2023合成生物全链路平台能力建设研究报告.pdf

20232023合成生物全链路合成生物全链路平台能力建设研究报告平台能力建设研究报告0303前言前言0404Chapter 1 Chapter 1 合成生物从单一品类走向全链路产业生态合成生物从单一品类走向全链路产业生态技术创新技术创新横跨横跨2020年，合成生物已在各领域崭露头角年，合成生物已在各领域崭露头角政策加码政策加码生物经济成为制造业转型升级新引擎生物经济成为制造业转型升级新引擎融资火热融资火热规模生产在即，增量持续释放，呼吁产业协同规模生产在即，增量持续释放，呼吁产业协同产业借鉴产业借鉴化工领域也曾由单一品类走向全链路产业生态化工领域也曾由单一品类走向全链路产业生态行业趋势行业趋势合成生物也终将进入全产业链布局的形态合成生物也终将进入全产业链布局的形态未来发展未来发展解决痛点亟需合成生物全链路平台能力建设解决痛点亟需合成生物全链路平台能力建设1111Chapter 2 Chapter 2 合成生物全链路平台建设的核心能力合成生物全链路平台建设的核心能力技术平台核心能力技术平台核心能力多样化底盘、模块化细胞构建、高通量自动化多样化底盘、模块化细胞构建、高通量自动化工具、人工智能（工具、人工智能（AIAI）赋能）赋能规模化生产核心能力规模化生产核心能力高效发酵优化放大、大规模发酵高效发酵优化放大、大规模发酵多品种产业化能力多品种产业化能力快速商业化落地快速商业化落地&多样化产品覆盖多样化产品覆盖多元化合作能力多元化合作能力构建多元发展的产业生态构建多元发展的产业生态2121Chapter 3 Chapter 3 合成生物全链路平台的产业化合成生物全链路平台的产业化全链路平台能力建设串联合成生物学产业各发展类型全链路平台能力建设串联合成生物学产业各发展类型以市场需求为驱动开展选品和商业化以市场需求为驱动开展选品和商业化面向“存量替代”与“增量拓展”面向“存量替代”与“增量拓展”，宜采用不同商业化策略，宜采用不同商业化策略开展应用研究，打通合成生物“一站式”解决方案开展应用研究，打通合成生物“一站式”解决方案GinkgoGinkgo横向整合，推升核心技术壁垒横向整合，推升核心技术壁垒态创生物态创生物多物质量产的平台型发展企业多物质量产的平台型发展企业3737结语结语3737关于关于联合发布方联合发布方3838版权声明版权声明20232023合成生物全链路合成生物全链路平台能力建设研究报告平台能力建设研究报告2合成生物学是一门跨学科的领域，亦是一揽子技术和方法论，将生物学、工程学和计算机科学等多个学科的知识相结合，越来越多的公司、研究机构和创业者投入到合成生物学的研发和应用中。在技术层面上，合成生物学的发展得益于一系列顶尖水平的研发工具，高通量筛选、基因编辑等工具的应用使得研究人员能够更快速、高效地设计和优化生物系统。此外，工业化制造的工程能力也是合成生物全链路平台能力建设的关键所在，如智能发酵优化和分离纯化等技术的发展，为实现产业化提供了重要保障。纵观化工行业的发展史，许多化工巨头通过由单一品类向多品类发展的道路，获得过巨大的成功，平台能力建设使得这些公司从传统的单一产品制造商转变为拥有多样化产品组合和广泛应用领域的综合性公司。平台型化工公司通过关键核心化学品、关键平台技术、关键研发能力铸就壁垒。在合成生物向纵深发展的当下，产品品类逐渐丰富，各个垂直领域快速布局。在各公司纷纷发展纵深技术时，在众多公司被“选品”所困惑时，我们开始探讨合成生物是否存在类似于化工行业发展历程的“赢家通吃”路径。在此过程中，我们发现合成生物学在中国的落地过程中平台能力建设至关重要。合成生物全链路平台能力建设合成生物全链路平台能力建设，我们希望看到合成生物企业利用工程化的研发能力开我们希望看到合成生物企业利用工程化的研发能力开发多管线产品发多管线产品，有效衔接工厂的放大生产有效衔接工厂的放大生产，为市场供应稳定产能为市场供应稳定产能，并利用开放多元化的并利用开放多元化的合作模式合作模式，实现研产销一体化实现研产销一体化、全产业链布局全产业链布局，形成打通上下游的完整形成打通上下游的完整“大平台大平台”。从单一产品或应用领域扩展到多个产品和广泛的应用领域，凭借良性的产业生态和全面的能力实现合成生物可持续发展。本报告聚焦合成生物全链路平台能力建设本报告聚焦合成生物全链路平台能力建设，重点关注平台化发展的推动力量重点关注平台化发展的推动力量、核心能核心能力力，以及平台化发展在中国落地的特色产业变革以及平台化发展在中国落地的特色产业变革。