化石能源是一種有限的資源，隨著人類歷史的快速進步和發展，能源枯竭問題亟待解決；再加上人類活動對化石資源的依賴與日俱增，環境污染、安全風險等問題也逐漸浮出水面。人類開始尋找一種更為清潔、且可持續發展的能源去替代傳統化石能源，合成生物技術的出現為人類提供了一種全新的解決方案。

20世紀90年代，基因組學與系統生物學逐漸興起，為合成生物學的誕生奠定了技術基礎。21世紀初，科學家們嘗試在現代生物學與系統生物學的基礎上引入工程學思想和策略，誕生了學科高度交叉的合成生物學，成為近年來發展最為迅猛的新興前沿交叉學科之一。

合成生物技術是綜合了科學與工程的一項嶄新的生物技術，借助生命體高效的代謝系統，通過基因編輯技術改造生命體以設計合成，使得在生物體內定向、高效組裝物質和材料逐步成為可能，該技術應用于生物材料、生物燃料、生物醫藥等多個領域。

合成生物學的“高效細胞微工廠”示意圖

具體而言，合成生物學是將生物體進行定向改造成為“高效細胞微工廠”，然后將原材料物質通過細胞工廠進行定向化、高效化、大規模化加工與轉化，以產出目標新材料產品。這是一種革命性的生產方式，整個生產過程綠色、條件溫和，能有效解決人類對傳統石化、化工產品的過度依賴，且伴隨而來的環境污染、安全風險等問題。

從理論上看，通過合成生物技術進行的物質生產可以替代絕大多數以化石能源生產的石油化學品，甚至還可以合成傳統化工法不能合成的新材料，未來發展空間不可限量。動脈網對海內外深耕合成生物學產業的企業進行了梳理，看看最前沿的合成生物學技術都正在為哪些場景賦能？又將徹底替代哪些化工產品、產出了哪些新材料？

從醫療到農業，盤點合成生物學的4大應用場景

誰也不曾想到，人類幾千年來一直用于啤酒生產的發酵技術，在21世紀迎來了新的應用場景——利用微生物定向合成目標產物，這項技術已經在基因組學與系統生物學的加持下變為了現實。

早在2002年，美國科學家文特爾小組首次合成了一套完整的phi X 174病毒基因組，引起了人們對合成生物學的關注；2008年，該科學小組人工合成了生殖道支原體（Mycoplasma genitalium）的細菌基因組，并將其成功移植到受體細胞，成為了人類歷史上首個真正意義的合成細菌。

克雷格·文特爾與“辛西婭”

2010年，文特爾小組人工合成了相近的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）基因組，并移植到受體細胞中，合成基因完全控制了該受體細胞，創造了人類歷史上第一個真正意義的人工生命——辛西婭。

從2010年人類完成合成生物的初次嘗試之后，直至今日的十年時間里，人類應用合成生物學已經不僅局限于科研的嘗試，而是已經實現了多領域的產品生產、多場景的商業化落地。參考CB Insights對合成生物學細分領域的分類，我們對合成生物學的應用場景也劃分為了四大方向：農業、食品、工業、生物醫療。

合成生物學的四大應用場景

1、生物醫藥：醫藥中間體/原料（大麻素、抗生素、氨基酸等）、腸道菌群設計

生物制藥領域是合成生物學的應用場景之一，在這個場景中，除了一些作為醫藥中間體的原材料可以由生物合成實現外，還有比較熱門的應用場景便是在大麻素上。美國生物制藥公司Teewinot Life Sciences、中國欣貝萊生物等企業都是以合成生物學生產醫用級大麻素為核心業務。

大麻素可以作為一種醫藥中間體，而醫藥中間體也是合成生物學在醫療場景下最主要的應用之一。在中國，從事合成生物學醫藥中間體/原料開發的企業據不完全統計約有5家，如下圖所示：

