合成生物學：全世界都在推動的第三次生物技術革命

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2年前

合成生物學：全世界都在推動的第三次生物技術革命

合成生物學這兩年开始起熱度了，而前段時間拜登對於合成生物相關的行政命令的籤署又引起大家對它的關注。

9月12日，美國總統拜登籤署了一項鼓勵美國生物技術生產和研究的行政命令，推動Biotech美國本土化。該行政命令草案提出，利用生物系統創造一系列產品和材料，包括新藥、人體組織、生物燃料、食品等。

作爲生物制造產業的核心技術，合成生物學被多個國家認爲是顛覆性前沿技術。

到底什么是合成生物學？

可以理解爲生物學的工程化，相當於解構各種基礎生物元件，然後重新構建具有期望功能的生物系統，生產各種我們想要的東西。

MIT出版的《Technology Review》在2004年將其選爲將改變世界的十大技術之一，《Science》2010年將其位列爲十大科學突破第2名，合成生物學也被稱爲是繼DNA雙螺旋發現所催生的分子生物學革命和人類基因組計劃實施所催生的基因組學革命之後的第三次生物技術革命。

一、資本和政策齊至

我們可以從資本的參與熱情感受到行業的溫度。

據Synbiobeta數據，僅2021全年合成生物學初創公司共吸引近180億美元融資，同比增長超過130%，幾乎與2009-2020年該領域產業化以來融資總額之和接近。

進入2022年，僅一季度，國內合成生物融資事件達到12起，有7成項目拿下過億融資額，高瓴、紅杉、經緯、峰瑞資本、光速中國、碧桂園等衆多明星機構紛紛入局。

其中較爲知名的藍晶微生物曾在一年內拿到三輪融資，估值目前已經超過40億，投資方包括高瓴創投、華興資本、碧桂園創投、光速中國等衆多知名投資機構。還有創始人爲95後的態創生物，僅10個月時間拿到四輪累計過億美元融資，也備受行業關注。

在巨大的成長前景面前，雖然現在衆多相關企業都還只是雛形階段，但已經不妨礙資本搶破頭。

據CB Insights數據，2019年全球生物學市場規模達到了53億美元，預計到2024的CAGR爲28.8%，將達到189億美元。據全球管理咨詢公司McKinsey發布的報告《The Bio Revolution》，原則上全球60%的產品可以採用生物法進行生產，到2030-2040年合成生物學每年可以產生約2-4萬億美元的直接經濟影響。據Cefic數據和OECD預測，2020年全球化工品銷售額爲34710億歐元，在未來的10年，全球至少有20%的石化產品可由生物基產品替代。

合成生物學作爲現代生物前沿技術，已經成爲各國必爭的技術高地，各政府政策頻出以促進產業快速發展。

世界經濟合作與發展組織（OECD）2014年發布《合成生物學政策新議題》認爲合成生物學領域前景廣闊，建議各國政府把握機遇；美國早在2006年便成立合成生物學工程研究中心，美國白宮、國會、國防部、科學院、科學基金會等均發布過相關政策支持合成生物學發展；歐盟、德國、英國、日本等發達經濟體也陸續發布政策，其中歐盟《战略創新與研究議程2030》提出“2050年循環生物社會”。

我國政策對於合成生物的關注度同樣逐漸提升：中國“973”、“863”等國家重點基礎研究發展計劃也建立了合成生物學專項；國家發展改革委印發《“十四五”生物經濟發展規劃》中多次提及合成生物領域，提出，“十四五”時期，我國生物技術和生物產業加快發展，生物經濟成爲推動高質量發展的強勁動力等。

二、合成生物學能幹什么？

2013年，一項大名鼎鼎的基因編輯技術——CRISPR-Cas9橫空出世，它直接讓人類擁有了“上帝之手”，可以任意框選想要修改的DNA序列，這項技術獲得了2020年諾貝爾化學獎。

CRISPR技術大大降低了基因編輯的難度和成本，徹底改變了合成生物學。在細胞代謝途徑的構建和改造中，CRISPR技術被廣泛使用，不僅开發和設計出了大量新的基因編輯元件、工具和基因线路，還成功地應用於微生物細胞工廠的構建。

自此，合成生物學的大幕快速拉开。

如果我們把微生物裏的基因看成是各種各樣的代碼，那么合成生物就相當於一項編程工作，可以改變原有的代碼，也可以從無到有把代碼重新寫過。最終產出一個特定功能的軟件，再發展成一個互聯網生態。

如果把基因看成是電子元件，那么最終微生物就類似於一個計算機，我們通過合成生物這種基因編程手段，去設計這些微生物，構建特定的基因回路。再組裝成集成系統連成網絡，最後設計組裝具有特定功能的人工生命系統。

