2024中国合成生物学产业白皮书.pdf

2024年4月波士顿咨询公司、上海合成生物学创新中心与B Capital联合研究中国合成生物学产业白皮书2024目录1.内容概览 12.合成生物学概况和发展前景 22.1 合成生物学定义、发展历史和布局意义 22.2 合成生物学产业链和底层技术 42.3 合成生物学子行业、企业分类 42.4 合成生物学市场规模 93.全球和中国合成生物学细分市场 113.1 上游：使能技术平台 113.2 中游：平台赋能型公司 123.3 下游：按产品类型划分 154.中外产业生态对标 324.1 国家和地方政策 324.2 产业集群、产业园 334.3 科研机构 344.4 资本投入 354.5 行业协会 37波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月1.内容概览合成生物学是一项基于工程化理念的跨学科领域，结合多学科知识，为改造和创造人造生命体系提供了独特的视角。自21世纪初问世以来，合成生物学经历了DNA工程、生物分子工程、宿主工程、计算机技术等多个方向的技术突破，已经发展成为了一门高度体系化的学科。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。在双碳减排成为产业发展主旋律的当下，发展好合成生物学具备尤为重要的战略意义。全球合成生物学产业正处在高速发展期。合成生物学产业链环环相扣，上游企业聚焦于使能技术开发，中游企业提供赋能型技术平台，下游企业则为各垂直行业带来创新产品。本报告根据需求量和单位价值两个维度将终端产品归为三大类：第一类为市场需求量少、单位价值高的产品（例如创新药），第二类为市场需求量中、单位价值中的产品（例如农业、食品相关产品、精细化学品），第三类为市场需求量大、单位价值低的产品（例如大宗化学品、生物能源）。基于对国际及国内行业洞察，本报告对终端产品在各个垂直领域的应用进行分类研究，总结了合成生物学在生物医药、农业、食品与营养、消费个护、高性能材料、大宗化学品、生物能源等方向的应用，并对各细分行业的发展前景进行评估。合成生物学的发展将切实地改变人们生产生活的方方面面。生活中，人们可享有更加美味人道的食物、功效新颖的个人护理用品、更加安全有效的医疗服务。生产中，各企业可获取更加经济环保的原材料、更加可持续的能源，并以更低的成本、更好的产品来颠覆全球供给格局。相对于发达市场，中国合成生物学产业虽然起步较晚，但发展势头强劲。近年来，政策对于合成生物学产业的支持力度不断加大。各主要省份均在加紧布局合成生物学产业集群，科研院所的发展也呈现出多点开花的态势。科技与产业的结合吸引了大量国际及国内资本对于本赛道的关注，而资本的注入正不断加速技术从实验室走向市场的进程。合成生物学产业的发展不仅是行业风口，更是中国产业实现跨越式升级的契机。在上海合成生物学创新中心的支持下，BCG与B Capital联合推出本报告，旨在总结合成生物学产业发展的趋势，并为相关领域的研究和实践提供有益的思考。中国合成生物学产业白皮书2024 波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202422.合成生物学概况和发展前景2.1 合成生物学定义、发展历史和布局意义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（参阅图1）。定义：采用工程化的设计理念，改造或创造超越自然功能的人造生命体系（狭义）或功能系统（广义）狭义两大方向：Top-down：应用基因工程和代谢工程等技术，将全新功能引入活细胞等生命体；也包括在此基础上设计组装的生物非生物混合系统 “改造生命”Bottom-up：体外合成全新生命系统，如人工细胞等 “创造生命”广义边界拓展：任何对生命有机体关键要素的创新应用，如酶催化合成、无细胞合成、DNA存储等DBTL循环生物分子工程：生物元件设计和优化、基因线路设计等DNA工程：基因合成、基因（组）编辑等宿主工程：基因/转录/蛋白/代谢多组学品系特征分析、菌株改造计算机和数据科学：数据分析、基因回路设计、虚拟细胞建模、仿真测试等 两大角度：改变生产方式（new process）开发全新产品（new product）行业应用：农业医疗化工能源 环境食品材料定义内涵核心理念Learn学习Design设计Test测试Build构建关键技术下游应用来源：BCG分析。