3前言前言 技术创新技术创新横跨横跨2020年，合成生物已在各领域崭露头角年，合成生物已在各领域崭露头角 政策加码政策加码生物经济成为制造业转型升级新引擎生物经济成为制造业转型升级新引擎 融资火热融资火热规模生产在即，增量持续释放，呼吁产业协同规模生产在即，增量持续释放，呼吁产业协同 产业借鉴产业借鉴化工领域也曾由单一品类走向全链路产业生态化工领域也曾由单一品类走向全链路产业生态 行业趋势行业趋势合成生物也终将进入全产业链布局的形态合成生物也终将进入全产业链布局的形态 未来发展未来发展解决痛点亟需合成生物全链路平台能力建设解决痛点亟需合成生物全链路平台能力建设4ChapterChapter 1 1 合成生物从单一品类走向全链路产业生态合成生物从单一品类走向全链路产业生态2023年3月，美国发布美国生物技术和生物制造的明确目标，涵盖了21个主题、49个具体目标。2022年，中国印发“十四五”生物经济发展规划，将生物经济作为今后一段时期中国科技经济战略的重要内容。2010年，Science将合成生物列为十大科学突破。2004年，合成生物学技术入选麻省理工科技评论“全球十大突破性技术”（TR10），上榜理由为“合成生物学将为现有领域提供许多好处，它还将在未来实现一系列我们今天甚至无法想象的应用”。生命科学的漫长进展，催生了合成生物这样集生物理论和工程应用为一体的一揽子技术和方法论，为人类生产制造范式提供了历史性的机遇：面对严峻环境形势，人类亟需改变现有工业文明的发展模式，转变传统工业生产方式，减少对化石燃料的依赖；以合成生物为基础的生物制造是实现碳中和的重要途径，也是中国突破石化原料瓶颈的重大机遇；基于合成生物的生物制造具有极大的物质分子创新潜力，拓展了人类制造能力的边界，也撬动着巨大的经济价值。技术创新技术创新横跨横跨2020年，合成生物已在各领域崭露头角年，合成生物已在各领域崭露头角200120032004200520062008微流控芯片糖组学合成生物学代谢组学表观遗传学维素纤酶200920102011磁共振力显微镜细胞核重组2012一百美元基因组测序干细胞工程分离染色体细菌工厂2015纳米孔测序双效抗体合成细胞2014超高效光合作用2016201720192021基因组编辑DNA的互联网免疫工程基因疗法2.0定制癌症疫苗mRNA疫苗20222023精确编辑植物基因人造肉汉堡AI蛋白质折叠用于高胆固醇的CRISPR表1丨“全球十大突破性技术”中合成生物相关技术（来源：麻省理工科技评论、DeepTech）5以工业革命的视角来看生命科学的漫长进展生物制药生物制药日化消费品日化消费品生物疗法生物疗法医疗器械医疗器械食品原料食品原料化工原料化工原料农业农业燃料燃料电力电力建筑建筑机械机械图1丨合成生物有望对不同行业产生影响（来源：BCG、DeepTech）政策加码政策加码生物经济成为制造业转型升级新引擎生物经济成为制造业转型升级新引擎6生物技术和生物制造已经成为美国国家战略生物技术和生物制造已经成为美国国家战略2022年9月，美国启动国家生物技术和生物制造计划加速生物技术创新，并在多个领域发展美国的生物经济，包括健康、农业和能源等一系列行业。具体行动包括：利用生物技术加强供应链；扩大美国国内生物制造；促进美国各地的创新；将生物产品推向市场；培养下一代生物技术专家；推动监管创新以增加获得生物技术产品的机会；生物经济的高级测量技术和标准；通过投资生物安全创新来降低风险；促进数据共享以推进生物经济。2023年3月，美国发布美国生物技术和生物制造的明确目标涵盖了21个主题、49个具体目标，同时每个版块中都突出生物技术和生物制造带来的可能性。重点包括：加强生物系统的预测建模和工程设计，创新生物制造方法；通过扩大可再生的航空和其他战略燃料、化学品和材料；设计更好的农作物成为生物经济原料。气候变化解决方案气候变化解决方案增强粮食和农业创新增强粮食和农业创新提高供应链弹性提高供应链弹性促进人类健康促进人类健康推进交叉领域进展推进交叉领域进展中国有望借助合成生物实现换道超车中国有望借助合成生物实现换道超车自2018年起，科技部每年发布国家重点研发计划“合成生物学”重点专项年度项目申报指南，明确围绕基因组人工合成与高版本底盘细胞、人工元器件与基因线路、人工细胞合成代谢与复杂生物系统、使能技术体系与生物安全评估等4个任务部署。