近日，BCG与B Capital联合推出报告《中国合成生物学产业白皮书2024》，介绍了合成生物学的发展趋势、产业链分布与投资情况等。
定义与分类
合成生物学是一门基于工程化的设计理念，结合生物学、化学、医学、农学、工程学、计算机与数据科学等交叉学科技术，旨在改造或创造人造生命体系的新兴学科，在科技和产业创新两个层面均具备全面颠覆现有格局的潜力。
狭义的合成生物学包括两大方向:“自上而下”地“改造生命”(将全新功能引入活细胞等生命体或生物-非生物混合系统)；“自下而上”地“创造生命”(体外合成全新生命系统)。
从广义的产业分类而言，合成生物学产业可被界定为以生物基材料替代化石基材料、以生物技术路线替代传统化工技术路线的科技产业。
产业链和底层技术
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,关注底层技术颠覆及提效降本。
中游是对生物系统及生物体进行设计、改造的技术平台，核心技术为路径开发，注重合成路线的选择以及技术上跑通(如底盘细胞选择及改造、培养条件优化、纯化方法开发等)，与下游企业相比，更强调技术平台的通用性，潜在具备CRO属性。
下游则涉及人类衣食住行方方面面的应用开发和产品落地，核心技术在于大规模生产的成本、批间差及良品率等的把控，与中游企业相比，更强调应用领域的聚焦、产品的精细打磨及商业化放量。其中在大规模生产上，潜在具备CDMO属性。
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。
根据价值链所处位置来看，上游使能技术繁多，各企业通常聚焦某一技术领域如二代合成、三代测序、新一代基因编辑工具、仿真测试、自动化/高通量设备等。中下游企业又可分为平台型和产品型两类。平台型公司中，领先企业已开始以CRDMO模式提供全链条的工程化开发及转化服务，且可按技术路线分为体内平台和体外平台(如酶工程平台)。产品型公司又可按照下游应用、使用技术、产品属性等不同维度进行归类。
市场规模
全球合成生物学产业过去五年经历了高速增长，市场规模从2018年的53亿美元增长到2023年的超过170亿美元，平均年增长率达27%。预计全球合成生物市场在可见的未来仍将保持较快发展势头，在2028年将成长为体量达到近500亿美元的全球型市场。
合成生物学产业的发展带来了一大批行业应用场景。近期(五年以内)工业化成果主要围绕各大领域中先发探索话题的散点突破，如化学和材料中的部分基础化学品及聚合物，农业和食品中的少数食品添加剂、植物蛋白及发酵蛋白作为替代蛋白，医疗保健中创新细胞和基因疗法、部分原料药合成，以及消费品中的部分功能性小分子和重组胶原蛋白技术等。
在中期(五至十年间)，围绕各大领域的应用进一步拓展，并实现部分全新子品类的技术突破和规模化生产，如材料领域的高性能蛋白、食品领域的细胞培养蛋白、农业领域的共生固氮技术、医药领域的工程菌疗法等。
在远期(超过十年)，合成生物学一方面有望在热门应用领域中在当前科研尚处早期或技术瓶颈较大的话题上实现工业化跑通，如活体功能材料、光合作用优化、器官再生等，另一方面，也预期将在生物质燃料环保等新领域进一步发挥作用。
在食品与营养领域的应用
“食品与营养”可粗分为食品添加剂和替代蛋白两大类;除需兼顾成本优势和技术优势外，口味、口感等的复刻也常常成为商业化时不可忽视的挑战。
1、食品添加剂
食品添加剂和配料包括营养强化剂、抗氧化剂、甜味剂、着色剂、保鲜剂、稳定剂增稠剂、新食品原料、功能性配料等。其中，营养强化剂指为了增加食品的营养价值而加入到食品中的天然或人工合成的营养素，按照来源不同，可分为来源于动植物的天然营养强化剂和人工合成营养强化剂两大类。
根据中国食品工业协会的公开资料显示，国内食品添加剂和配料行业产业规模不断扩大，2016年至2022年，食品添加剂产量从1056万吨增长到1530万吨，年均增长6.4%:销售额从1035亿元人民币增长到1441亿元人民币，年均增长5.7%。巨大的终端市场意味着食品添加剂和配料的市场机会非常县有吸引力。
目前，国内代表企业在花生四烯酸(arachidonic acid，ARA)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid，DHA)市场已经实现突破，采用微生物发酵法生产。ARA和DHA的原料来源和生产方法发展历程体现了生物发酵法的优势。ARA传统方法从动物肝脏和蛋黄中获得，DHA则主要从鱼油中获得，动物来源原料存在含量低、品质差异性大等缺点。20世纪90年代，ARA和DHA生产分别实现技术突破，可通过高山被孢和裂殖壶生物发酵生产。国内代表企业嘉必优在2022年实现收入4.33亿元，毛利率达到42%
合成生物学在食品及营养领域应用的另一大方向为替代蛋白，即非动物来源的蛋白质，主要应用包括肉、奶、蛋等。其中，植物基蛋白商业化进程较快，国内外已有大量商业化案例，且大豆蛋白、豌豆蛋白市场接受程度较高:但微生物发酵蛋白和细胞培养蛋白虽有较高商业化潜力但市场仍需教育，商业化处于起步阶段。
