01
發(fā)展階段
合成生物學(xué)發(fā)展迅速，其發(fā)展經(jīng)歷大致可以分為4個(gè)階段：
第一階段是合成生物學(xué)的創(chuàng)建時(shí)期（2000—2003年），這個(gè)時(shí)期產(chǎn)生了許多具備領(lǐng)域特征的研究手段和理論，特別是基因線路工程的建立及在代謝工程中的成功運(yùn)用；
第二階段是摸索完善時(shí)期（2004—2007年），這個(gè)時(shí)期的重要特征是雖然領(lǐng)域有擴(kuò)大趨勢，但工程技術(shù)進(jìn)步比較緩慢；
第三階段是快速創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化時(shí)期（2008—2013年）這個(gè)時(shí)期涌現(xiàn)出了大量新技術(shù)和新工程手段，特別是人工合成基因組能力的提升，以及基因組編輯技術(shù)的突破等，從而使合成生物學(xué)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展；
第四階段是飛速發(fā)展新時(shí)期（2014年至今），該時(shí)期研究成果全面提升，特別是酵母染色體的人工合成等領(lǐng)域取得突破性成果，為人類實(shí)現(xiàn)“能力提升”的宏偉目標(biāo)奠定了重要基礎(chǔ)。
02
應(yīng)用領(lǐng)域
合成生物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋醫(yī)藥、化工、能源、食品和農(nóng)業(yè)等重點(diǎn)領(lǐng)域。
在食品領(lǐng)域，涉及人造肉、油、酒、蛋白質(zhì)、食品添加劑和天然功能成分等。例如，PerfectDay和ClaraFoods公司通過合成生物學(xué)技術(shù)開發(fā)合成蛋白類產(chǎn)品，如牛奶、蛋清奶酪等。Calyxt公司的高油酸大豆油是第一款進(jìn)入美國食品供應(yīng)市場的基因編輯大豆油。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域涉及農(nóng)作物及畜牧生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括成本控制、化肥農(nóng)藥減施、生物傳感器等。例如，Agrivida公司開發(fā)的酵素植酸酶Grain可以提高飼料的消化率，減少動(dòng)物體內(nèi)的營養(yǎng)抑制劑。GreenlightBiosciences公司致力于開發(fā)創(chuàng)造高性能的RNA農(nóng)作物，使其精確靶向免疫于特定害蟲，不會(huì)傷害有益昆蟲或在土壤、水中殘留。
03
發(fā)展環(huán)境
1、技術(shù)環(huán)境
與傳統(tǒng)的化學(xué)合成相比，合成生物學(xué)技術(shù)優(yōu)勢顯著。合成生物學(xué)是當(dāng)今生物學(xué)領(lǐng)域的前沿研究方向，合成生物學(xué)技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)化學(xué)合成成為全球醫(yī)藥、食品、材料等領(lǐng)域“綠色合成”的重要途徑。
近年來合成生物學(xué)公司所使用的研究工具和技術(shù)出現(xiàn)了很多突破，使得微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建和測試的能力得到顯著提升，為提高菌種構(gòu)建效率以滿足市場快速變化和多樣的需求提供了重要的機(jī)遇。此外，自動(dòng)化合成生物技術(shù)的出現(xiàn)，不但可以快速積累大批優(yōu)質(zhì)基因功能模塊，建立標(biāo)準(zhǔn)化的合成生命工藝流程，還可以獲得高質(zhì)量的海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式開發(fā)并優(yōu)化對(duì)合成生命進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能預(yù)測的計(jì)算模型。二代測序和基因組編輯的技術(shù)飛躍，特別是融合AI技術(shù)和自動(dòng)化工具組使得成本大幅度下降，基因測序成本以超摩爾速度下降，使得從全基因組層次設(shè)計(jì)和構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠成為可能。與此同時(shí)，更多針對(duì)合成生物行業(yè)的設(shè)備和工具被開發(fā)出來，促進(jìn)了行業(yè)加速發(fā)展。
2、政策環(huán)境
生物制造是我國建設(shè)科技強(qiáng)國的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一，從2010年國務(wù)院把生物制造列為生物產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》和《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》都將合成生物技術(shù)列為“構(gòu)建具有國際競爭力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系”所需的“發(fā)展引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)”之一，明確生物制造是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的主攻方向。