2022年，发改委印发“十四五”生物经济发展规划，将生物经济作为今后一段时期中国科技经济战略的重要内容，加快发展高通量基因测序技术，加强微流控、高灵敏等生物检测技术研发，推动合成生物学技术创新。2023年1月，工信部等六部门印发加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案，提出到2025年非粮生物基材料产业基本形成自主创新能力强、产品体系不断丰富、绿色循环低碳的创新发展生态。新药开发新药开发疾病治疗疾病治疗农业生产农业生产物质合成物质合成环境保护环境保护能源供应能源供应新材料开发新材料开发7图2丨2013-2022年全球合成生物融资轮次分布（来源：CB Insights）企业名称企业名称*融资时间融资时间轮次轮次融资金额融资金额简介简介昌进生物2023A+轮1.5亿元新型微生物蛋白、生物合成蛋白创健医疗2023B轮超2亿元生物材料、创新蛋白/核酸药品擎科生物2022B轮4亿元基因科技服务态创生物2022A+轮过亿美元多物质量产的生物制造平台微构工场2023A+轮3.59亿元嗜盐微生物的改造和工程化应用微元合成2023pre-A轮亿元甘露醇、阿洛酮糖生物合成智峪生科2023A轮超亿元AI+合成生物中科欣扬2022B轮2亿元合成生物学创新智造企业周子未来2023A+轮数千万元细胞培养肉表2丨2022-2023中国部分合成生物企业融资情况（按企业首字母排序，来源：公开信息、DeepTech）*限于版面，仅展示各垂直领域维度的部分企业，如果您需要完整版信息，欢迎与我们联系从全球合成生物领域投融资来看，根据CB Insights数据，近10年来，融资活动均以B轮及之前为主，仍在早期融资阶段，各企业处于技术发掘和产业经验积累时期，这一阶段企业的主要精力集中在如何将研发成果进行大规模生产，以及如何把生产出来的物质变成有价值的产品。利用合成生物技术产出的原材料数量仍然较少，且尚未大规模应用到终端产品中，其带来的回报还有一定周期。短期来看短期来看，合合成生物从业者仍需要共同成生物从业者仍需要共同做大市场做大市场，从技术到产品从技术到产品、从产品到销售的转化是聚从产品到销售的转化是聚焦合成生物领域的企业面焦合成生物领域的企业面临的痛点临的痛点。融资火热融资火热规模生产在即，增量持续释放，呼吁产业协同规模生产在即，增量持续释放，呼吁产业协同8帝斯曼帝斯曼平台化发展的典范之一，从最初的煤炭化学产品公司发展成为一家专注于材料科学、营养与健康领域的综合性化工企业。通过整合不同领域的技术和产品，帝斯曼取得了业务的多元化和持续的创新。巴斯夫巴斯夫巴斯夫从印染原料出发，不断开创新的产品，包括有机合成染料、用作化肥原料的氨、各种聚合物、合成维生素、用于显示器的液晶、基础杀菌剂和作物生物科技等领域新产品。以染料为例，从开发品红、苯胺到天然染料茜素、靛蓝等，历经30年成为了全球最大的化学品制造商。通过建立广泛的产品组合和技术平台，涵盖诸多领域，如化学品和塑料、保健和营养、涂料和染料、农业解决方案等。平台化发展使得巴斯夫能够灵活应对市场需求的变化，为客户提供全面的解决方案。早在19世纪末，DSM就首次大规模生产酵母和酶，并于20世纪30年代首次用化学方法合成维生素。从早期的单一基础化学品研发，到聚合物产品、化工产品、农业化工最后聚焦生命科学和材料科学。不断技术革新是帝斯曼不断前进的核心策略，在不同的商业驱动力阶段，利用技术延伸能力。正如化学工业在过去的几个世纪中经历了从实验室研究到工业化生产的转变，合成生物也正经历着从基础科学研究到应用和商业化的发展过程。从本质上说，不论化工还是合成生物，均属于技术驱动型领域，必须通过持续的研发、工艺改进以及新产品的推出来实现降低生产成本、满足不断变化的需求、探索新的市场领域的目标，从而不断扩展产品范围、开辟增长机会、提高综合竞争力。优选赛道优选赛道生产环节生产环节 产品开发 工艺优化市场评估市场评估 全球网络 配套服务图3丨巴斯夫染料产业发展模式（来源：公开信息）采矿采矿大宗化学品领域大宗化学品领域石油化工石油化工生命和材料科学生命和材料科学 食品与饮料 健康、营养与护理 动物营养与健康图4丨帝斯曼发展历程（来源：公开信息）产业借鉴产业借鉴化工领域也曾由单一品类走向全链路产业生态化工领域也曾由单一品类走向全链路产业生态纵观化工行业的发展史，许多化工巨头通过平台化发展的道路，获得过巨大的成功，平台能力建设使得这些公司从传统的单一产品制造商转变为拥有多样化产品组合和广泛应用领域的综合性企业。