2024年合成生物学行业研究：乘政策东风，高速成长中的朝阳板块

1 发展合成生物学意义重大

1.1 合成生物学是生物制造重要的平台技术

合成生物学是一个多学科交叉的研究领域，旨在整合生命科学、工程学、物 理学与化学等学科，通过设计和建造新的生物元件、功能和系统，以构建在自然 界中并不存在的可控方式、生物逻辑和生产系统。美国国会研究服务局于 2022 年发布的《合成/工程生物学：国会议题》报告中指出，合成生物学作为平台技 术，在生物制造中发挥着至关重要的作用。生物制造利用生物系统生产重要的生 物分子，应用于农业、食品、材料、能源和制药等诸多行业，根据麦肯锡预测， 未来全球 60%的物质生产可通过生物制造方式实现，合成生物学在其中可以作为 基础技术，用来开发其他应用程序或生产工艺。

狭义的合成生物学包括“自上而下“和“自下而上“两大方向。“自上而下” 指将全新功能引入活细胞等生命体或生物；“自下而上”则是在体外合成全新生 命系统。广义的合成生物学还包括任何对生命有机体关键要素的创新应用，如酶 催化合成、无细胞合成、DNA 存储等。与传统路径相比，合成生物学与可持续发展的理念相契合,并且在生产过程所需的反应条件更为温和，产业链条更短、更 加高效，整体具备一定的安全性。

此外，合成生物学可以高效利用原来不能利用的生物质资源，合成原来不能 生物合成、或者原来生物合成效率很低的产品，不断突破自然生物体合成功能与 范围的局限。加拿大的科研人员 2021 年 9 月发表的题为“下一代合成生物学的 新兴监管挑战”综述指出，尽管合成生物学已经取得一定的成就，目前的方法仍然 受限于对现有生命系统“自上而下”的重编程，需要克服这些限制才能充分发挥合 成生物的潜力。而“自下而上”设计的类生命系统能够在活细胞外（即无细胞合成 生物学）发挥作用。 无细胞系统作为一种替代方案，提供了超越活细胞限制的类似生命功能。与 基于细胞的方法相比，无细胞系统不受限于现有微生物，更有利于发挥主观能动 性，创造新的“生命体”。由于较少受到实验条件的限制，无细胞系统能够实现 快速的“设计-构建-测试-学习”的循环周期。Surto Biopharma 使用无细胞合成 平台生产 ADC，生产含有非天然氨基酸的蛋白质，并将其与其它小分子进行偶联。 凯莱英则将无细胞合成体系应用于高通量酶筛选，在少量酶（如 200 个酶）制备 方面，预计可节约 50%的人工和节约 90%的时间。

1.2 设计-构建-测试-学习（DBTL）循环在生产过程中持续迭代

从合成生物学的解决路线方案角度分析，其体外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；而其体内路线采用生物发酵，涉及代谢通路改造，细胞工厂合成目标产物， 后续涉及提取纯化等。

底盘细胞在合成生物学中扮演着非常重要的角色，它们是合成生物学研究和 应用的基础。通过对底盘细胞的精准调控和优化，可以提高生产效率，实现更可 持续和环保的生物技术解决方案。常用的模式微生物有酿酒酵母、大肠杆菌、枯 草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌等。

合成生物学围绕 DBTL 循环（Design-Build-Test-Learn），通过持续迭代， 逐步提高微生物的性能，从而优化微生物的代谢途径，设计出更有效的基因装置，获得理想的人工菌株，以期达到更高的生产效率和更优质的最终产品。设计 （Design）是合成生物学 DBTL 策略的基础，指遵循一定的规则，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设计；构建（Build）阶段旨在利用 标准元件库和基因工程技术，构建出新的菌株，包括 DNA 合成、大片段组装以及 基因编辑。测试（Test）阶段通过分析测试基因构建体或经改良的生物体性能， 对目标参数进行评估，因为无论是酶、单个生物元件，还是逻辑线路及模块化的 代谢途径，在设计后，都会存在大量的突变体或目标候选物。学习（Learn）阶段 则使用软件和/或机器学习分析数据，对模型进行优化，以提高菌株的性能，为 下一个循环改进设计提供指导，过程中涉及数据收集整合、数据分析、结果可视 化和建模分析等。这些分析结果将反馈到新的设计中，通过不断迭代获得性能优 异的菌株，再结合发酵工程技术，利用淀粉等发酵底物进行发酵，并通过分离纯 化过程，最终获得所需的目标产物。