合成生物能有什么用呢？

合成生物學可以廣泛應用於農業、食品、服裝、能源化工燃料、化妝品、環境保護和生物醫藥甚至軍事等領域。

比如對植物基因定向設計，可以改變原有合成代謝通路，提高理想產物的產量，還可以通過植物微生物組工程從而減少肥料使用，做到綠色農業。

再比如Amyris公司通過設計構建生產抗瘧藥物青蒿素的人工酵母細胞，成功使得100立方米工業發酵罐替代了5萬畝農業種植的產能，大大降低了成本，提高產量。

又如Bolt Threads 公司利用通過將轉基因酵母，水和糖組合在一起，通過發酵轉化成生絲。並用這些人工合成蜘蛛絲制成織物成功銷售。

似乎有一種可以從底層思路去創造萬物的既視感。可以說有這樣的潛力，但是過於遙遠。

在當下，在全球碳中和的大背景下，合成生物技術明顯的綠色優勢疊加降本的可能，顯得更爲實際一些。

在原料環節，以糖、油脂等可循環再生物質替代不可再生的化石資源。生物質燃燒或分解放出的CO2量和生物生長過程中從自然界吸收的CO2量相等，因此生物質的生命周期是一個封閉的碳循環。從而更好地維持自然的碳循環，減少對石化資源的依賴。

根據WHO及中科院天津工業生物技術研究所統計，目前生物制造產品平均節能減排30％~50％，未來潛力將達到50％~70％。預計到2030年，生物制造每年可減少二氧化碳排放10億至25億噸。

在生產環節，生物發酵的環境比化工生產中常見的高溫高壓環境更溫和，在能耗上也更具優勢。而在產物提取過程中，生物制造更多採用環境友好型的提取和純化法，替代傳統化學合成的高污染、高腐蝕性的有機溶劑。

合成生物的綠色優勢，符合當下ESG投資理念，也是世界助推的主要原因之一。

三、商業化艱難

合成生物學的生物基產品开發過程整體而言分爲兩個階段，細胞構建和生產規模放大。

細胞構建以“設計‐構建‐檢驗‐學習”循環爲核心，是一套完整的工業化流程。先通過計算機設計DNA，然後嘗試用技術去構建生命系統，再進行細胞培養測試和篩選，最後反饋學習重新設計，直到最終實現預設功能以後，進入小規模試生產。若取得成功，則進行生產規模的放大。

所以合成生物整體的產業鏈可以分成3大類：上遊底層技術、中遊平台及下遊終端產品。

上遊主要爲提供DNA合成、基因編輯等底層技術的公司；中遊是以菌株改造及自動化平台爲核心的平台型公司，通過整合相應技術提供高效且可復用的技術平台；下遊爲利用合成生物學技術生產各領域所需產品的產品型公司。

比較有投資機會的可能是在於壁壘比較高的上遊和相關的軟件及設備，或是能夠上規模的中下遊。但合成生物學行業目前處於非常早期，行業整體滲透率目前只有0.8%。現在去投資的，都是不差錢的大佬，都做好了翻車的心理准備。但是鑑於行業潛力，他們又必須讓自己緊跟這個行業的趨勢。只是很多發展中的難點還未解決。

首先合成生物是一個學科交叉型行業，對專業性人才有綜合要求，對綜合性人才又有專業性要求，也就是需要衆多的高等復合型人才。是否有這么多人才這本身就是一個難題。即使專門建立學院培養，也得好幾年後才有生力軍。

其次合成生物從實驗室研發到工業化生產，每一步都是九死一生。即使能做到最後階段，但是無法量產，那等於白做。

量產是合成生物學最主要的難題之一，不只是各種關鍵設備的問題，更在於這些人造生命體一旦規模化培養，環境的些許變化可能導致這些微生物變異或死亡，產生連鎖反應，影響量產。

國外合成生物學頭部十幾年前Amyris曾以生物燃料爲重要產品方向，但量產的巨大發酵罐裏就充滿了酵母細胞屍體。十年後另一個頭部企業Zymergen設計過一種可折疊的光學薄膜，爲了適用於折疊手機。當Zymergen克服萬難成功生產出這種光學薄膜時，才發現量產遠不及預期。

Zymergen的失敗，其實給整個合成生物學行業潑了一盆冷水。幾個海外龍頭Amyris、Zymergen與Ginkgo的股價，都從去年高點大幅下跌，跌幅多的超過90%。

此外，由於合成生物的應用選擇很廣，所以選擇什么領域推進很重要，一下子選難度過大的品類可能就會重蹈Amyris、Zymergen的覆轍。

國內凱賽生物和華恆生物的選擇還不錯，選擇了有潛力的中間產品，不貪多。他們分別做的是二元酸和丙氨酸，前者是一種化工中間體，可以制成特種尼龍、熱熔膠等等，後者（丙氨酸）是構成蛋白質的基本單位，可以廣泛應用在日化、醫藥及保健品、食品添加劑和飼料等衆多領域。

目前凱賽的二元酸已經成爲全世界最大產能，也是巴斯夫重要的供應商。而華恆則爲丙氨酸全球龍頭。

合成生物學現在僅有一些細分領域進展不錯，對資本來說可能略有失望。不過即使如此卻沒有妨礙各國繼續推進。

或許距離合成生物學全面开花的爆發式增長，仍需要3-5年時間。未來這幾年，可能是底層技術突破驗證和轉化擴容的關鍵時期。

按照波士頓咨詢公司2022年2月的預測，預計到本世紀末，合成生物學手段將廣泛應用在佔全球產出1/3以上的制造業，創造30萬億美元的價值。未來五年，健康與美容、醫療器械和電子等行業將面臨合成生物領域競爭對手的挑战，正如制藥和食品行業已經面臨的挑战。中期而言，許多初創企業已經瞄准化工、紡織、時尚等其他行業。長期來看，合成生物學被寄予了解決能源、農業、醫療、環境、化工等各種復雜挑战的厚望。