合成生物学概念、技术壁垒、市场发展及优势是什么？

合成生物学是多学科交叉领域，技术壁垒高筑。

合成生物学作为先进生产力的典型代表， 是生物学、化学、工程学、数学以及信息科学深度交叉融合的新兴领域，对合成生物学 企业提出较高的技术要求，构建较高的技术壁垒。其核心理念在于把复杂的生物系统视 为可设计、可组装的模块，如同搭建精密的机械模型一般，在基因、代谢途径和细胞网 络等层面系统地对生物系统进行设计、构建和测试，从而为人类提供具有实用价值的新 型生物系统和产品。

合成生物学的多学科融合特性，无疑对相关企业的研发能力提出了极高的要求，其核心 的技术壁垒体现在三个维度： 1）基因元件标准化：需建立标准化生物元件库（如 Promoter/RBS 数据库）； 2）代谢通路优化：涉及基因组尺度代谢模型（GEM）的动态平衡调控； 3）规模化生产转换：实验室成果向工业发酵的线性放大存在非线性损耗。 理性设计和改造筛选微生物细胞工厂是合成生物学技术的核心难点。合成生物学包括前 端的设计组装、中端的改造筛选和后端的发酵生产，前、中端构建微生物细胞工厂是合 成生物学技术的最大难点。根据华恒生物 2022 年度向特定对象发行 A 股股票证券募集 说明书，在合成生物学的基础上，研发人员可以利用基因合成、基因编辑、途径组装与 优化、细胞全局优化等技术，创建全新的细胞工厂，突破原有生物系统的限制，创造出 更加符合产业化的新型生物系统，加速科技成果的工业化进程。

通过 DBTL 循环（Design-Build-Test-Learn）实现对微生物细胞工厂的高度控制和优 化。根据《The second decade of synthetic biology: 2010-2020》，由于当前的基因工程、 代谢工程等生物技术水平受限，我们难以做到对目标生物系统的理性设计，仍需要包含 设计（Design）、构建（Build）、测试（Test）和学习（Learn）四个主要步骤的 DBTL 循 环多次迭代来逐步修正和优化微生物细胞工厂。

全球合成生物学市场或将进入发展快车道。据 CB Insights 数据，2019 年全球生物学市 场规模达到了53 亿美元，预计到2024 年将达到189 亿美元，年复合增长率约为28.8%。 根据 Data Bridge Market Research 分析数据显示，2020-2027 年，合成生物学市场规模 将持续上扬，2027 年预计达 302.8 亿美元，年复合增长率约 23.63%。 2020 年 6 月，全球管理咨询公司 Mc-Kinsey 发布的报告《The Bio Revolution》，明确指 出“未来 60%的工业产品都可以通过生物技术进行制造，在未来 10-20 年内 4 万亿美元的经济价值将由合成生物主导。”世界经合组织（OECD）预测，至 2030 年，将有 35% 的化学品和其它工业产品来自生物制造，生物制造在生物经济中的贡献率将达到 39%， 且生物基产品将取代 25%的有机化学品和 20%的化石燃料，基于可再生资源的生物经 济形态终将形成1。我们认为伴随全球生物技术和信息科学技术的快速发展与迭代，全球 合成生物学市场或将在未来 5 至 10 年内有望实现倍数级增长。 合成生物学下游应用场景丰富，多个细分领域增速较快。在食品和饮料、农业、消费品 及工业化学品等细分市场，合成生物学发展势头迅猛、未来潜力十足。合成生物学在医 疗健康领域的市场规模占比最大，根据 CB Insights，2024 年合成生物在全球医疗健康 领域应用的市场规模预计约50.22 亿美元、占比约26%，2019-2024 年复合增速约18.9%。 在食品和饮料、农业领域，由于现有市场基数低，预计其市场规模的年复合增长率超 64%。