让消费者接受替代蛋白的关键在于口味口感及平价，即替代蛋白的感官和味道必须和动物来源的一样好，且在价格上与动物蛋白持平或者更低。而要实现这一目标将经历三个阶段，达成目标的时间在一定程度上取决于替代蛋白的来源和被替代的产品:第一阶段,用大豆、豌豆和其他植物蛋白制成的肉类、乳制品、蛋类等的替代品实现与动物蛋白价格持平；第二阶段，由真菌(如酵母)、单细胞藻类、细菌等微生物制成的替代蛋白预计于2025年实现与动物蛋白价格持平；第三阶段，直接由动物细胞培养出的替代蛋白预计于2032年实现与天然的动物蛋白价格持平。
替代蛋白的全球消费量预计在2035年将达9700万吨，届时植物蛋白仍将占据主要体量(71%)，发酵蛋白其次(23%)、细胞培养蛋白最低(6%)。但从增速来看，发酵蛋白和细胞培养蛋白将在2025年之后迎来强劲增长。
从技术视角看，植物蛋白、发酵蛋白和细胞培养蛋白的产品开发难度依次提升。植物蛋白作为最常见的替代蛋白，其在合成生物学方面的技术挑战较低，主要在于需要添加合成大豆血红蛋白来改善口感。细胞培养蛋白的技术难度最大，主要由于细胞衰老快、培养基成本高、味道和质地模仿难度大,海外围绕替代蛋白开拓新应用、探索新路线的公司众多但中国企业在该领域关注度相对有限。截至2021年底，全球共有近110家专注细胞培养肉开发的初创公司，仅2021年就新增21家。此外，替代蛋白在微生物发酵乳、植物合成蛋/蛋黄酱和纯素胶原蛋白领域也有相关公司，例如美国的Perfect Day和Eat Just。
农业应用
农业是合成生物学近年来的重点研究方向之一，包括农作物(包括粮食作物和经济作物)、畜牧水产等主要领域。中国人均耕地面积少，生物科技的应用尤为关键。此外，根据BCG研究，农业排放占全球人类活动温室气体排放总量的17%。来自农业体系的温室气体排放往往会造成更高的温室效应，主要原因在于农业排放中的甲烷及氨氧化物占比较高。中国是农业排放的大国，农业减排道路任重道远。
在农业领域，合成生物学的研究重点围绕减少肥料使用、减少碳排放、强化病害防控、提高生长效率等话题开展，但行业整体仍处于早期。例如，从技术角度来看，合成生物学在农业应用中目前主要围绕微生物改造植物改造并未达到严格意义上的系统性重构遗传及代谢体系。
粮食作物领域又可分为育种、作物保护、作物营养等赛道，合成生物学在各细分领域均可发挥作用。其中，部分设计育种、固氮肥料和微生物农药已实现商业化。以育种为例，合成生物学应用主要分为三类:通过野生植物驯化，提升产量和质量，具备广阔的市场空间但尚未商业化:提高果实质量、固、抗虫抗药等性能改造的应用具有广泛的应用场景且进展快，已有多种产品上市:通过合成生物学来促进羧化反应，提高光能利用，降低光呼吸损失，也具有巨大潜在价值，但尚未实现商业化。
此外，合成生物学还可用于新型农药开发，包括RNAi/微生物农药和植物源农药，除虫效率更高，也取得了较多进展和产品布局。此外，还可利用合成生物学来搭建光自养平台，能覆盖诸多产业，想象空间巨大。
合成生物学在农业上的应用还面临市场、监管、资金、技术四个方面的挑战。在市场端,“转基因作物”部分消费者认可不足,存在反对声浪，大部分地区育种难以集约化推广监管端，在以中国为代表的地区，肥料、农药等生物制剂因存在生态风险，存在审批挑战审批时间甚至可达十年:资金端，除部分成熟市场外，大型农业公司较少，行业发展缺乏有力投资:技术端，植物天然性状改造仍存在“卡脖子”，以植物的自身固氮为例，存在固氮酶存于叶片细胞中氮气接触不足等问题。
国际上提出了农业合成生物学三个发展阶段的战略目标，即推动人工光合体系、固氮体系及生物抗逆体系三大方面的技术发展应用，这三大技术发展方向同样是中国在技术跨越阶段(2020年-2025年)的首要目标:中国还计划在2026年-2030年进入产业跨越阶段，人工固氮和部分抗逆品种、新一代酶制剂与农药等实现产业化，农业合成生物技术研发水平跻身世界先进行列:在2031年-2035年进入整体跨越阶段，中国农业合成生物技术研究开发与产业化整体达到世界先进水平。
资本投入
根据Pitchbook数据显示，在2017年至2021年的五年间，全球合成生物市场对风险投资和私募股权投资者的吸引力不断提升。2021年，合成生物市场吸引投资达到近年来高点融资额达87亿美元，融资笔数达391笔。在投资者的支持下，合成生物学的技术应用及场景拓展进入快速发展通道。2022年之后资本市场逐渐回归理性。2022年，全球合成生物融资额为54亿美元，融资笔数为376笔。2023年前三季度，资本市场融资额20亿美元，融资笔数193笔，较前一年同期亦有所下降。在此背景下，市场估值环境也进一步向理性发展。
在国内资本市场，合成生物学也是一个高度活跃的赛道。从2017年至2021年的五年间，风投及私募股权投资额从5100万美元上升至19亿美元，融资笔数从12笔上升至74笔2021年也是国内合成生物资本投资的大年。2021年10月，国内合成生物美公司巨子生物以11美元A轮融资额，成为当年度单笔融资最大的合成生物投资项目(73.6亿元人民币)。
中国合成生物市场与全球高度协同，因此进入2022年以来资本市场进入相对冷静期，2022年，国内合成生物赛道融资额接近11亿美元，融资笔数93笔。2023年前三季度，国内资本市场融资额5.5亿美元，融资笔数58笔。
（文章来源：诺赛国际医学研究院）
