近日，BCG與B Capital聯合推出報告《中國合成生物學產業白皮書2024》，介紹了合成生物學的發展趨勢、產業鏈分布與投資情況等。
定義與分類
合成生物學是一門基于工程化的設計理念，結合生物學、化學、醫學、農學、工程學、計算機與數據科學等交叉學科技術，旨在改造或創造人造生命體系的新興學科，在科技和產業創新兩個層面均具備全面顛覆現有格局的潛力。
狹義的合成生物學包括兩大方向:“自上而下”地“改造生命”(將全新功能引入活細胞等生命體或生物-非生物混合系統)；“自下而上”地“創造生命”(體外合成全新生命系統)。
從廣義的產業分類而言，合成生物學產業可被界定為以生物基材料替代化石基材料、以生物技術路線替代傳統化工技術路線的科技產業。
產業鏈和底層技術
合成生物學產業鏈可分為上、中、下游三個環節。上游聚焦使能技術的開發，包括讀-寫-編-學、自動化/高通量化和生物制造等,關注底層技術顛覆及提效降本。
中游是對生物系統及生物體進行設計、改造的技術平臺，核心技術為路徑開發，注重合成路線的選擇以及技術上跑通(如底盤細胞選擇及改造、培養條件優化、純化方法開發等)，與下游企業相比，更強調技術平臺的通用性，潛在具備CRO屬性。
下游則涉及人類衣食住行方方面面的應用開發和產品落地，核心技術在于大規模生產的成本、批間差及良品率等的把控，與中游企業相比，更強調應用領域的聚焦、產品的精細打磨及商業化放量。其中在大規模生產上，潛在具備CDMO屬性。
中下游企業之間并無明確界限，現階段行業整體尚處在產業發展早期，不少生物技術公司實質上為中下游一體化布局。
根據價值鏈所處位置來看，上游使能技術繁多，各企業通常聚焦某一技術領域如二代合成、三代測序、新一代基因編輯工具、仿真測試、自動化/高通量設備等。中下游企業又可分為平臺型和產品型兩類。平臺型公司中，領先企業已開始以CRDMO模式提供全鏈條的工程化開發及轉化服務，且可按技術路線分為體內平臺和體外平臺(如酶工程平臺)。產品型公司又可按照下游應用、使用技術、產品屬性等不同維度進行歸類。
市場規模
全球合成生物學產業過去五年經歷了高速增長，市場規模從2018年的53億美元增長到2023年的超過170億美元，平均年增長率達27%。預計全球合成生物市場在可見的未來仍將保持較快發展勢頭，在2028年將成長為體量達到近500億美元的全球型市場。
合成生物學產業的發展帶來了一大批行業應用場景。近期(五年以內)工業化成果主要圍繞各大領域中先發探索話題的散點突破，如化學和材料中的部分基礎化學品及聚合物，農業和食品中的少數食品添加劑、植物蛋白及發酵蛋白作為替代蛋白，醫療保健中創新細胞和基因療法、部分原料藥合成，以及消費品中的部分功能性小分子和重組膠原蛋白技術等。
在中期(五至十年間)，圍繞各大領域的應用進一步拓展，并實現部分全新子品類的技術突破和規模化生產，如材料領域的高性能蛋白、食品領域的細胞培養蛋白、農業領域的共生固氮技術、醫藥領域的工程菌療法等。
在遠期(超過十年)，合成生物學一方面有望在熱門應用領域中在當前科研尚處早期或技術瓶頸較大的話題上實現工業化跑通，如活體功能材料、光合作用優化、器官再生等，另一方面，也預期將在生物質燃料環保等新領域進一步發揮作用。
在食品與營養領域的應用
“食品與營養”可粗分為食品添加劑和替代蛋白兩大類;除需兼顧成本優勢和技術優勢外，口味、口感等的復刻也常常成為商業化時不可忽視的挑戰。
1、食品添加劑