2022年5月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，提出“緊緊圍繞生命科學(xué)和生物技術(shù)發(fā)展變革趨勢，聚焦面向人民群眾在醫(yī)療健康、食品消費(fèi)、綠色低碳、生物安全等領(lǐng)域更高層次需求和大力發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，充分考慮生物技術(shù)賦能經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和條件，優(yōu)先發(fā)展四大重點(diǎn)領(lǐng)域?！鄙虾Ｊ小⒈本┦?、深圳市和天津市等多省市規(guī)劃多次提及合成生物學(xué)，希望促進(jìn)當(dāng)?shù)睾铣缮飳W(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
3、社會(huì)環(huán)境
2020 年9 月22 日，中國國家領(lǐng)導(dǎo)人在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
傳統(tǒng)石化產(chǎn)品通常由石油、天然氣等化石能源提純制造基本化工原料，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)合成。代表性的產(chǎn)品包括塑料、合成纖維、合成橡膠等，其全生產(chǎn)過程帶來大量的碳排放。而生物基產(chǎn)品來源于玉米、秸稈等可再生的生物質(zhì)原料，通過生物轉(zhuǎn)化得到，可用于紡織材料、工程材料、生物燃料等，實(shí)現(xiàn)對(duì)石化基產(chǎn)品的替代。
生物制造是通過植物的光合作用和工業(yè)微生物的“細(xì)胞工廠”間接地把空氣中的 CO2 轉(zhuǎn)變成了生物基材料，用于人類的衣食住行用。“碳中和”將進(jìn)一步催化和推動(dòng)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。生物制造以可再生的物質(zhì)為原材料，生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，可大幅減少二氧化碳排放。以華恒生物用合成生物學(xué)生產(chǎn)L-丙氨酸為例，該公司每生產(chǎn) 1 噸 L-丙氨酸理論上二氧化碳排放減少到 0.5 噸。以碳稅為代表的碳中和政策逐步落地，會(huì)進(jìn)一步拉開生物制造對(duì)傳統(tǒng)工藝的成本優(yōu)勢，生物制造產(chǎn)業(yè)也將迎來更大的發(fā)展。
04
各國政策
1、美國
美國早在 2006 年便成立合成生物學(xué)工程研究中心，自 2019 年開始連續(xù) 3 年發(fā)布 了《工程生物學(xué)：下一代生物經(jīng)濟(jì)的研究路線圖》、《微生物組工程：下一代生物經(jīng)濟(jì) 研究路線圖》和《工程生物學(xué)與材料科學(xué)：跨學(xué)科創(chuàng)新研究路線圖》等合成生物學(xué)相 關(guān)領(lǐng)域的研究路線圖；2021 年，出臺(tái)《2021 美國創(chuàng)新與競爭法案》，將合成生物學(xué)列 為關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)布局領(lǐng)域之一。2022 年 9 月，啟動(dòng)“國家生物技術(shù)和生物制造計(jì) 劃”，宣布提供 20 多億美元的資金加速生物技術(shù)創(chuàng)新；2023 年 3 月，公布《美國生物 技術(shù)和生物制造的明確目標(biāo)》，提出 5 年內(nèi)，基于生物質(zhì)或二氧化碳生產(chǎn)食品級(jí)蛋白 質(zhì)，3 周完成小分子或酶設(shè)計(jì)，30 天內(nèi)構(gòu)建和測量單細(xì)胞，3 個(gè)月將生物工藝擴(kuò)大至 商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模；20 年內(nèi)，用生物基替代品取代 90%以上的塑料，生物制造滿足至少 30%的化學(xué)品需求，收集和處理 12 億噸生物質(zhì)原料，轉(zhuǎn)化 6000 萬噸二氧化碳為燃料和 產(chǎn)品等。
2、英國
英國政府 2012 年通過“合成生物促進(jìn)增長計(jì)劃”，向 MRC 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室等 6 個(gè)合成生物研究中心投入 7000 萬英鎊，進(jìn)一步擴(kuò)大合成生物的發(fā)展規(guī)模。英國政 府還通過英國科學(xué)院（British Academy）開展進(jìn)一步投資，包括國防科技實(shí)驗(yàn)室、英 國環(huán)境部未來農(nóng)業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃、生命科學(xué)辦公室新型疫苗計(jì)劃等。此外，“合成生物促進(jìn) 增長計(jì)劃”還在英國建立了一批合成生物基礎(chǔ)設(shè)施。重點(diǎn)合成生物基礎(chǔ)設(shè)施布里斯托 爾以及愛丁堡的生物經(jīng)濟(jì)都在蓬勃發(fā)展。2023 年 12 月，英國科學(xué)、創(chuàng)新和技術(shù)部發(fā) 布《國家工程生物學(xué)愿景》，提出將投入 20 億英鎊發(fā)展工程生物學(xué)，推動(dòng)醫(yī)藥、食品 和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的變革。
3、歐盟