9图5丨化工产业的平台能力建设组成模块（来源：DeepTech）平台能力建设平台能力建设产品创新产品创新强大的研发能力多产品和技术创新规模化创新规模化创新提高产品开发效率降低研发成本扩大产品生产合作和生态建设合作和生态建设联合研发定制化产品开发优化供应链和物流管理多产品市场化多产品市场化加速新产品的市场转化满足多行业的多样化应用需求表3丨合成生物学未来竞争的商业化技术机遇和潜力产品方向（来源：DeepTech）相同的逻辑也同样适用于生物经济相同的逻辑也同样适用于生物经济，合成生物仍处于探索阶段合成生物仍处于探索阶段，发展模式仍存在未知发展模式仍存在未知的可能性的可能性。随着技术落地随着技术落地、建厂投产建厂投产、产品上市产品上市、产业融合等全链条布局产业融合等全链条布局，传统技术平传统技术平台型企业与产品型企业的界限将趋于模糊台型企业与产品型企业的界限将趋于模糊，整体趋势在往整体趋势在往“大平台大平台”的方向发展的方向发展，行业行业未来竞争核心将进入平台能力建设未来竞争核心将进入平台能力建设/研产销一体化研产销一体化/全产业链布局的阶段全产业链布局的阶段。行业趋势行业趋势合成生物也终将进入全产业链布局的形态合成生物也终将进入全产业链布局的形态技术机遇先进的基因编辑合成基因回路高通量筛选和自动化工具绿色可持续的生物制造微生物组工程代谢工程和合成生物学工具包无细胞生物合成IT+BT潜力应用新型生物药物精准医疗产品诊断和检测工具生物农业产品生物酶功能性化妆品原料高值化工产品生物能源生物材料环境治理产品生物传感器生物信息学与数据科学产品合成生物技术已经由过去聚焦于生物医药得到了很好的验证，发展到近期发力于高附加值产品和天然产物，未来长期价值在于生物基化学品和生物基能源。面对新的技术和产业应用，中国的合成生物落地发展仍然存在堵点和痛点亟待解决：10工工程程化化研研发发引入工程化思维：引入工程化思维：持续挖掘生物元件，通过系统化的设计、数学建模和计算模拟、高通量测试和数据驱动的学习过程，加速底盘生物设计和改造的DBTL循环，实现对生物制造系统的持续改造和多物质生产。规规模模化化生生产产优化放大：优化放大：利用先进的生物传感器、高能量平行反应器、自动化智能设备和合成生物大数据等技术，实现物质从小试-中试-大规模工业试产等一系列工艺的快速放大和完善，缩短小试到规模量产周期。大规模精准发酵：大规模精准发酵：目标为实现高产出和高效率的生产，涉及工业级生物反应器的设计和操作，优化培养条件，监测和控制微生物的生长和代谢过程。多多产产品品商商业业化化多样化产品组合：多样化产品组合：能够利用合成生物学的先进技术提供多样化的产品组合，以满足不同行业不同市场需求，提高企业竞争力。涉及生物药物、化工、农业、生物材料、生物燃料等多个领域的产品。跨领域跨行业覆盖：跨领域跨行业覆盖：具备跨领域和跨行业的知识和技能，与其他行业领域进行合作和整合，实现合成生物技术和产品在不同领域的应用。产产业业生生态态建建设设开放与合作：开放与合作：与学术界、研究机构和其他企业建立合作伙伴关系。通过共享知识、技术和资源，可以加速创新，推动整个合成生物领域的发展。持续推动产业创新发展：持续推动产业创新发展：持续推动产业创新发展，研发新的合成路径，开发新的技术和产品，提高产品性能和生产效率。涉及到持续的研发投入、技术改进和市场导向的创新策略。人才培养：人才培养：建立以创新为导向的人才培养体系，注重培养跨学科的人才，特别是在生物学、化学、物理学、计算机科学和工程等领域的人才培养。学科交叉融合带来的研发与工程挑战 核心装备支撑系统仍与先进国家存在差距 产业规模化生产阶段高成本高风险 知识产权壁垒保护不够 提升公众认知与监管接受的社会挑战合成生物逐步进入从技术考验到综合实力的比拼合成生物逐步进入从技术考验到综合实力的比拼，随着技术平台的成熟随着技术平台的成熟，进一步需要进一步需要打通上下游全产业链布局打通上下游全产业链布局，逐步形成全链路的平台能力逐步形成全链路的平台能力，并秉持包容开放的态度并秉持包容开放的态度，其其良性的产业生态良性的产业生态、全面的能力更有利于可持续发展全面的能力更有利于可持续发展。