合成生物学可助力达成碳中和目标，有望在传统工业转型升级中成为核心驱动力之一。 在全球气候变化日益严峻的当下，碳中和已成为国际社会共同瞩目的核心议题。传统生 产方式深陷能源消耗高、碳排放量大的困境。参考中国能源报数据，工业革命前大气二 氧化碳浓度仅约 280ppm，但随着工业革命的推进，化石燃料的大量使用致使二氧化碳 排放量急剧增长。美国国家航空航天局（NASA）数据表明，2021 年全球大气二氧化碳 浓度平均值已攀升至 414ppm。 为达成碳中和目标，许多国家都在积极推进清洁生产战略，要求企业全面改进生产工艺、 提高资源利用率、有效降低能源消耗。在这样的发展背景下，高耗能、高污染的传统产 业转型升级迫在眉睫，这无疑为合成生物学提供了良好的发展契机。 根据华恒生物招股说明书，与传统化工制造相比，以合成生物学为核心的生物制造具备 显著的绿色优势。生物制造通常采用可再生生物资源作为原料，能够彻底摆脱对石油资 源的依赖，同时大幅削减二氧化碳、废水等污染物的排放。根据世界自然基金会（WWF） 预估，到 2030 年生物制造技术每年可减少 10 亿吨至 25 亿吨二氧化碳排放。我们认为， 这一数据直观地体现出合成生物学在助力实现碳中和目标、推动绿色可持续发展进程中 的显著优势与巨大潜力，有望成为引领未来产业变革的重要驱动力，重塑多个行业的发 展格局。

合成生物学既可以作为传统生产方式的补充，也具有颠覆性的创新能力。合成生物学技 术可以实现高选择性、高效率、可定制化、大规模化的工业生产，生产过程具有高效、 清洁、可再生等特点，与全球大力倡导的碳中和理念高度契合，不仅能够在现有框架下 对传统生产方式予以补充完善，更蕴含着颠覆式创新的强大能量。 随着技术的不断迭代与应用场景的持续拓展，合成生物学技术有望逐步全面赋能传统行 业，补充甚至颠覆传统生产方式，引领产业迈向全新的发展阶段2。欧洲《工业生物技术 2025 远景规划》就已提出要向生物技术型社会转变，力争于 2025 年实现生物基化学品 替代传统化学品 10%-20%，其中化工原料替代 6%-12%，精细化学品替代比例更是高 达 30%～60%。根据《华恒生物：2022 年度向特定对象发行 A 股股票证券募集说明书》， 到 2040-2050 年，直接应用合成生物学可以将年平均人为温室气体排放量在 2018 年排 放水平基础上减少 7%至 9%。我们认为，合成生物技术对于我国碳达峰、碳中和目标的 实现以及未来社会经济发展具有革命性的意义。

与传统的化学合成法相比，合成生物制造具备环境友好、资源高效利用、高选择性、成 本更低、产品多样性和可定制性等多方面的优势： （1） 节能减排，绿色生产：合成生物制造利用生物体内的酶催化反应进行生产，这使 得生产过程能够在相对温和的温度和压力条件下进行，从而有效降低了能源消耗 与环境污染。以生物降解塑料聚乳酸（PLA）的发酵生产为例，相较于石油化工 生产工艺，具备原材料可再生；整个材料生命周期实现零碳循环；其在生产过程 中产生的温室气体排放和有毒物质排放会显著减少。

（2）资源高效利用：合成生物制造能够将废弃物和可再生资源转化为高附加值产品， 实现资源的循环利用与价值最大化。例如，通过改造大肠杆菌，可以实现废弃植物纤维 素的转化为生物燃料乙醇，提高资源利用率，降低对化石燃料的依赖，为可持续能源发 展开辟新路径。

（3）高选择性催化，提升产品品质：生物体内的酶催化反应具有极高的选择性，这使 得合成生物制造能够有效避免传统化学合成过程中常见的副产物生成问题。在药物生产 领域，通过微生物发酵法生产抗生素，可以实现高选择性、高纯度的药物生产，极大地 减少了化学合成过程中可能产生的副产物和不良反应，为患者提供更安全、有效的药物。

（4）成本优势：借助生物体内的催化剂和基因工程技术，合成生物技术在部分领域展 现出突出的成本优势。一方面，合成生物技术能够提高产量；另一方面，其对能源、原 料和处理副产物的要求相对较低，从而有效降低了生产成本。以多肽合成技术为例，根 据发酵工业网，瑞德林通过以酶催化为代表的新一代生物合成技术，可以将蓝铜肽的生 产成本降低 50%以上。此外，通过改造微生物如酵母或藻类生产的生物柴油，与传统石油提炼过程相比，也具有一定的成本优势。

（5）产品定制化、多元化：合成生物制造具有强大的产品设计能力，能够满足不同领 域的多样需求。例如，通过基因编辑技术 CRISPR/Cas9，可以定制微生物以生产特定的 生物活性肽，如抗菌肽、肿瘤抑制肽等3，为医疗、农业等领域提供更多创新解决方案。 在食品饮料行业，通过基因工程改造酿酒酵母，能够生产出不同口味、风格的啤酒，满 足消费者日益丰富的个性化需求。