与海外相比，中国的发酵能力更强、供应链更完整。美国基础研究比中国出 现早，也相对较强，表现在菌种设计的通量高，细胞工厂构建的迭代快。而中国 的供应链则相对完整，同时拥有一个需求大且支付能力强的广阔市场。特别地， 中国是全球发酵大国，并且新技术、新产品商业化速度较快。展开看，就生产过 程中的 DBTL 循环而言，其中的设计和构建环节中外已经处于同步发展阶段，“卡 脖子”风险较小，真迈生物、齐碳科技、金斯瑞生物科技、辉大基因等在该领域有所布局。而在测试阶段，中外相比仍有一些差距；在学习阶段，行业整体仍在 发展的早期，中外差距有望不断缩小。

1.3 技术革新驱动合成生物学行业发展

合成生物学自 2000 年左右诞生以来，经历了四个重要的发展阶段。2000- 2003 年是合成生物学的创建时期，研究者们开发出多种具有领域特征的研究手 段和理论，这个时期的典型成果是在大肠杆菌中实现青蒿素前体途径的工程化。 2004 年至 2007 年是合成生物学的扩张和发展期，合成生物学概念迅速推广， 该领域第一个国际性会议“合成生物学 1.0”大会于 2004 年成功举办，合成生物 学领域知名赛事 iGEM 竞赛也在该年首次举行。技术研发上从转录调控扩展到转 录后和翻译调控，2006 年利用工程菌首次侵入癌细胞，成为工程化活体疗法的先 驱。 2008 年至 2013 年，合成生物学迎来了创新和应用转化期，底层技术效率的 大幅提升，推动了合成生物学技术开发和应用的不断拓展。2009 年和 2012 年转 录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）和成簇规律间隔短回文重复序列及其相关 蛋白基因（CRISPR/Cas）技术的相继问世，基因编辑技术效率大幅提升，从而进 一步推动了合成生物学领域向前迈进。在代谢工程领域，2008 年利用大肠杆菌中氨基酸的代谢产物成功生产了生物燃料。2013 年，Amyris 公司利用酵母菌株成 功商业化生产青蒿素。 自 2014 年以后，随着生物大数据的开源应用与生物工程化平台相结合，合 成生物学进入了一个新的发展阶段。合成生物学的“设计-构建-测试”循环逐步扩 展至“设计-构建-测试-学习”循环。同时，“半导体合成生物学”、“工程生物学”等 新理念或学科的提出，为合成生物学的发展注入了新的活力。

合成生物学的三大基础使能技术——基因测序（“读”）、基因编辑（“改”） 和基因合成（“写”）的快速发展及其所带来的成本下降是推动合成生物学行业发 展的重要驱动因素。在过去的几十年里，DNA 测序技术取得了飞速的发展，从最 初的 Sanger 测序技术逐步演进到第二代和第三代测序技术，较大地提高了我们 解读基因组序列的能力。基因合成技术方面，成熟的柱式合成法存在依赖于危 险试剂和溶剂，效率和通量低，成本较高的问题。而超高通量芯片合成技 术，以芯片作为 DNA 合成的载体，能够在一次操作中合成超过十万条寡核 苷酸，成本相对于柱式合成法大幅下降。

迄今，基因编辑技术已经历了从锌指蛋白技术（ZFP）到转录激活因子样效 应物核酸酶技术（TALEN），再到成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白基因 技术（CRISPR/Cas）三代技术的革新。其中，第三代技术中的 CRISPR/Cas9 系统 采用 RNA-DNA 识别机制，能够广泛地选择切割位点，基因编辑效率显著提高。