未来发展未来发展解决痛点亟需合成生物全链路平台能力建设解决痛点亟需合成生物全链路平台能力建设技术平台核心能力技术平台核心能力 多样化底盘细胞多样化底盘细胞 模块化细胞构建模块化细胞构建 高通量自动化工具高通量自动化工具 人工智能（人工智能（AIAI）赋能）赋能规模化生产核心能力规模化生产核心能力 高效发酵优化放大高效发酵优化放大 大规模发酵大规模发酵多品种产业化能力多品种产业化能力快速商业化落地快速商业化落地&多样化产品覆盖多样化产品覆盖多元化合作能力多元化合作能力构建多元发展的产业生态构建多元发展的产业生态ChapterChapter 2 2 合成生物全链路平台建设的核心能力合成生物全链路平台建设的核心能力11底盘细胞是合成生物学中的基础平台，设计和合成的功能化生物元件、基因线路、代谢路径等生物系统需要置入底盘细胞中，从而实现理性设计的目的。在开展设计之初，需要根据目标产品的特性，选择一个性状优良的底盘细胞。底盘细胞的优劣将直接影响合成生物系统设计的成败。目前常见的底盘细胞有大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌、酿酒酵母、巴斯德毕赤酵母等。不同的底盘细胞具有不同的代谢途径、基因调控网络和细胞功能，在适应不同环境和培养方面也各具差异。在研发过程中，使用多样化底盘细胞可以更好地满足特定项目的需求，并针对特定需求进行优化和调整，实现特定代谢产物的生产或特定功能的实现。多样化底盘细胞的使用可以降低某个特定底盘细胞研发失败的风险。12常见底盘细胞优点产品应用大肠杆菌发酵周期短、遗传背景清晰、基因编辑工具及代谢调控策略成熟小分子肽、弹性蛋白、氨基酸、类胡萝卜素、青蒿素枯草芽孢杆菌蛋白质分泌系统出色，有典型的芽孢形成能力、细胞分裂以及生物膜系统工业酶、核黄素、乳糖-N-新四糖、透明质酸、硫酸软骨素谷氨酸棒杆菌擅长合成氨基酸和生物活性物质、营养需求低、底物谱广谷氨酸、赖氨酸、有机酸、1,3-丁二醇、植物天然产物酿酒酵母遗传背景及代谢机制清晰、有较好的pH及渗透压耐受性大麻素、阿片类药物、乙酰辅酶A、胰岛素、角鲨烯毕赤酵母极佳的蛋白分泌能力、优异的翻译后修饰、胞外内源性蛋白极少人促红细胞生成素、人血清蛋白、胶原蛋白、乳铁蛋白表4丨合成生物学中常见的底盘细胞（来源：公开信息、态创生物，DeepTech）技术平台核心能力技术平台核心能力多样化底盘细胞多样化底盘细胞底盘细胞的改造是为了服务于目标产物生产底盘细胞的改造是为了服务于目标产物生产，同时为了适应于工业级制备同时为了适应于工业级制备，便于生产便于生产端分离纯化也是菌种改造阶段需要考虑的环节端分离纯化也是菌种改造阶段需要考虑的环节。举例来说，基于大肠杆菌展示和内含肽切割的寡肽表达和提纯方法，构建用于在宿主菌表面展示的寡肽，寡肽与展示蛋白之间使用内含肽连接，诱导表达“展示蛋白-内含肽-寡肽”融合蛋白，培养收集大肠杆菌后，内含肽自切割释放寡肽，寡肽经超滤后结晶或者干燥。此过程无需破碎菌体，也无需进行蛋白纯化，且大肠杆菌可以重复利用，是一种高效简便的寡肽生产和提纯工艺，非常适用于工业级规模的寡肽制备工艺。模块化细胞构建从最基础的生物元件出发，将具有特定功能的生物元件作为一个“零件模块”，采用搭积木的方式将这些“零件模块”设计形成新的生物装置，不同功能的生物装置以串联、反馈、前馈等形式连接，协同运作组成更加复杂的生物系统，从而执行特定的设计功能，实现目标产物的生产。13图6丨模块化细胞构建的层级化结构：生物元件-生物装置-生物系统（来源：公开信息、DeepTech）模块化细胞构建具有以下优点：模块化细胞构建具有以下优点：系统装置生物元件一个或多个元件的组合，行使不同功能，包含一系列生化反应装置包括：蛋白表达、报告基因、信号传导、转换器、结构域等具有某些特定功能的核酸或蛋白，行使基本功能元件包括：启动子、编码区、终止子、RBS、结构域等最终实现功能的各装置按不同逻辑连接、组合，协调运作系统包括：遗传线路、调控网络、信号网络、基因开关、逻辑门等标准化将生物系统拆解为最基础的生物元件，这些生物元件具有标准化、模块化的特征和功能，方便研究人员更轻松地设计和组装。可重复性通过模块化方法，可以将已经验证和优化的模块重复使用于不同的生物系统中，方便研究人员更快构建新的生物系统，避免从头设计和优化。可扩展性通过添加或替换模块，可以实现逐步扩展和改进生物系统的功能，实现更复杂的生物合成过程。设计灵活根据需要定制生物系统。通过组合不同的模块，构建具有特定功能和性能的生物系统，满足不同的应用需求。