歐盟 2019 年在《面向生物經(jīng)濟(jì)的歐洲化學(xué)工業(yè)路線圖》中設(shè)立目標(biāo)，2030 年將 生物基產(chǎn)品或可再生原料替代份額增加到 25%。2020 年 3 月 20 日,歐盟生物基產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(BIC)發(fā)布《戰(zhàn)略創(chuàng)新與研究議程(SIRA 2030)》報(bào)告草案,提出“2050 年循環(huán)生物社 會(huì)”的愿景，即“一個(gè)具有競爭力、創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的歐洲，引領(lǐng)向循環(huán)型生物經(jīng) 濟(jì)的轉(zhuǎn)變，使經(jīng)濟(jì)增長與資源枯竭和環(huán)境影響脫鉤”。為實(shí)現(xiàn)“2050 年愿景”中“在 循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)中創(chuàng)造就業(yè)和增長”的驅(qū)動(dòng)力，必須加快卓越的和可持續(xù)的生物基解決 方案的商業(yè)化。大規(guī)模實(shí)行這些解決方案將激發(fā)生物部門的創(chuàng)業(yè)精神，將發(fā)明者與投 資者聯(lián)系起來，并通過公共資金杠桿化私人資本投資。大規(guī)模的生物基產(chǎn)業(yè)將在農(nóng) 村、沿海和城市地區(qū)創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)。
4、德國
德國 2010 年發(fā)布《國家研究戰(zhàn)略“生物經(jīng)濟(jì) 2030”》，提出要在自然材料循環(huán)的 基礎(chǔ)上建立可持續(xù)發(fā)展的生物經(jīng)濟(jì)；2013 年發(fā)布《國家生物經(jīng)濟(jì)政策戰(zhàn)略》，旨在支 持可持續(xù)的生物經(jīng)濟(jì)這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)和措施；2020 年發(fā)布新《國家生物經(jīng)濟(jì)政策 戰(zhàn)略》，為開發(fā)德國生物經(jīng)濟(jì)的全部潛力提供條件，加強(qiáng)其作為生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)導(dǎo)者的作 用，同時(shí)，聯(lián)邦政府通過了至 2024 年投入 36 億歐元的生物經(jīng)濟(jì)行動(dòng)計(jì)劃，以幫助可 持續(xù)資源取代日常產(chǎn)品中的化石原料。
5、法國
法國 2009 年發(fā)布《國家研究與創(chuàng)新戰(zhàn)略》，將新興學(xué)科“合成生物學(xué)”列為了 “優(yōu)先挑戰(zhàn)”；2010 年，成立合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)與合成生物學(xué)研究所，用以普及 和推動(dòng)本國合成生物學(xué)發(fā)展；2011 年成立合成生物學(xué)工作組，指出法國可以在該領(lǐng)域 “爭取在全球排名第二或第三”。2013 年發(fā)布《國家研究戰(zhàn)略：法國-歐洲 2020》，推 進(jìn)系統(tǒng)生物學(xué)博士教育與繼續(xù)教育，培養(yǎng)研究人員；建設(shè)系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物的多 學(xué)科中信，開展從物理、數(shù)學(xué)建模到生物試驗(yàn)的全階段研發(fā)；建設(shè)醫(yī)學(xué)測序平臺(tái)，手 機(jī)生物數(shù)據(jù)，推進(jìn)生物建模。2018 年發(fā)布《法國國家生物生產(chǎn)戰(zhàn)略》，向公眾推廣生 物經(jīng)濟(jì)極其產(chǎn)品；2021 年發(fā)布《法國健康創(chuàng)新 2030 戰(zhàn)略》，目標(biāo)是支持法國作為歐洲 第一的衛(wèi)生健康創(chuàng)新國家，該計(jì)劃將利用未來投資計(jì)劃等資金，投入 70 億歐元，通過 資助生物醫(yī)學(xué)研究，三大加速戰(zhàn)略等 7 個(gè)重點(diǎn)舉措來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。
6、加拿大
加拿大 2020 年發(fā)布《加拿大工程生物學(xué)白皮書》，在該白皮書中，加拿大本國的 專家們論述強(qiáng)調(diào)了合成生物學(xué)對(duì)于加拿大的重要性。
7、韓國
韓國 2022 年發(fā)布《第五次科技總體規(guī)劃/國家戰(zhàn)略技術(shù)培育計(jì)劃》，提出擴(kuò)大合成 生物學(xué)、數(shù)字生物技術(shù)等先進(jìn)生物技術(shù)的研究開發(fā)，在 12 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之外，將合成生 物學(xué)等列為未來有希望的技術(shù)領(lǐng)域，推出“國家生物合成生物學(xué)計(jì)劃”，預(yù)期未來 10 年內(nèi)促進(jìn) 30%的制造業(yè)向生物產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。
8、日本