底层技术的成本不断下降也是驱动合成生物学行业发展的关键因素。人 类基因组测序完成以后，基因测序的成本急剧下降，下降速度超过摩尔定律。根 据 NIH 数据，2020 年人类全基因组测序的成本已由 2007 年时的 100 万美元，降 低到 1000 美元以下。目前，华大智造推出的超高通量基因测序仪 T20，已将单人 全基因测序成本降低至 100 美元以内。同样地，基因合成成本也大幅下降，由 2000 年前的约 1 美元/bp 降低至 2020 年的 0.001 美元/bp 以下。

2 合成生物学具有广阔市场，上游与下游产值占比高

2.1 合成生物学行业正在经历高速成长，五年复合增速约 28%

合成生物学市场潜力较大，正在经历高速成长。根据 BCC Research 统计， 2021 年全球合成生物学市场规模约为 95 亿美元，预计 2026 年达到 332 亿美元， 对应 2021-2026 年五年复合增速约为 28%，技术革新与政策支持促进合成生物学 行业发展，行业前景广阔。合成生物学可以应用于医疗健康、食品饮料、化工产 业等多个领域，其中医疗健康是第一大应用市场。2021 年医疗健康合成生物学市 场规模为 32.2 亿美元，预计 2026 将达到 69 亿美元，对应 5 年复合增速约为 16%， 龙头公司具有先发优势，增速有望超过行业平均。

目前合成生物学市场主要由欧美主导，从市场规模来看，首先是北美市场、 其次是欧洲市场，亚太则是全球第三大市场。2021 年北美、欧洲、亚太地区和世 界主要其他地区（ROW）合成生物学市场规模为 56.8 亿美元、23.4 亿美元、12.1 亿美元和 2.9 亿美元，分别占比 60%、25%、13%和 3%。

2.2 发展合成生物学具有重要战略意义，多国纷纷出台政策支持

发展合成生物学具有节能减排、有利于保障供应链安全、颠覆全球供给格局 等重要战略和商业意义。首先，发展合成生物学可以促进替代化石原料，达到节 能减排的效果。根据世界资源研究所的统计，全球二氧化碳排放的主要来源是化 石燃料的燃烧，占碳排放总量的 75.6%。为了实现《巴黎协定》中要求的 2050 年 全球净零碳排放的目标，需要减少对化石能源的投资。在原料端，我们可以使用 清洁的生物质或二氧化碳作为碳源，以替代传统的高污染化石原料；在生产端， 可以采用高效的体外生物催化体系统或细胞工厂，以替代传统的多步化学反应过 程。此外，发展替代性生物燃料也有利于减少石油价格波动的影响。例如，第二 次海湾战争引发了原油价格的上涨，美国政府为了应对这一问题，推出了一系列 生物产业的补贴措施，旨在激励企业利用合成生物学技术，开发出能够替代石油的生物能源。与石油化工路线相比，目前生物制造产品平均节能减排 30%至 50%， 这一比例预计未来有望提高到 50%-70%。 其次，发展合成生物药也有助于保障供应链安全，打破原料或产品的进口依 赖。华恒生物作为全球首家采用发酵法生产丙氨酸的企业，成功地打破了传统生 产路线对石油基原料的依赖。凯赛生物建立了全球代表性的合成生物学长链二元 酸生产平台，有效地打破了国内以往对长链二元酸全部依赖进口的局面，增强了 国内产业的自给自足能力，并提升了国家在全球生物制造领域的竞争力。

