也相对较低。然而，尽管售价较低，合成生物学方法依然具备更高的毛利率，显示出 其在成本控制上的显著优势。酶法产物的单位生产成本已经接近发酵法产物的市场售价， 进一步凸显了合成生物学方法在降低成本方面的潜力。

合成生物学技术可通过更简单易获取原料合成目标产物，在保障原材料稳定可控的 同时显著降低成本。2018 年中国科学院天津工业生物技术研究所通过 L-丙氨酸的最优 合成途径设计、代谢路径重构和细胞工厂优化，实现了葡萄糖高效转化为 L-丙氨酸，并 在国际上率先实现发酵法 L-丙氨酸的产业化。原材料葡萄糖属于可再生生物质资源，主 要通过玉米淀粉制得，甚至可以从木质纤维素中提炼，有很大的价格优势，又能长期维 持成本的稳定。据计算，该技术使生产成本相比传统方法降低了 52%。随着菌株改造和 工艺优化的进一步推进，生物法生产丙氨酸的经济效益将更加突出，为行业带来更具竞 争力的解决方案。 在生产效率方面，合成生物学技术通过优化代谢路径和发酵工艺，显著提升了生产 能力。以 L-丙氨酸生产为例，相较于传统化学合成和酶法受限于高成本、发酵周期长、 生产强度低等问题，改造后的工程菌株使 L-丙氨酸的产量提升至 127.2 g/L，转化率提高 至 0.83 g/g，生产强度达到 3.53 g/L/h，较优化前均提高了 60%左右。这一突破源于对 代谢工程的深入改造，研究人员通过增强前体供给、优化基因表达、提升外运能力等手 段，使菌株能更高效地积累 L-丙氨酸，并结合优化的发酵策略，实现更短周期、更高效 的生物制造。该技术的成熟，不仅降低了生产成本，也为 L-丙氨酸的规模化应用提供了 更具竞争力的解决方案。

以抗生素为例，合成生物学同样显著提高了单批次产量，同时在规模化生产中保持 较高稳定性。川宁生物通过自主研发，在传统发酵基础上通过研发新的发酵工艺，进一 步提升中间体产品生产提取效率。这一突破显著提高了单批次产量，使得工业发酵从传 统的小规模生产迈向超大规模制造阶段，展现出强劲的产能优势。以头孢菌素 C 生产为 例，川宁生物通过改进发酵工艺，在最佳工艺参数下，其发酵水平提升了 8.28%，单次 发酵的抗生素产量显著提高。相比传统发酵方式，该技术不仅优化了菌种代谢能力，还 在规模化生产中保持了高效稳定性，为生物制造行业提供了更强的产能支撑。

合成生物产业采用生物基材料替代传统化石基材料，以生物技术替代传统化工技术。 在当前双碳减排趋势下，发展合成生物学产业具有深远的战略意义。根据世界自然基金 会（WWF）估算，到 2030 年，工业生物技术每年可减少 10 亿至 25 亿吨二氧化碳排 放。而统计数据显示，合成生物技术可在多种生物基材料生产中实现超过 60%、甚至高 达 90%的碳减排。相较于传统的石化路线，合成生物学能够利用可再生资源作为原料， 通过代谢工程改造微生物，实现更加节能、低碳的制造方式。根据中科院天工所统计， 目前合成生物制造产品的节能减排能力已达 30%-50%，未来可进一步提升至 50%-70%。 这一创新路径不仅降低了对不可再生资源的依赖，还在碳捕捉、碳回收等方面展现出较 大潜力，助力工业绿色转型。 以华恒生物的厌氧发酵技术为例，公司突破了传统好氧发酵能耗高、糖酸转化率低的技术瓶颈，建立了以可再生葡萄糖为原料的 L-丙氨酸厌氧发酵生产体系。这一技术的 关键优势在于无需通氧，从而显著降低能源消耗。根据中国轻工业联合会的鉴定意见， 该工艺已达到国际领先水平，并满足了巴斯夫等国际客户对绿色原材料的生态标签要求。 此外，华恒生物还创新性地利用酶催化技术，以 L-天冬氨酸或丙烯酸为原料生产β-丙氨 酸，避免了有机溶剂及废盐的环境污染，进一步推动了生物制造技术的绿色升级。

我国生物发酵产业规模全球领先，产业链完备齐全，更具产能和成本优势。根据中 国科学院院刊显示，国内各类发酵产品产量超过 7000 万吨，氨基酸、有机酸、维生素等 核心产品的产量占全球总量的 60%-80%。在合成生物学的推动下，发酵工艺不断优化， 提升了生产效率，推动了生物制造的产业化落地。 生物发酵产业链的上游技术创新正在驱动整个合成生物学生产端的发展，其中，生 物发酵设备的技术突破是核心推动力。设备的升级不仅提升了发酵效率和产品质量，也 加速了合成生物学的产业化进程。中国生物发酵设备行业已形成完整产业链，从原材料 供应到设备制造和产品研发均实现了快速发展，市场规模近年来稳定增长，2023 年上半 年超过 200 亿元。国内企业具备生产多种规格发酵罐的能力，技术水平不断提高，市场 认可度逐步提升。随着行业竞争加剧，企业通过加大研发投入和技术创新来提升产品性 能，推动设备向智能化、高效化发展。尽管市场增长率有所放缓，但行业正在经历技术内卷，高密度发酵工艺、智能监控系统等新技术的应用，使得合成生物学生产端更具成 本优势和产业化潜力。未来，随着设备进一步升级，生物制造产业将迈向更高端、更自 动化的发展阶段。

此外，中国在生物发酵原材料供应上也具有全球领先的优势。发酵原材料主要包括 小麦、玉米、大米、木薯等，而中国是全球最大的小麦生产国，玉米和大米的产量也位 居世界前列，确保了充足且稳定的供应。这种上游原材料的丰富性和价格优势，为合成 生物学的生物制造提供了坚实的基础，进一步降低了生产成本，增强了产业链竞争力。