图1合成生物学定义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）。广义的合成生物学还包括任何对生命有机体关键要素的创新应用，如酶催化合成（催化单元）、无细胞合成（转录和翻译系统）、DNA存储（遗传密码）等。合成生物学的发展大致经历了四个阶段：创建时期（2000年2003年）：本阶段产生了许多奠基性的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用。2000年是行业公认的合成生物学波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书20243元年，两篇Nature文章分别设计全球首个基因波动开关和生物振荡器；2003年，“合成生物学教父”汤姆奈特（Tom Knight）教授开发BioBricks，使生物组件的标准化装配成为可能。应用开发上，2002年诞生首例人工合成病毒，且具备侵染能力；2003年，实现人工合成噬菌体基因组；同年，首次通过引入人工基因改造E.coli代谢途径，实现青蒿素前体生产，开启人造细胞工厂生产天然产物的新时代。扩张和发展期（2004年2007年）：2004年举办“合成生物学1.0”大会，这是本领域第一个国际性会议；同年，麻省理工学院（MIT）举办首届iGEM竞赛，成为迅速推广合成生物学概念和促进生物学、工程学等跨学科协作的强力催化剂。技术突破上，实现了RNA调控装置的开发，整个领域的设计范围开始从以转录调控为主，扩大到转录后和翻译调控；应用开发上，2006年首次实现利用工程化改造的E.coli侵入癌细胞，成为工程化活体疗法的先驱。创新和应用转化期（2008年2013年）：这一阶段涌现出大量新技术和工程手段，使合成生物学研究与应用领域大为拓展。例如，技术上，2009年、2011和2012年分别开发MAGE、TALEN、CRISPR/Cas技术用于基因/基因组编辑，开启基因改造新纪元；细胞工厂开发上，在E.coli中先后实现支链醇、生物柴油、1,4-丁二醇和生物汽油等多种产品生产，2013年Amyris公司利用酵母菌株商业化生产青蒿素；合成生命领域，2008年实现生殖支原体全基因组合成，2010年制造出可自我繁殖的全球首例人造“人造细胞”（人造支原体Synthia），2011年美国、中国、英国、新加坡、澳大利亚等国启动“人工合成酵母基因组计划”（Sc2.0 Project），旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体。发展新阶段（2014年以后）：工程化平台的建设和生物大数据的开源应用相结合，全面推动合成生物学技术创新以及相关应用的开发和商业化。部分代表性技术或应用里程碑包括人工密码子及非天然氨基酸系统的开发、计算/AI蛋白结构设计及预测、DNA存储、以二氧化碳为原料人工合成淀粉等。合成生命领域，提出最小基因组（“最简生命”）概念并在支原体、E.coli、酵母等不同人造生命体系上陆续实践，开发人造核糖体、线粒体、叶绿体等合成细胞器、开发人造胰岛细胞等，以及作为Sc2.0 Project的延续，对基因组和染色体的重构开始从仅序列层面向空间三维结构拓展。合成生物学具备三大至关重要的战略和商业意义（参阅图2）：第一，替代传统化石原料和高污染的化工生产工艺，实现节能减排、满足环保要求；第二，以属地常见生物质废料甚至二氧化碳为碳源开发全新合成路线，打破原料及产品的进口依赖，保障供应链安全；第三，通过开发全新产品或成本更低的生产路线，快速、全面颠覆全球产品供给格局，实现商业获利。近年来，合成生物学陆续被美国、英国、中国等多国纳入国家战略，各国纷纷加大在合成生物学领域的研发和投资。波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202442.2 合成生物学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（参阅图3）。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。2.3 合成生物学子行业、企业分类根据价值链所处位置来看（参阅图4），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（参阅图5）、使用技术（参阅图6）、产品属性（参阅图7）等不同维度进行归类。