第三，发展合成生物学，有望推动行业集中度提升，在全球形成产业竞争力。 例如，华熙生物通过对于发酵种子的培养及产量优化，其玻尿酸产率从成立之初 的不足 3g/L，发展到现在的 12-14g/L，远超国际平均水平，其玻尿酸市占率提 升至 40%以上。类似的，通过技术改进巨子生物和锦波生物在重组胶原蛋白领域 全球供给份额超过 95%。凯赛生物在全球长链二元酸市场中的供给份额超过 80%， 打破了中国以往对此类原料的进口依赖。华恒生物作为全球首家采用发酵法生产 丙氨酸的企业，其全球供给份额超过 50%。 基于合成生物学重要的战略意义，全球多个国家推出鼓励合成生物学的政策。 美国农业部（USDA）从 2006 年开始支持合成生物学研究，随后其他机构如国家 科学基金会（NSF）、国立卫生研究院（NIH）、能源部（DOE）、国防部（DOD）等也 加入支持。2019-2021 年，美国工程生物学研究联盟（EBRC）相继发布《工程生 物学：下一代生物经济的研究路线图》、《微生物组工程：下一代生物经济研究路 线图》、《工程生物学与材料科学：跨学科创新研究路线图》等。

英国也是较早关注合成生物学的国家之一。2009 年英国皇家工程院（RAE） 发布了《合成生物学：范围、应用和启示》报告，强调国家战略规划的重要性。 2012 年，英国商业、创新与技能部（BIS）发布《英国合成生物学路线图》，提出 了基础科学与工程、负责任的研发与创新、用于商业的技术、应用与市场、国际 合作 5 个核心主题。2016 年，BIS 支持成立的合成生物学领导理事会（SBLC）又 推出“英国合成生物学战略计划”，提出了 2030 年实现英国合成生物学上百亿欧 元市场的目标。此外，德国、法国、日本、澳大利亚等发达国家在合成生物学方 面也在积极布局，纷纷发布支持性政策，推动行业发展。

国家层面与多地地方政府也陆续出台合成生物学产业支持政策。2022 年 5 月，国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》，多次提及合成生物学，覆 盖医疗健康、食品消费两大领域。此外，2024 年 3 月，国务院总理李强在十四届 全国人民代表大会第二次会议上的政府工作报告中指出：2024 年要加快发展“新 质生产力”，积极打造生物制造、商业航天、低空经济等产业作为经济新增长引擎。北京、江苏、深圳、上海、重庆等多地政府陆续出台支持合成生物学产业发 展的配套政策。

在国家大力支持下，合成生物学研发热情高涨，科研项目数量不断攀升。2010 年，国家重点基础研究发展计划（“973 计划”）首个合成生物学项目启动，至 2015 年连续支持了 10 个项目，为我国合成生物学的发展奠定了重要基础。2018 年， 国家重点研发计划“合成生物学”专项正式发布，重点方向围绕医药健康、环境 与能源、农业与食品、工程材料等。 报名 iGEM（国际基因工程机器大赛）赛事的人数也在节节攀升。iGEM 是一 个在合成生物学领域备受瞩目的年度竞赛，它为全球的本科生、研究生和高中生 提供了一个展示才华和创新思维的平台。参赛者们运用 BioBricks 这一标准化的 生物元件库，设计并构建各种基因工程系统。竞赛项目覆盖了广泛的应用领域， 从简单的生物电路设计到复杂的农业解决方案，再到环境保护等全球性问题。iGEM 始于 2003 年，由麻省理工学院（MIT）发起，参赛队伍从 2004 年的 5 支队 伍增加至 2021 年的 350 支队伍。许多参赛的学生在毕业后进入该领域工作，甚 至成立公司，例如美国生物技术公司 Ginkgo Bioworks 的创始人汤姆·奈特（Tom Knight），同时也是 iGEM 的创始人之一。