自 1971 年以來，日本政府在制定科技政策與規(guī)劃時(shí)均生物技術(shù)將作為重點(diǎn)推進(jìn)領(lǐng) 域。一系列政策與規(guī)劃的實(shí)施，促進(jìn)了日本生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展；2001 年，日本 經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)集群計(jì)劃，促進(jìn)了一系列生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的快速發(fā)展。2002 年，日本出臺(tái)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)立國的國家戰(zhàn)略，力爭將生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)成國家支柱產(chǎn) 業(yè)。日本《第二期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2001-2005）》將生命科學(xué)確定為研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng) 域之一。日本《第三期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2006-2010）》提出了“世界頂級(jí)研究基地 形成促進(jìn)計(jì)劃”。2007 年，日本發(fā)布《創(chuàng)新 25 戰(zhàn)略》，實(shí)施并將建成多個(gè)生物技術(shù)世 界頂級(jí)國際研究基地。日本《第四期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2011-2015）》重點(diǎn)突出將包 含轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)等在內(nèi)的技術(shù)領(lǐng)域確定為研發(fā)方向。日本《第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì) 劃（2016-2020）》圍繞生物技術(shù)等能夠創(chuàng)造新價(jià)值的核心優(yōu)勢技術(shù)，設(shè)定了富有挑戰(zhàn) 性的中長期發(fā)展目標(biāo)并投入了巨額的資金，有效促進(jìn)了生物技術(shù)基礎(chǔ)研究的發(fā)展。
2019 年，日本發(fā)布《集成創(chuàng)新戰(zhàn)略 2019》，并在附件中正式推出《生物戰(zhàn)略 2019》， 再次確認(rèn)生物技術(shù)的戰(zhàn)略地位，強(qiáng)調(diào)“力爭通過發(fā)揮日本的工業(yè)制造優(yōu)勢并融合 IT 技 術(shù)，為開拓和擴(kuò)大市場、解決社會(huì)問題及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)等做貢獻(xiàn)”。2020 年， 在《生物戰(zhàn)略 2019》的基礎(chǔ)之上，日本政府還進(jìn)一步制定了更為詳細(xì)的生物戰(zhàn)略基本 實(shí)施措施，即《生物戰(zhàn)略 2020》。在國家層面戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下，如經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、文部科 學(xué)省等日本各政府部門直接提及合成生物學(xué)的頻率大幅增加，投資和布局主要方向集 中在了：植物高附加值產(chǎn)物生產(chǎn)、藥物研發(fā)、基因治療等領(lǐng)域。近日，據(jù)日本《產(chǎn)經(jīng) 新聞》報(bào)道，日本政府為實(shí)現(xiàn) 2050 年碳中和的目標(biāo)，擬將“合成生物”技術(shù)投入實(shí)際 使用。
9、新加坡
2000 年新加坡就開始成為全球生物技術(shù)中心，當(dāng)時(shí)提出“國家生物醫(yī)學(xué)科學(xué)戰(zhàn) 略”，并在之后加大了投入。據(jù) MTI 稱，2006 年至 2015 年間，新加坡政府向生物醫(yī)學(xué) 科學(xué)領(lǐng)域投入了約 73 億新元（55 億美元）；2016 年，又根據(jù)一項(xiàng)五年研發(fā)支出計(jì)劃投 入了 40 億新元（約合 30 億美元）。新加坡國立研究基金會(huì)于 2018 年宣布資助一項(xiàng)國 家合成生物學(xué)研發(fā)計(jì)劃。
10、澳大利亞
2021 年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）發(fā)布《國家合成生物學(xué)路 線圖》，旨在提升公眾對(duì)現(xiàn)有國家能力的認(rèn)識(shí)，概述了戰(zhàn)略增長機(jī)遇，并提出了相關(guān)建 議。在過去 3 年中，澳大利亞持續(xù)支持合成生物學(xué)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)，共計(jì)投入了 4450 萬美元的研究資助，同時(shí)還建立了研究轉(zhuǎn)化和商業(yè)化支持計(jì)劃。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)架構(gòu)看，許多國家都成立了合成生物學(xué)相關(guān)協(xié)會(huì)，與合成生物學(xué) 的專家建立聯(lián)系，并成立利益集團(tuán)，促進(jìn)該領(lǐng)域的互動(dòng)、合作、教育、技術(shù)轉(zhuǎn)讓或決策等。例如，德國合成生物學(xué)協(xié)會(huì)（GASB）、美國工程生物學(xué)研究聯(lián)盟（EBRC）、加拿 大合成生物學(xué)（SynBio Canada）、法國合成生物學(xué)協(xié)會(huì)（AFBS），新加坡合成生物學(xué)聯(lián) 合會(huì)（SINERGY）、歐洲合成生物學(xué)協(xié)會(huì)（EuSynBioS）、澳大利亞合成生物學(xué)（SBA）， 以及亞洲合成生物學(xué)協(xié)會(huì)（ASBA）、非洲合成生物學(xué)論壇（SynBio Africa）、Omic Engine（希臘合成生物學(xué)設(shè)施）等。