当前可实现平均节能减排30%50%，未来潜力50%70%原料端：可使用清洁的生物质甚至CO2作为碳源，摒弃高污染化石原料 生产端：可使用高效的体外生物催化体系或细胞工厂，替代多步化学反应以中国本土企业成功案例为例：原料突围：华恒生物全球首家实现发酵法生产丙氨酸，打破传统路线对石油基原料的依赖 产品突破：凯赛生物建立全球唯一的合成生物学长链二元酸生产平台，打破中国以往全部依赖进口的局面以中国本土企业成功案例为例：华熙生物、福瑞达等：透明质酸钠全球供给80%巨子生物、锦波生物等：重组胶原蛋白全球供给95%凯赛生物：长链二元酸全球供给80%华恒生物：丙氨酸全球供给50%此处和后续讨论暂不包括创造生命及DNA存储预计到本世纪末，合成生物将广泛应用在占全球产出1/3以上的制造业，创造30万亿美元的价值全新产品或成本优势，颠覆全球供给格局打破原料/产品进口依赖，保障供应链安全替代传统化石原料和生产工艺，实现节能减排来源：案头研究；BCG分析。图2合成生物学战略和商业意义波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书20245 酶法工艺 生物发酵 酶设计与改造 针对酶的催化活性、稳定性、底物特异性等，进行定向进化或从头设计 多酶级联催化 一个反应釜中组合多个催化步骤（级联反应）无细胞/类生命系统 利用细胞内的活性成分，在体外构建并实现复杂的生物合成过程 对生物体进行设计、开发的技术平台；与下游公司相比，更强调技术平台的通用性 平台类企业核心技术包括：路线设计 菌株开发：底盘细胞选择、代谢途径重构 菌株优化：耐受性、表达量 D-设计环节：测序 数据库 工具集 B-构建环节：DNA合成 DNA拼接 基因编辑 定向进化 T-测试环节：设备自动化、高通量化 虚拟测试 L-学习环节：AI赋能 利用合成生物学技术生产产品，并推动商业化 与中游公司相比，更强调应用领域的聚焦和产品的精细打磨 核心技术在于大规模生产批间差和良品率的把控 细胞工厂 改造自然界中已存在的代谢通路，提高目标产品的生产效率 拼接/设计自然界不存在的生物合成途径国外国内国外国内使能技术开发上游中游下游平台类公司，提供技术赋能产品研发与应用公司新技术、降成本优化菌株、跑路线放大生产、卖产品合成生物学解决方案原材料细胞工厂发酵过程基因修饰提取纯化产品体外路线体内路线GinkgoBioworksCysbioCodexis弈柯莱生物森瑞斯凯莱英Bolt Threads ImpossibleFoodsGenomatica蓝晶微生物微构工场凯赛生物来源：专家访谈；BCG分析。图3合成生物学解决方案及上中下游产业链特点12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/高通量设备等传统分类方式：按下游应用分类 如化工材料、生物医药、食品、农业、消费品等按技术分类：根据起始原料和生产路线划分 是否使用生物基原料？是否使用酶催化、细胞工厂等生物合成路线？按产品属性分类：根据目标产品的需求体量和单位价值分类 如单位价值高/市场需求量少的产品、单位价值低/市场需求量大的产品等领先企业已开始以CRDMO模式提供全链条的工程化开发及转化服务，可按技术路线分为体内路线平台和体外路线平台（例如工业酶开发）大多数企业属于该类，聚焦特定细分产品从路线开发到产品商业化的整体通路；随自身管线开发步入后期，重心将逐步转向产品的商业化生产和销售上游中下游使能技术开发平台赋能型公司产品研发与应用企业合成生物学产业链来源：专家访谈；BCG分析。图4合成生物学子行业波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书20246从技术视角，根据企业当前所使用的起始原料及生产技术路线，可一定程度提示其未来技术升级方向（参阅图6）。起始原料可分为化石原料和生物原料，技术路线可分为全化学路线、化学和生物结合路线（非一步反应）、生物催化/酶法合成以及生物发酵/细胞工厂四类。在实现最低生产成本的前提上，使用生物基原料（摆脱化石基原料依赖）同时摒弃化学路线（生产过程绿色环保）的合成生物学生产模式是未来将迎来高速发展的理想模式。从产品视角，可根据终产品的需求体量和单位价值将其划分为三类（参阅图7），提示相应子行业长期发展以及赛道企业成功的关键要素。第一类为市场需求量少、单位价值高的产品，主要下游应用为生物创新药开发。这类产品往往面对着生物医药行业的通用挑战需具备差异化优势、需通过临床检验（开发周期长、风险大且成本高）、需满足GMP生产要求等。