中國從事醫藥中間體/原料的合成生物學企業盤點

弈柯萊生物、酶賽生物、百葵銳生物在國內都有從事醫藥中間體的開發，其中弈柯萊生物開發的丁酸作為西格列汀開發的中間體，西格列汀是一種口服降糖藥（抗糖尿病藥）；另外開發的2,4-二氟芐胺則作為熱門的抗艾滋病藥物度魯特韋的中間體，已經列入WTO、蓋茨基金會等慈善機構的采購目錄。同時，弈柯萊生物與酶賽生物除了自主開發醫藥中間體外，也提供相應的生物催化領域的定制研發服務。

此外，中國另外一家合成生物學公司華恒生物則專精于生物合成各種小品種氨基酸產品，其中以丙氨酸為代表的系列產品其生產規模已經位居國際前列。這種以微生物細胞工廠為核心的發酵法生產工藝替代了傳統化學合成工藝的重污染生產方式，生產成本更低，生產過程更為安全、綠色、環保。

由于合成生物技術更多圍繞微生物、細菌展開，所以在生物醫藥領域合成生物學的另一大應用場景聚焦于腸道菌群的“合成設計”。例如，美國生物技術公司Novome Biotechnologies通過對食品中常見的乳酸乳球菌進行工程設計，使其具備抗炎特性，作為控制克羅恩病和潰瘍性結腸炎等疾病的有效治療方案。

2、工業：化工原料、生物燃料、可再生能源

化工領域是合成生物學應用最廣泛的領域之一，通過合成生物學技術生產開發傳統需要通過石化工藝才能生產的原材料，既環保又節約資源，是石化材料未來的發展趨勢。例如，美國科技公司Novvi從植物糖中提取目標碳氫化合物分子，生產可再生“石油”。

再比如美國合成生物學公司NovoLoopuses設計了一種專有的細菌來消耗塑料中的有機成分，使其轉化為有價值的生物合成化合物，二次利用起來；同樣在美國，Gevo再生燃料公司利用合成生物學設計酵母菌，使其能夠將玉米或甜菜中的糖轉化為化學物質，如異丁醇，然后用于生物燃料。

同樣，在這個領域，中國的凱賽生物應用合成生物學技術合成的長鏈二元酸系列產品在全球都處于主導地位，長鏈二元酸和二元胺可以合成聚酰胺（PA），也就是我們俗稱的尼龍。凱賽生物在生物法長鏈二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺行業競爭中的優勢地位較為突出。

3、農業：化肥、飼料、殺蟲劑

在農業領域，通過改造微生物使其合成一些天然的防蟲成分，從而替代可能對農作物及人體健康產生負面影響的化學制劑。以美國科技公司Agrimetis為代表，基于合成生物學生產天然殺蟲劑，阻止害蟲侵蝕農作物，提高作物質量與產量。

其次，在農業領域通過合成生物學還可以改善作物土壤中的微生物組，以增加作物的產量。例如美國科技公司Pivot Bio開發了一種農作物固氮解決方案，公司找到了在玉米根系中的固氮微生物（γ變形菌），并將其改造“開啟”固氮基因，讓微生物可以從空氣中轉化氮元素滿足作物日常氮需求。

除了農作物，合成生物學賦能農業領域還可以應用于動物飼養上。美國科技公司Agrivida從微生物中獲取某種特定酶的基因，該酶能夠幫助雞更好吸收磷成分。Agrivida將該基因合成到玉米植株中，使轉基因后的玉米可以直接合成帶酶的玉米飼料。

4、食品：食品添加劑/防腐劑、肉制品/乳制品、改良型食品

在食品領域，合成生物學同樣能夠發揮巨大的作用。通過微生物發酵技術合成甜味劑，例如愛爾蘭初創公司Miraculex和Milis Bio。生物合成的甜味劑不會像化學甜味劑遺留在人類腸道上，更不會像糖分一樣增加人體胰島素水平，而是會被身體直接完全消化。

通過和啤酒相似的發酵技術，科學家們還在肉制品和乳制品上找到了生物合成的應用場景。例如美國科技公司Clara Foods通過定向設計酵母菌，使其合成各類人類食品所需的蛋白質，如雞蛋蛋清等，替代以動物生產培育為源頭的傳統食物，用更少的生產成本及資源產出同樣的口感替代食品。