技术平台核心能力技术平台核心能力模块化细胞构建模块化细胞构建图7丨遗传操作技术与基因编辑工具的代表性进展（来源：公开信息、DeepTech）1970s-1990s1990s-2011201220162018基于限制性内切酶和连接酶的位点特异性重组DNA技术，改造后序列插入位置固定基于PCR的同源重组技术，同源臂序列可变，高效、灵活得获得同源臂序列基于CRISPR/Cas系统的同源重组技术，效率高、单轮多靶点改造基于CRISPR/Cas系统的碱基编辑，效率高、操作简单、单轮多靶点改造基于Bio Foundry的菌株构建，全流程、自动化、高通量细胞构建后如何快速高效地获取到目标菌株成为合成生物学研发过程中关注的问题和壁垒。高通量筛选能力已经构成研发的核心竞争力之一，合成生物公司开始纷纷搭建自动化和高通量硬件设施，解决目标菌株高效筛选的难题。14自动化液体处理工作站自动化液体处理工作站实现对液体样品的高度自动化处理，包括液体分配、混合、稀释、反应等。它们通常配备液体处理臂、多通道分注器和液体处理头等组件，能够快速、准确地处理大量样品，提高实验效率。高通量分析仪器高通量分析仪器常用的高通量分析仪器包括高通量测序仪、高通量质谱仪、高通量流式细胞仪等。这些仪器能够同时处理多个样品，获取大量数据，并支持高通量筛选的实施。高通量成像设备高通量成像设备常用的高通量成像设备包括高通量荧光显微镜、高通量细胞成像系统等。这些设备可用于观察和分析细胞、组织和生物标记物的动态过程，支持高通量筛选及其结果的可视化和定量分析。微流控芯片微流控芯片利用微流体技术，将液体样品和反应通道以微小尺度进行控制和操作。微流控芯片通常具备多个微型通道、阀门和泵等组件，用于并行处理多个样品的反应、分离和分析。图8丨高通量自动化筛选的组成模块（来源：公开信息、DeepTech）高通量自动化平台已从最初的单一设备阶段，进化到实验室自动化与智能化，然而单一设备不具有提升实验效率的能力，需要将设备融入研发平台体系中，并根据实际开发管线，积累技术经验与效率升级。在服务于多管线与不同场景中，通过数据及经验积累，以达到“二次开发”的效果。0246810人工微流控设备态创微流控平台图9丨微流控通量（来源：公开信息、态创生物）技术平台核心能力技术平台核心能力高通量自动化工具高通量自动化工具单位：10n近年来人工智能技术发展迅速，尤其是在深度学习和大数据处理方面进展显著，使得人工智能在合成生物学领域的应用更加广泛和深入，从最初应用于合成生物学的“学习”阶段，逐渐拓展到整个DBTL循环，并且在工程放大等领域都有所涉及。人工智能平台目标实现以下功能：快速准确鉴定活性物质和菌株性能；可控基因表达，实现菌株智能操控；优化代谢通路，实现“减负增产”；可控生物传感；AI酶设计；干湿实验结合，数据可迭代优化。15态创生物已开启AI+life science的探索，结合人工智能、大数据、生物信息技术，前沿设计了iTidetron AI引擎，搭建了活性物质和菌株鉴定、可控基因表达、代谢通路设计、可控生物传感、酶设计与改造、干湿实验结合六大模块，共同攻克研发难题、驱动物质快速量产。图10丨AI活性肽预测和挖掘模型（来源：态创生物）数据分析和模式识别：数据分析和模式识别：处理大规模的生物数据，如基因组、蛋白质组和代谢组数据等，并应用机器学习和数据挖掘技术进行数据分析和模式识别，发现基因与表型之间的关联、代谢途径的调控规律等，为合成生物学的研究提供重要指导。基因编辑和设计：基因编辑和设计：预测和优化基因编辑工具（如CRISPR）的效果和特异性，提高基因编辑的准确性和效率。蛋白质设计和优化：蛋白质设计和优化：辅助蛋白质的结构解析（如AlphaFold）、设计和优化，加速蛋白质工程的过程。生物系统建模和优化：生物系统建模和优化：建立数学模型来描述生物系统的动态行为，通过模拟和预测生物系统的响应和行为，优化代谢网络等系统。工程放大过程优化：工程放大过程优化：利用大量发酵过程数据，结合经验与理论，通过发酵菌种验证、发酵工艺优化，提升产量。技术平台核心能力技术平台核心能力人工智能（人工智能（AIAI）赋能）赋能高性能菌株从实验室走向工业化生产还需要经历小试、中试、量产等关键环节，这就需要企业构建高效发酵优化放大能力来满足高通量菌株性能验证及发酵工艺开发能力的需求，从而让实验室构建好的高性能菌株迈向大规模生产阶段。16生产用菌种筛选，提升鲁棒性是关键生产用菌种筛选，提升鲁棒性是关键在工业生产中微生物需要暴露在更为复杂更为严苛的工业环境条件下完成高产高效的生产任务，包括底物胁迫、代谢产物胁迫、环境压力等。鲁棒性是指生物系统在受到环境变化、随机事件（或细胞内噪声）和遗传变异等不确定干扰时保持其表型稳定性的一种特性。通过人工驯化、诱变筛选、定向进化等方式仍然是必要的手段。