2.3 上游使能技术和产品以及下游终端产品在价值链中产值占比高

合成生物学产业链可分为上、中、下游三个环节。上游聚焦使能技术的开发， 包括读-写-编-学、自动化/高通量化和生物制造等，关注底层技术革新以及研发 上的降本增效，包括测序、DNA 合成、DNA 拼接、基因编辑、定向进化、设备自 动化/高通量化、虚拟测试、AI 赋能等。中游是对生物系统及生物体进行设计、 改造的技术平台，核心在于路径开发，合成路线的选择以及技术上的跑通，例如 底盘细胞选择及改造、培养条件优化、纯化方法开发等。中游企业与下游企业相 比，更强调技术平台的通用性，具备潜在 CRO 属性。下游则侧重应用开发和产品 落地，核心技术则在于大规模生产的成本、批间差及良品率等的把控，涵盖医药、 能源、化工、农业、消费品等诸多行业。其中，在医药行业中合成生物学可应用 的领域众多，包括细胞免疫疗法、RNA 药物、基因编辑疗法等创新疗法，以及体 外检测、医疗耗材、药物成分生产和制药用酶等多个细分赛道。与中游企业相比， 下游企业更强调应用领域的聚焦、产品的精细打磨及商业化放量。中下游企业之间并无明确界限，现阶段行业整体尚处在产业发展早期，不少生物技术公司实质 上为中下游一体化布局。

就产值而言，上游使能技术和产品以及下游终端产品的市场规模较大、增速 较快。根据 BCC Research 数据，2021 年，使能技术和产品、生物元件、整合系 统、终端产品的市场规模分别为 35.2 亿、8 亿、5.1 亿和 46.9 亿美元，占比分 别为 37%、8%、5%和 49%。预计到 2026 年，这些细分板块的规模将分别达到 123.3 亿、21.8 亿、14.8 亿和 172.1 亿美元，2021 年-2026 年的复合增长率分别为 29%、 22%、24%和 30%。

在上游使能技术和产品中，基因编辑和 DNA 测序是主要的细分领域。根据 BCC Research 数据，2021 年基因编辑和基因测序的市场规模分别为 23.6 亿美元 与 4.8 亿美元，分别占上游使能技术和产品的 67%和 14%。预计到 2026 年基因编 辑和基因测序的市场规模将分别达到 94.5 亿美元与 13.4 亿美元，分别占上游使 能技术和产品的 77%和 11%。 就下游终端产品而言，医疗健康是第一大应用领域。2021 年医疗健康的合 成生物学终端产品市场规模为 23.3 亿美元，占下游终端产品市场的 50%；预计 到 2026 年该市场规模将达到 53.5 亿美元，占比为 31%，随着合成生物学学科的 发展，在食品饮料、农业等应用领域得到不断延伸，然而医药依然是第一大终端 产品市场。

从毛利率水平来看，参考华大智造测序仪业务与金斯瑞生命科学服务及产品 相关业务，使能技术的毛利率约在 50%-60%；而通过参考川宁生物与奕柯莱毛利 率水平，我们预计下游原料药和中间体的毛利率约在 30%左右。仿制药毛利率约 在 50%左右，创新药行业的毛利率相对较高，在 70%-90%左右。

2.4 具备选品眼光与量产能力的企业更容易脱颖而出

选品和量产能力是产品成败的关键。选品考验公司的战略眼光和市场敏锐度， 同时具备量产能力的企业可能更具有成本优势，从而在行业竞争中脱颖而出。

Amyris——法尼烯量产失败造成股价波动

第二次海湾战争引发了原油价格的上涨，美国政府鼓励企业利用合成生物学 技术，开发出能够替代石油的生物能源。然而，随着石油价格的下跌，生物能源 的成本优势消失，导致许多致力于生物能源开发的公司面临着产品失败的境遇。 Amyris 公司就是其中之一。 Amyris 公司于 2003 年由加州大学伯克利分校的科学家创立。公司成立之初， 便致力于研发合成青蒿素，用于治疗疟疾，并且得到了盖茨基金会的资助，研发 获得成功。随后公司迅速奔向金融市场，2010 年成为合成生物学领域的第一家纳 斯达克上市公司。 公司产品涉及消费者健康、美容和保健三个领域。2007 年，Amyris 首次通 过合成生物学方法、以甘蔗为原料生产出法尼烯。不过公司在量产时发酵储罐出 现了酵母菌死亡的现象，转化率较低，规模化生产出现瓶颈，2013 年时产量仅有 400 万升，无法满足市场需求。2010 年左右美国页岩油革命导致油价下跌，生产 法尼烯的成本不具备优势，该项目并未取得成功。