第二类为市场需求量中、单位价值中的产品，主要包括农业和精细化学品，下游应用为高性能材料、消费品、原料药/中间体等领域。这类产品市场高度分散、可开发产品多，需识别高潜力、高可行的机会。但开发新分子、开辟新市场在高收益的同时也面临高风险，如研发上缺乏对目标分子设计的明确理论指导，商业上对营销能力的要求也较高，相关法规监管也需逐一突破。合成生物主要应用前景生产原料/中间体育种化肥农药光自养平台细菌工程化改造人工病毒/噬菌体可控细胞与基因治疗替代蛋白营养添加剂香精香料甜味剂/防腐剂等功能性蛋白/多肽功能性小分子耐用生物皮革环境友好家具新型聚合材料高性能蛋白碳源优化新生物能源形式传统化工替代工艺效能提升活体功能材料生物医药农业大宗化学品生物能源消费个护高性能材料食品与营养来源：专家访谈；B Capital分析；BCG分析。注：非穷尽列举。图5根据下游应用划分合成生物学子行业波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书20247未来将重点发展的合成生物学领域，战略和商业意义兼具基于不同的原材料和目标产品，选择/组合最合适的技术路径以现成的化石基原料为材料，无法真正摆脱原料“卡脖子”，更多关注商业意义不属于严格意义的合成生物学企业A企业H企业I企业B企业C企业D企业E企业F企业G化石基材料生物基材料化学合成生物催化生物发酵生化结合路线起始原料技术路线来源：专家访谈；BCG分析。图6根据起始原料和技术路线划分合成生物学子行业 新药开发10K 元/克或毫克农业及精细化学10K 元/千克大宗商品及生物能源10K 元/吨单价 10K 元/质量单位低产品单价、高需求量 较难对行业进行可行性预判，如可用生物替代品取代的产品类别、生物合成能否成本占优等 生物基碳源数量有限且对纯化要求高 可能存在污染物排放，对选址和污水处理要求高“超级工厂”规模生产难度大，原料供给、生产产能、纯化能力等方面均存在卡点中产品单价、中需求量 市场高度分散，可开发产品多、选品困难 缺少指导目标分子设计的研发标准 需要配备高通量筛选设备 发酵产能有限 中国监管较严，新材料可能难以获批 对商业营销能力要求高高产品单价、低需求量 需要具备差异化优势 临床检验周期长、风险大、投入高 需要满足GMP生产要求生物医药大宗化学品能源农业 合成材料消费个护食品饮料合成生物学下游行业单价与需求量示意图产品类型及核心挑战代表子赛道终端产品举例需求量来源：专家访谈；BCG分析。图7根据产品属性划分合成生物学子行业波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书20248第三类为市场需求量大、单位价值低的产品，主要为大宗化学品（包括基础化学品和普通材料）、生物能源等。这类产品所面临的挑战主要是正确的可行性预判（生物合成能否成本占优），以及“超级工厂”级别的超大规模生产挑战（如原料供给是否充足并稳定、生产产能建设、纯化能力等）。从终端产品角度看，小分子的开发难度相对高于以蛋白质为代表的大分子以及活细胞的工程化改造，其挑战主要来自基于细胞系统的合成生物学技术存在众多限制，如起点及路径选择缺乏理论指导、细胞构建及筛选仍为“体力活”等。展望未来，除了更多数据积累允许AI指导路线选择及模拟测试外，无细胞合成体系作为一种基于细胞体外酶促体系的合成系统，可提升合成效率，并免除宿主逃逸、代谢负担等细胞系统技术难题，有望成为破除小分子合成难题的关键点（参阅图8）。低：目标产品为活细胞，比如工程菌、细胞和基因治疗中：目标产品为蛋白质，比如人造肉、人造奶、荧光植物等，本质上接近于重组蛋白设计；挑战在于放大生产的成本控制 高：目标产品为小分子或催化特定路线的酶，比如生物合成工艺路线等 起点及路径选择缺乏理论指导 以什么作为起始原料：如目标分子的常见上游产物、初级碳源甚至CO2？如何选择技术路线及设计合成路线：如细胞工厂一站式？化学与生物结合？