另外在防腐劑上，美國科技公司Apeel Sciences從果皮中找到靈感，通過合成生物學技術開發了能夠延長水果保鮮的植物性涂層，以替代傳統化學防腐劑，更安全也更環保。最后還有通過改良特定食品基因，使對其過敏的人群也可以食用的低過敏性食品等等。合成生物學的應用場景無處不在。

全球熱門的合成生物應用賽道：大麻素與生物塑料

一、大麻素的革命：定向去除大麻致癮成分THC，為大麻正名重拾其醫用價值

目前，全球約有40家從事生物合成大麻素的企業，根據大麻市場研究公司New Frontier Data 的一項新分析，全球大麻消費市場價值3440億美元。大麻素市場增長的一個關鍵原因在于大麻素的其他價值（例如醫用價值）正在越來越多被應用，而以發酵合成生物學方式進行低成本和高純度生產大麻素的公司將擁有更多機會。

雖然大麻素的生產大多數都還是從大麻植株中直接提取，但這并不妨礙科學家們對應用微生物工程來生產大麻素的興趣。早在2014年，加拿大科學家Kevin Chen便嘗試以合成生物學的方式制造大麻素，并成立了Hyasynth Biologicals生物技術公司。

2015年，丹麥科學家Nehtaji Gallage在擔任哥本哈根大學研究員時，致力于尋找到大麻植株中能夠產出大麻素化合物的獨特基因，這成為通過合成生物學方式批量生產大麻素的關鍵步驟。這段經歷也促使Nehtaji Gallage在2018年創建了丹麥生物技術公司Octarine Bio。

大麻素≠大麻：生物合成清潔大麻二酚

由于大麻素和大麻之間的關聯性，讓大麻素研究一直被污名化。大麻素其實是從大麻里提取出來的一組萜酚類化合物，它們天然地存在于動物神經和免疫系統里，起到神經遞質的作用，對神經系統具有多種藥理效果。所以對大麻素的研究有望為神經及心理疾病的患者找到一些突破性的療法。

大麻中最著名的大麻素成分莫過于能讓人產生成癮性的四氫大麻酚（THC），而大麻素中被證明對精神疾病和癲癇疾病具有治療價值的大麻二酚（CBD）并不具有致癮性。早在2019年，美國加州大學伯克利分校的研究人員就率先在酵母中分別生產THC和CBD，為大麻素發酵打開了大門。

這種通過酵母發酵產生大麻素的生產方式就是合成生物學。相比于傳統的植物提取方法，生物合成大麻素能夠有效擺脫天氣、地理、蟲害等因素的影響，節約耕地、減少資源浪費，快速實現大規模生產——僅需幾周的發酵周期，即可替代數月乃至數年的種植周期，創造出高純度的CBD原料，藥物結構與自然結構相同、功效同等。

“從大麻植株中提取CBD是非常難以去除THC的，但是如果你采取生物合成的方式生產，在做微生物設計的時候就可以決定最終產物是什么？”丹麥科學家Nehtaji Gallage曾強調。同樣，生物技術公司Hyasynth Biologicals在其官網也指出，合成生物學方法可以大規模產出清潔的大麻二酚（CBD），甚至可以改進產出具有藥理特性的新型大麻素化合物，相信未來人們會越發意識到大麻素的好處。

中國大麻素生產合成生物學代表企業：欣貝萊生物

欣貝萊生物也是將大麻素生物合成作為一項核心項目進行打造。該公司先通過計算分析，找到植株大麻代謝大麻素的代謝途徑，然后通過功能模塊設計及代謝途徑優化手段，定向設計能夠分泌出大麻素的細胞工廠。這種細胞工廠可以替代傳統大麻養殖獲取大麻素的方式，幫助藥企在短時間內（不超過半年）大量獲取高純度大麻素。

欣貝萊生物聯合創始人王筱女士也告訴動脈網：“公司一百平方米的發酵車間已經可以代替數萬平方米的大麻種植面積，以低成本的原料合成高附加值的核心藥物，同時生物合成高純度的CBD大麻素也避免了傳統大麻素提取時混入THC的干擾。”