Zymergen——Hyaline 产品失败造成股价波动

合成生物学领域独角兽公司 Zymergen 利用合成生物学技术在电子领域进行 创新，2020 年自主研发出生物基聚酰亚胺薄膜 Hyaline 产品，希望借此在折叠 屏手机市场取得成功。然而，由于公司产品团队没有充分了解客户的需求、以及 相关工艺流程，导致市场需求远低于预期，产品的量产也未能成功。2021 年 8 月 3 日，公司宣布不再对 Hyaline 产品的营收做预期，股价出现大幅波动。 2022 年 10 月，Ginkgo 公司收购了 Zymergen。

从小试放大到规模化生产是合成生物学面临的最大难点之一。合成生物学产 品的生产规模放大过程与许多传统发酵工业中的产品生产过程相似，都遵循从实 验室小试到中试试验，再到规模化生产的逐步放大路径。在实验室环境中，可以 通过精确控制温度、湿度、pH 值和微生物群落等关键环境因素，确保合成生物学 过程的稳定进行。但是，从实验室规模到工业规模的生产过程中，需要解决一系 列的工程挑战。由于合成生物学技术对环境条件有着极高的要求，即使是微小的 环境变化也可能通过“蝴蝶效应”被放大，最终导致大规模生产失败。

杜邦公司——1,3-丙二醇量产成功后获得行业垄断地位

化工巨头杜邦就使用生物发酵法生产 1,3-丙二醇，在技术上形成了垄断。 1,3-丙二醇（1,3-PDO）可以作为生产高性能聚酯材料聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT） 的关键单体。传统化学法生产的 1,3-丙二醇代表有采用的环氧乙烷羰基化法的 壳牌（Shell）公司，以及采用的丙烯醛水合氢化法的德国德固赛（Degussa）公 司。但是在 21 世纪初，美国杜邦公司取得了重要突破，使用价格低廉、来源广 泛的葡萄糖为底物进行发酵生产 1,3-丙二醇，在此领域形成了高度垄断。由于生 物法具有更低的成本、更少的能源消耗，可以减少环境污染，随着美国杜邦生物 发酵法生产 1,3-丙二醇的大规模产业化，生物法成为 1,3-丙二醇的主流生产工 艺，目前 1,3-丙二醇的工业生产 90%以上是采用生物法。

Ginkgo Bioworks——以轻资产模式运营，为客户研发出合适的分子

Ginkgo 公司于 2008 年由一群来自麻省理工学院的生物学家和软件工程师创 立。与 Amyris 公司不同，Ginkgo 专注于价值链的核心环节——研发。Amyris 致 力于掌控从分子研发到规模化生产，再到市场营销的整个价值链。相比之下， Ginkgo 主要聚焦于分子研发阶段，为合作伙伴或客户开发出合适的分子，随后， 合作伙伴或客户将各自负责产品的制造和营销工作。2020 年 4 月，Ginkgo 助力 Moderna 进行疫苗研发。2023 年 9 月 27 日，Ginkgo 公司宣布与辉瑞达成合作关 系，共同致力于开发基于 RNA 的候选药物。

蓝晶微生物——通过合成生物技术显著降低 PHA 生产成本

合成生物技术企业蓝晶微生物通过优化菌种，降低了聚羟基脂肪酸（PHA） 成本 50%以上。PHA 是一种由微生物合成的高分子聚合物，它展现出与石油基化 工塑料相似的物理和化学特性。这种材料在土壤和水体中能够在半年内自然分解， 因此被认为是一种环保的“绿色塑料”，可以替代传统塑料，以减少“白色污染”。尽管 PHA 具有这些优点，但其生产过程需要大量的能源消耗，这使得 PHA 的成本 相对较高，限制了其在市场上的广泛应用和产业化发展。2023 年 1 月，蓝晶微生 物位于江苏省盐城市、设计年产能 5000 吨的蓝晶 PHAⅠ期工厂试车生产成功， PHA 管线正式进入商业化阶段。

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