食品添加劑和配料包括營養強化劑、抗氧化劑、甜味劑、著色劑、保鮮劑、穩定劑增稠劑、新食品原料、功能性配料等。其中，營養強化劑指為了增加食品的營養價值而加入到食品中的天然或人工合成的營養素，按照來源不同，可分為來源于動植物的天然營養強化劑和人工合成營養強化劑兩大類。
根據中國食品工業協會的公開資料顯示，國內食品添加劑和配料行業產業規模不斷擴大，2016年至2022年，食品添加劑產量從1056萬噸增長到1530萬噸，年均增長6.4%:銷售額從1035億元人民幣增長到1441億元人民幣，年均增長5.7%。巨大的終端市場意味著食品添加劑和配料的市場機會非常縣有吸引力。
目前，國內代表企業在花生四烯酸(arachidonic acid，ARA)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid，DHA)市場已經實現突破，采用微生物發酵法生產。ARA和DHA的原料來源和生產方法發展歷程體現了生物發酵法的優勢。ARA傳統方法從動物肝臟和蛋黃中獲得，DHA則主要從魚油中獲得，動物來源原料存在含量低、品質差異性大等缺點。20世紀90年代，ARA和DHA生產分別實現技術突破，可通過高山被孢和裂殖壺生物發酵生產。國內代表企業嘉必優在2022年實現收入4.33億元，毛利率達到42%
合成生物學在食品及營養領域應用的另一大方向為替代蛋白，即非動物來源的蛋白質，主要應用包括肉、奶、蛋等。其中，植物基蛋白商業化進程較快，國內外已有大量商業化案例，且大豆蛋白、豌豆蛋白市場接受程度較高:但微生物發酵蛋白和細胞培養蛋白雖有較高商業化潛力但市場仍需教育，商業化處于起步階段。
讓消費者接受替代蛋白的關鍵在于口味口感及平價，即替代蛋白的感官和味道必須和動物來源的一樣好，且在價格上與動物蛋白持平或者更低。而要實現這一目標將經歷三個階段，達成目標的時間在一定程度上取決于替代蛋白的來源和被替代的產品:第一階段,用大豆、豌豆和其他植物蛋白制成的肉類、乳制品、蛋類等的替代品實現與動物蛋白價格持平；第二階段，由真菌(如酵母)、單細胞藻類、細菌等微生物制成的替代蛋白預計于2025年實現與動物蛋白價格持平；第三階段，直接由動物細胞培養出的替代蛋白預計于2032年實現與天然的動物蛋白價格持平。
替代蛋白的全球消費量預計在2035年將達9700萬噸，屆時植物蛋白仍將占據主要體量(71%)，發酵蛋白其次(23%)、細胞培養蛋白最低(6%)。但從增速來看，發酵蛋白和細胞培養蛋白將在2025年之后迎來強勁增長。
從技術視角看，植物蛋白、發酵蛋白和細胞培養蛋白的產品開發難度依次提升。植物蛋白作為最常見的替代蛋白，其在合成生物學方面的技術挑戰較低，主要在于需要添加合成大豆血紅蛋白來改善口感。細胞培養蛋白的技術難度最大，主要由于細胞衰老快、培養基成本高、味道和質地模仿難度大,海外圍繞替代蛋白開拓新應用、探索新路線的公司眾多但中國企業在該領域關注度相對有限。截至2021年底，全球共有近110家專注細胞培養肉開發的初創公司，僅2021年就新增21家。此外，替代蛋白在微生物發酵乳、植物合成蛋/蛋黃醬和純素膠原蛋白領域也有相關公司，例如美國的Perfect Day和Eat Just。
農業應用
農業是合成生物學近年來的重點研究方向之一，包括農作物(包括糧食作物和經濟作物)、畜牧水產等主要領域。中國人均耕地面積少，生物科技的應用尤為關鍵。此外，根據BCG研究，農業排放占全球人類活動溫室氣體排放總量的17%。來自農業體系的溫室氣體排放往往會造成更高的溫室效應，主要原因在于農業排放中的甲烷及氨氧化物占比較高。中國是農業排放的大國，農業減排道路任重道遠。