如何選擇合適的大麻素底盤細胞？

生產大麻素的“高效細胞微工廠”用什么細胞作為底盤細胞最為合適？每個公司的選擇或許各不相同。但由于底盤細胞需要進行改造開發和增殖擴大，所以對其適應性要求非常高，目前產業內最受歡迎的底盤細胞是酵母菌，因為酵母細胞方便基因操作且方便種植培養。

不過由于采用酵母細胞作為底盤細胞進行生物合成大麻素已經成為熱門應用場景，初創企業再次采用同樣策略將會面臨諸多專利侵權風險，所以產業界也在積極采用創新的地盤細胞嘗試生產大麻素。

例如，美國生物技術公司Creo采用從合成生物學鼻祖Amyris授權獲得的細菌作為底盤細胞生產大麻素；德國Farmako嘗試通過龍蘭細菌從糖中生產大麻素，并且已經申請了全球專利；加拿大生物技術公司Algae-C通過藻類微生物進行大麻素培養，藻類可以利用廢水和二氧化碳作為營養來源，天然富含生產大麻素所需的許多前體。

無論采用哪種細胞作為地盤細胞，將他們改造為“高效細胞微工廠”都需要解決非常多的難題：細胞毒性、細胞抑制、細胞分泌、代謝平衡、發酵優化、下游加工等等，如果協同不好這些因素，那么就會導致生產失敗。尤其是在生產醫藥級大麻素方面，還需要考慮到各國立法方面的規定。例如在中國，工業大麻素中THC含量超過0.3%則是違法。

二、石化塑料的終結：生物合成可降解塑料，全面替代還難點重重

除了大麻素，合成生物學的另一熱門應用場景是在生物塑料領域。生物塑料主要是指那些由生物材料制成的可生物降解塑料，它們可以通過合成生物學的發酵工程產生。

2020年，全球的塑料產量約3.68億噸，其中生物基塑料產能約1%，僅有211萬噸。雖然這個數據不高，但生物塑料的產量也正在逐年穩步上升，據European Bioplastics e.V.生物塑料市場數據預測，到2025年全球生物塑料產量將達到287萬噸。

三種生物基生物可降解塑料

合成生物學的出現加速了生物塑料的發展，通過生物合成技術人們可以定向設計一個能夠持續產生塑料化合物的細胞工廠。這種設想已經在PHA（聚羥基脂肪酸酯）上得到了驗證，PHA常被用于食品包裝和一些一次性物品上。

在自然界，PHA是由食糖或脂類經過細菌發酵而成的線性聚酯，它們幫助細菌儲存碳和能量。基于這套原理，目前已經有一些公司通過菌株發酵優化，成功實現從細菌中生產PHA。例如意大利生物材料公司Bio-on和法國糖業合作伙伴Cristal Union在2015年宣布在法國建立PHA工廠。2018年，Bio-on又宣布與西班牙公司Acor達成協議，開始從甜菜中生產PHA生物塑料。

中國PHA生物塑料合成生物學代表：藍晶微生物

在中國，也有一家專注于PHA綠色塑料合成的生物技術公司——北京藍晶微生物科技有限公司（簡稱：藍晶微生物），該公司選取了油田土壤中發現的一種耐油細菌，再利用合成生物技術對該細菌進行工程化改造后，可以穩定合成產出高性能的PHA材料；由于該細菌本身生存于較為惡劣的野生環境，因此其對生長環境和“食物”的要求并不高，這就使得PHA的生產成本大幅度降低。

據悉，藍晶微生物在降低PHA成本方面，已經接近現有石化塑料的成本價格，成為全球第三、中國第一家顯著降低PHA成本達到可規模化銷售的公司。

生物塑料PLA與PEF：替代難以回收的PET化工塑料

除了PHA，目前其他高度通用的塑料聚合物還沒有已知的天然代謝途徑，不過人類合成的基因組也不是局限于天然存在的合成路徑，也可以是人為設計的基因路徑。

聚乳酸（PLA）化學式

例如2016年，法國生物化學公司Carbios與法國國家農業研究院（INRA）合作，為PLA的生產成功創造了一條新的代謝途徑。PLA（聚乳酸）是從乳酸中獲得的一種可生物降解的熱塑性塑料，常被應用于各種食品容器、包裝食品、快餐飯盒、無紡布、工業及民用布上。