在工业化生产过程中,文献报道产量最高的菌株大多数情况下并不能作为最终生产用菌株。通过导入外源基因或代谢通路的再设计,则微生物细胞的鲁棒性往往会被影响。通过定向进化技术,突破理性设计思路的桎梏,将合成生物学与传统的“诱变”结合到一起，配合生物传感器的加持,可以有效解决菌株在体系放大过程中出现生长不稳定、工业培养基适应性、产率产量与实验室数据差异过大等问题。定向进化创新技术定向进化创新技术PASTE（Phage-ASsociated Target Evolution system）是一种创新的基因编辑技术，主要用于在细胞内进行目标DNA序列的定向进化。不同于传统的CRISPR，它用一种特殊设计的“突变酶”（mutagenic nucleases）来替代标准的Cas蛋白。这种突变酶能够在目标位点进行多次切割和修复，从而在一个特定的DNA区域内引发多种突变。可在多个位点同时进行突变的特点，为基因编辑带来了全新的可能性，特别是在进行定向进化研究时，其潜力巨大。对于工业应用，尤其是酶设计和优化方面有着重要的价值。酶工程：酶工程：通过在特定氨基酸位点引入突变，PASTE可改进酶的活性或稳定性。药物开发：药物开发：PASTE可定向进化抗体或其他蛋白，以提高其与目标分子的亲和力。规模化生产核心能力规模化生产核心能力高效发酵优化放大高效发酵优化放大17高效优化放大打通“小试高效优化放大打通“小试 中试中试 量产”路径量产”路径先进传感器：先进传感器：可以检测更多生物反应器中的参数，据此判断生物反应过程是否正常，而无需通过取样、离线检测再进行判断和调整控制策略，如发酵尾气分析、在线质谱检测、在线光谱检测、胞内代谢物实时荧光检测、发酵过程装备及数据处理自动化等。高通量平行反应器：高通量平行反应器：利用高通量平行反应器可以提高发酵实验的通量，更高效地实现发酵菌种验证、发酵工艺开发和放大等工作。发酵技术创新：发酵技术创新：如高密度发酵技术、有氧-无氧双通道发酵、直接罐上实现菌种培养和发酵一体化等。数字孪生有望成为发酵过程智能化的未来潜力数字孪生有望成为发酵过程智能化的未来潜力高效发酵优化放大技术正推动发酵过程向大数据发展，随着发酵数字化基础设施的逐渐完善，以及整个制造业向数字化、智能化转型升级，基于数字孪生系统的过程模拟、预测、优化策略、甚至自动优化调控等一定会进一步加速发酵过程的优化和放大进程。在智能制造的驱动下，数字孪生整合了多属性、多维度、多应用的仿真技术，通过数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能进行描述和分析，并结合先进传感器、工业互联网、历史大数据等技术实现监控、预测、数据挖掘等功能。数字孪生的主要特点表现在：通过物理世界和数字世界之间的互联互通和智能化决策来实现生产过程的自组织、自适应和智能化运行。图11丨数字孪生发酵生产框架（来源：CNKI）规模化生产核心能力规模化生产核心能力高效发酵优化放大高效发酵优化放大工程菌株大规模发酵的工艺开发和技术优化是工业化制造必然面临的重要课题。大规模发酵过程是多相反应体系，从实验室小规模发酵到中试规模再到工业化生产，发酵体积的增大会直接影响生产效率、生产成本和产品的质量稳定性。利用智能精密设备群、生物反应器的开发、数字化工艺，运用合成生物数据驱动的逻辑，推动传统发酵从粗放的曲线变化，走向更深入的代谢流分析。发酵工艺参数的优化发酵工艺参数的优化：大规模发酵罐需要机械搅拌以保证培养基、氧气和热量的均匀分布。通过调节发酵参数，如温度、pH、氧气供应、营养物质浓度等，实现最佳生长和产物合成条件。发酵过程的自动化和监控：发酵过程的自动化和监控：应用自动化技术和传感器监测系统，实时监控发酵过程中的关键参数。污染控制：污染控制：确保发酵过程的无菌条件，采取适当的污染控制措施，包括设备清洁和消毒、操作员培训和规范操作程序等。规模放大和工艺转化：规模放大和工艺转化：综合考虑设备、能源消耗、传热和质量传递等因素，对发酵工艺进行规模放大，实现从小规模到大规模的平稳过渡。18图12丨经典发酵罐及相关控制参数（来源：CNKI）数字化中试模块发酵过程控制数字化下游工艺 精密传感组合 普适放大算法模型 自动化发酵控制 发酵参数：pH、OD、温度、搅拌速度 取样分析：菌体浓度、代谢产物 实时精密的发酵曲线检测与比对 填料性能及成本数据分析 多次回收方案损失量与成本数据分析 提升收率、优化下游成本图13丨智能精密发酵控制（来源：态创生物）大规模发酵生产中，实现绿色制造也非常重要，如采用农作物秸秆、林业废弃物等非粮生物质原料替代粮食能源、清洁生产（不采用化学试剂、重金属催化剂）、三低控制（低能耗、低污染、低碳排放）以及生物固碳等。