在農業領域，合成生物學的研究重點圍繞減少肥料使用、減少碳排放、強化病害防控、提高生長效率等話題開展，但行業整體仍處于早期。例如，從技術角度來看，合成生物學在農業應用中目前主要圍繞微生物改造植物改造并未達到嚴格意義上的系統性重構遺傳及代謝體系。
糧食作物領域又可分為育種、作物保護、作物營養等賽道，合成生物學在各細分領域均可發揮作用。其中，部分設計育種、固氮肥料和微生物農藥已實現商業化。以育種為例，合成生物學應用主要分為三類:通過野生植物馴化，提升產量和質量，具備廣闊的市場空間但尚未商業化:提高果實質量、固、抗蟲抗藥等性能改造的應用具有廣泛的應用場景且進展快，已有多種產品上市:通過合成生物學來促進羧化反應，提高光能利用，降低光呼吸損失，也具有巨大潛在價值，但尚未實現商業化。
此外，合成生物學還可用于新型農藥開發，包括RNAi/微生物農藥和植物源農藥，除蟲效率更高，也取得了較多進展和產品布局。此外，還可利用合成生物學來搭建光自養平臺，能覆蓋諸多產業，想象空間巨大。
合成生物學在農業上的應用還面臨市場、監管、資金、技術四個方面的挑戰。在市場端,“轉基因作物”部分消費者認可不足,存在反對聲浪，大部分地區育種難以集約化推廣監管端，在以中國為代表的地區，肥料、農藥等生物制劑因存在生態風險，存在審批挑戰審批時間甚至可達十年:資金端，除部分成熟市場外，大型農業公司較少，行業發展缺乏有力投資:技術端，植物天然性狀改造仍存在“卡脖子”，以植物的自身固氮為例，存在固氮酶存于葉片細胞中氮氣接觸不足等問題。
國際上提出了農業合成生物學三個發展階段的戰略目標，即推動人工光合體系、固氮體系及生物抗逆體系三大方面的技術發展應用，這三大技術發展方向同樣是中國在技術跨越階段(2020年-2025年)的首要目標:中國還計劃在2026年-2030年進入產業跨越階段，人工固氮和部分抗逆品種、新一代酶制劑與農藥等實現產業化，農業合成生物技術研發水平躋身世界先進行列:在2031年-2035年進入整體跨越階段，中國農業合成生物技術研究開發與產業化整體達到世界先進水平。
資本投入
根據Pitchbook數據顯示，在2017年至2021年的五年間，全球合成生物市場對風險投資和私募股權投資者的吸引力不斷提升。2021年，合成生物市場吸引投資達到近年來高點融資額達87億美元，融資筆數達391筆。在投資者的支持下，合成生物學的技術應用及場景拓展進入快速發展通道。2022年之后資本市場逐漸回歸理性。2022年，全球合成生物融資額為54億美元，融資筆數為376筆。2023年前三季度，資本市場融資額20億美元，融資筆數193筆，較前一年同期亦有所下降。在此背景下，市場估值環境也進一步向理性發展。
在國內資本市場，合成生物學也是一個高度活躍的賽道。從2017年至2021年的五年間，風投及私募股權投資額從5100萬美元上升至19億美元，融資筆數從12筆上升至74筆2021年也是國內合成生物資本投資的大年。2021年10月，國內合成生物美公司巨子生物以11美元A輪融資額，成為當年度單筆融資最大的合成生物投資項目(73.6億元人民幣)。
中國合成生物市場與全球高度協同，因此進入2022年以來資本市場進入相對冷靜期，2022年，國內合成生物賽道融資額接近11億美元，融資筆數93筆。2023年前三季度，國內資本市場融資額5.5億美元，融資筆數58筆。
（文章來源：諾賽國際醫學研究院）