對于Carbios來說，為PLA創造高效代謝途徑，使其成為更具經濟效益的材料，以便于直接和化學塑料競爭。除了Carbios，目前荷蘭生物技術公司Corbion Purac、荷蘭生物技術公司Synbra、法國生物技術工地Futerro都正在積極生產PLA及其他生物基塑料替代品。

聚呋喃二甲酸乙二酯（PEF）化學式

PLA生物塑料的出現很可能在未來許多應用中取代PET塑料。與此同時，荷蘭的Avantium公司也不示弱，該公司從玉米衍生的糖類中開發PEF塑料以替代PET。與PLA不同，PEF（聚呋喃二甲酸乙二酯）可以在回收分類過程中與PET區分開來，并且有更好的阻隔和熱性能。Avantium已經與生產可口可樂瓶的公司達成了關于這種生物材料的相關協議。加上過去人們對PEF研發投入的大量精力，預計2023年PET將大規模進入商業市場。

除了對微生物進行基因編程，使其合成可降解的生物基塑料，科學家們還嘗試通過蛋白質工程開發能夠降解塑料的相關降解酶。

聚對苯二甲酸乙二酯（PET）化學式

同樣是法國生物技術公司Carbios，該公司在2018年又成功開發了一種能夠分解紡織廢料中PET塑料纖維的特殊酶。PET（聚對苯二甲酸乙二酯）是一種難以回收的塑料，這些降解酶可以將PET聚合物分解成更小的成分，這些更小的成分又可以被再次合成生物塑料。與傳統切碎、熔化、再加工塑料的回收方法不同，通過酶促反應產生的小分子材料回收后仍然生產的是高質量塑料。

“在未來，我們希望為每種類型的聚合物都有對應的分解酶。這樣我們可以回收任何類型的塑料，且無需進行分類。”Carbios前戰略與發展總監Emmanuel Maille曾對媒體表示。未來可以將這些酶也可以摻入某些塑料中，幫助這些塑料在特定的時間內完成分解，例如可生物降解的塑料袋。目前，Carbios已經將這項技術應用在包裝及農業薄膜上。

生物塑料可能全面替代石化塑料嗎？

雖然生物塑料更加環保與可持續，但是未來塑料市場要使生物基塑料成為替代石化資源制造的塑料，則存在更多挑戰。

首先，驅動生物塑料制造的源動力主要來自于外界的法規和環境保護，而不是真正的市場“內需”。政策法規對可生物降解和生物基塑料的要求越來越嚴格，這會推動生物塑料的增長，也會推動其背后技術的發展。

其次是生物塑料面對石化塑料的價格競爭。復雜的生物合成工藝是否能降低其生產成本匹敵石化塑料是一大難點。不過如果將生物塑料的應用場景擴大到醫療場景，則有助于緩解價格競爭。例如德國化學品公司贏創（EVONIK）集團開發了一系列可生物降解的聚合物，用于醫療器械和持續藥物釋放植入物，開拓了生物塑料新的應用場景。

中國的合成生物學：產業起步初期，化工場景應用最先跑向世界

化學產品的生物制造技術已成為傳統化工產業升級變革的主要方向，世界各國紛紛將其納入了重點戰略發展領域。我國《“十三五”生物產業發展規劃》中提出實現現代生物制造產業總產值超過1萬億元，生物基產品在全部化學品產量中的比重達到25%的目標，產業規模呈現持續上升趨勢。

根據中科院天津工業生物技術研究所統計，生物制造產品和石化路線相比平均節能減排30%~50%，未來潛力將達到50%~70%，這對化石原料替代、高能耗高物耗高排放工藝路線替代以及傳統產業升級，都產生重要的推動作用。

生物制造利用生物資源或化石資源在生物微工廠內進行物質轉化，過程條件溫和，作為一種綠色生產方式能夠促進形成資源消耗低、環境污染少的產業新結構和生產新方式并可能對傳統化工生產方式進行有效替代。通過生物制造，我國已經實現了一批基礎化學品、精細化學品（化學原料藥）、生物基聚合材料的綠色生產，為工業產品原料路線轉變、農業產品實現工業化合成提供了范例。