规模化生产核心能力规模化生产核心能力大规模发酵技术大规模发酵技术在竞争激烈的市场中，能够实现快速商业化落地构成了合成生物平台能力的核心竞争力和商业壁垒之一。而合成生物学平台商业转化历程包含了从基础研究到最终商业消费的全周期链条，大致可分为两个层面：19基础研究基础研究技术转化技术转化产品初创产品初创0 0到到1 1产品生产产品生产1 1到到100100规模化商用规模化商用B B端端/C/C端端消费消费商业洞察力选品能力成本控制技术范畴技术范畴商业范畴商业范畴合成生物企业通过平台能力建设，可以提供多样化产品，实现跨行业覆盖来满足不同市场需求，从而扩大市场机会，提高企业竞争力，规避单一品种的行业周期风险，实现业务的多元化和收益的多样化。图15丨合成生物学相关应用行业与多样化产品（来源：公开信息、DeepTech）产品质量市场推广能力产业生态建设能力要实现多样化产品跨行业覆盖，需要具备先进的技术优势、跨学科的团队组成、敏锐的市场洞察力、完善的供应链管理和大规模的生产能力。多品种产业化能力多品种产业化能力快速商业化落地快速商业化落地&多样化产品覆盖多样化产品覆盖图14丨技术与商业共同赋能多品种的产业化能力（来源：公开信息、DeepTech）在全球化竞争环境下，合成生物公司需要依托全链路平台能力建设，通过多元化的合作，构建全球产业生态，来应对日渐激烈的挑战。通过与高校科研机构、产业同行、下游产品应用公司等合作伙伴打造开放合作模式，实现资源共享与成本优化，加速产品开发和市场推广，以及拓展商业机会，加快创新和发展步伐，推动产业的进步与发展。20拓展专业知识和技术能力拓展专业知识和技术能力通过与高校科研院所的合作，公司可以跨越自身内部专业知识的限制，拓展技术能力的范围。利用自身的全产业链布局，协助打通科研院所的实验室小试阶段到中试放大、量产的生产链路，加速科研成果转化。实现资源共享与成本优化实现资源共享与成本优化开放的合作模式可以共享实验室设备、生产设施、人力资源等，降低企业和合作伙伴的研发和生产成本。同时，合作双方可以互相弥补双方专业知识和经验的不足提高资源的整体效益。加速产品开发和市场推广加速产品开发和市场推广与行业领先者、合作伙伴或客户的合作可以提供市场洞察力、验证合成生物平台价值和市场渠道，帮助更快地将产品推向市场并获得认可。合作伙伴的品牌影响力和资源支持有助于加快产品的市场渗透和推广速度。拓展商业机会拓展商业机会通过与其他企业的合作，可以共同开发新产品、共享知识产权，甚至共同成立合资企业，或者链接科研机构和合资方。多元化的合作模式可以整合双方的优势资源，共同探索市场需求，拓展产品的应用领域和市场份额。多元化合作能力多元化合作能力构建多元发展的产业生态构建多元发展的产业生态图16丨从0-1全链路解决方案模型（来源：态创生物）全链路平台能力建设串联合成生物学产业各发展类型全链路平台能力建设串联合成生物学产业各发展类型 使能技术型使能技术型 技术服务型技术服务型 大单品导向型大单品导向型 多产业链应用型多产业链应用型以市场需求为驱动开展选品和商业化以市场需求为驱动开展选品和商业化面向“存量替代”与“增量拓展”面向“存量替代”与“增量拓展”，宜采用不同商业化策略，宜采用不同商业化策略开展应用研究，打通合成生物“一站式”解决方案开展应用研究，打通合成生物“一站式”解决方案GinkgoGinkgo横向整合，推升核心技术壁垒横向整合，推升核心技术壁垒态创生物态创生物多物质量产的平台型发展企业多物质量产的平台型发展企业ChapterChapter 3 3 合成生物全链路平台的产业化合成生物全链路平台的产业化2122使使能能技技术术型型多多产产业业链链应应用用型型技技术术服服务务型型大大单单品品型型DNA/RNA合成测序元件库工具酶菌株库基因编辑工具菌株设计改造酶工程自动化平台数据库服务生物医药&大健康高附加值产品&天然产物生物基化学品&大宗产品农业&育种生物制造领域的基础设施，为生物设计和研究提供了基础支持 仪器设备的研发、设计、制造企业，如贝克曼等生命科学仪器公司 合成、测序、数据库等服务企业，如金斯瑞、擎科生物等侧重打通DBTL的循环迭代，来建立一个生物体设计与软件开发的集成化平台，获得满足需求性状的微生物细胞工厂。这种模式强调技术创新和平台的建设，为合成生