通過整理公開資料，動脈網對中國從事合成生物學技術應用的15家生物技術公司進行了簡單梳理，將其聚焦的應用場景進行了分類和介紹。

從事合成生物學技術應用的企業盤點

當然，在合成生物產業上游下游，除了直接從事生物合成業務的下游企業，還有一部分提供合成生物技術支持為主導業務的上游技術公司，例如提供DNA合成服務的英國公司Oxford Genetics、中國企業泓迅科技、迪贏生物等，不過它們并不作為我們本文研究的對象，我們僅對下游的合成生物企業基于技術的應用場景進行分類。

提供合成生物學相關技術服務的企業

從數據中我們可以看到，中國的合成生物學企業數量并不多，聚焦應用的產品也各有差異。在動脈網統計的15家合成生物學企業中，有13家公司的應用場景都涉獵到生物醫藥領域，5家涉獵食品農業領域，4家公司涉獵工業應用領域。不過由于是通過有限的公開信息整理，部分涉獵工業、農業食品領域的企業未公開其技術原理，所以難以判斷其背后是否應用合成生物學技術，故未納入表格中。

其次，我們也能看到，在中國應用合成生物學技術賦能化工場景的企業是發展最快的。拔得頭籌的是已經在上海證券交易所科創板上市的凱賽生物，該公司在生物法長鏈二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺行業競爭中的優勢地位較為突出。也是目前全球具有代表性的能夠同時實現生物法制造系列長鏈二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺并大規模產業化的龍頭企業，客戶包括有Dupont、Evonik、EMS等。

同樣在合成生物學的化工場景下，藍晶微生物以生物合成PHA塑料為核心業務，致力于產出低成本、高產量、性能穩定的“綠色塑料”PHA，去替代傳統“白色污染”塑料。藍晶微生物對數以百計的基因進行調控層面和功能層面的設計，整合多方面要素后開發的PHA管線將其生產成本降低了一半，成為世界范圍內第一梯隊的PHA合成生物學廠商。該公司創始人曾在受訪中表示，如果未來公司進一步擴大生產規模，PHA的成本還能夠繼續降低，逼近聚乙烯等目前常用塑料。

除了最先跑向世界的工業應用，合成生物學領域上市的第二家企業花落生物醫藥賽道——華恒生物，該公司主要從事氨基酸及其衍生物產品的研發、生產和銷售，主要產品包括丙氨酸系列產品、D-泛酸鈣和α-熊果苷，是全球范圍內規模最大的丙氨酸系列產品生產廠商之一。華恒生物的最大合作伙伴是巴斯夫，這是一家專注于新型綠色螯合劑MGDA全球規模最大的生產企業。

此外，被譽為國產玻尿酸三巨頭之一的華熙生物也是采取了生物合成的方式生產透明質酸，俗稱玻尿酸。通過解讀該公司招股書我們可以看到，華熙生物利用鏈球菌（Streptococcus zooepidemicus）代謝產生透明質酸的天然特性，通過野生菌種誘變和高通量篩選，得到透明質酸產率最高的優質菌株，并實現大規模發酵生產。在此基礎上，公司還運用多尺度過程優化技術對透明質酸發酵進行定向代謝調控，促進透明質酸酶系合成，使其主要向合成透明質酸的代謝方向進行，從而顯著提高透明質酸發酵產率，減少發酵中的雜質代謝物產生。

綜上所述，合成生物學技術的主要應用還是聚焦于化工原材料、醫藥中間體的合成上，并且在工業領域的應用發展最快，以凱賽生物為代表的尼龍原材料最先走向世界。其次，這些生物基原材料合成企業的最大競對是以傳統合成方式生產的公司，生物基材料生產需要達到與傳統化工生產原材料同等甚至更經濟的性價比，方能搶占市場份額。不過相信隨著“高效細胞微工廠”生產的規模化，未來經濟生產、綠色生活指日可待！