细胞构建及筛选仍为“体力活”生物代谢反馈机制不明确，实验室筛选无明确方向、耗时巨大 其他技术挑战：需考虑工程细胞及其宿主系统的生物安全性 需将设计特征编码到活细胞中并反复测试，以最大限度减少与内源性分子程序抵抗，并平衡宿主代谢负担和产出效率，设计构建测试周期长 小分子合成的挑战活细胞改造的挑战蛋白质合成的挑战基于细胞系统的合成生物学技术存在众多限制：挑战在于面向下游应用的优化，如口感、材料舒适性等 挑战主要在于实现临床有效性和安全性是一种基于细胞体外酶促体系的合成系统，由于合成系统与细胞系统脱离，提升合成效率，同时免除了宿主逃逸、代谢负担等细胞系统技术难题Surto Biopharma使用无细胞合成平台生产ADC，实现含有非天然氨基酸的蛋白质生产，及其与其它小分子的偶联 凯莱英将无细胞合成体系应用于高通量酶筛选，在少量酶（如200个酶）制备方面，可节约人工50%，节约时间90%基因载体细胞细胞筛选细胞转染诱导表达、细胞培养与收获细胞裂解分离、纯化分离、纯化启动蛋白质合成加入水、DNA生成目标产物小分子或酶，也可进一步合成蛋白质核糖体，tRNAs，氨酰-tRNA合成酶，氨基酸，NTPs，酶伴侣细胞裂解细胞培养与收获 体内合成体系体外（蛋白质）合成体系 C(P)FS随着目标产物向中心法则后端延申，设计和筛选难度依次增加无细胞合成体系或成为破除小分子合成难题的关键点来源：专家访谈；BCG分析。图8合成生物学设计及筛选难度分析波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202492.4 合成生物学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（参阅图9）。0.30.21.60.020180.73.62028估2023估5.317.149.8+27%+24%医疗健康食品与农业化学工业消费品专业科研（十亿美元）26%年均增长率18-23年年均增长率23-28年15%46%44%26%24%32%37%22%19%27%24%2.11.16.42.03.44.413.312.79.910.5来源：CB Insights；B Capital分析。图9合成生物学全球市场规模合成生物学产业的发展带来了一大批行业应用场景（参阅图10）。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。两个层面的因素影响合成生物应用的普及：技术成熟周期一项合成生物技术从科学理论发展成为商业应用需要多久的时间，在很大程度上影响波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202410了相关应用场景的普及。由于复杂技术的发展历程是非线性的，且技术发展的过程中常伴随大量偶发事件，技术发展时间具有高度不确定性。但从技术到商业应用，有两项关键里程碑：应用规模：如果科学家能证明实验室技术可以在工业规模下跑通，那么该项技术具备初步应用的前提。在实务中，大量技术路径失败的原因就是无法从实验室级别放大为工业级。例如，在生物反应器中制造酵母每年至少需要600千升的规模，而制造动物细胞仅需45千升。技术的工业化规模提升是一个艰苦卓绝的过程。推广成本：新技术得到推广的必要条件是能将产品生产成本降至传统技术以下。在工业化技术推广路径中，将生产设施尽可能靠近原料来源是优化成本的主要路径之一。技术传播度技术传播度是指一项技术获得行业认可的程度。技术传播度受到一系列因素的影响，包括：监管法规、行业集中度、投资、产品性质、稀缺程度等。此外，技术传播速度也取决于产业生态成熟，以及技术人才、技术伙伴和产业链的可得性。行业化工、材料农业、食品医疗保健预计完成工业化所需时间消费品（如美容）10年以上05年510年基础化学品聚羟基烷酸酯（PHA）成熟品种（PHB,PHBH,P34HB,PHBV）高性能蛋白 面向专业领域高性能蛋白面向大众市场建筑材料部分举例下游聚合物植物基食用蛋白细胞基食用蛋白植物细胞工厂营养添加剂/香精香料发酵法食用蛋白原料药（半合成）原料药（全合成）细胞/基因疗法工程菌疗法（基因改造）医用材料干细胞再生器官依托基因技术预防虫媒传染病生物氮和固磷（除共生外）优化光合作用高性能蛋白质保湿剂（低成本合成）活体功能材料（再生医学）生物固氮共生固氮驯养繁殖生物杀虫剂基于植物的杀虫剂其他小分子功能性成分胶原蛋白其他大分子功能性成分（如唾液酸）添加剂/辅料聚羟基烷酸酯（PHA）其它品种蛋白质无细胞合成（如抗体）噬菌体疗法来源：专家访谈；BCG分析。图10合成生物学在主要领域的发展路径图波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书2024113.全球和中国合成生物学细分市场3.1 上游：使能技术平台当前中国多项关键使能技术落后于海外，亟需快速追赶以掌握合成生物学上游话语权。上游使能技术主要围绕设计构建测试学习（DBTL）展开（参阅图11）。DBTL循环行业尚处早期，但中外差距仍较大国内外尚处发展初期，依赖人工经验总结及学习。其中，数据分析、蛋白质结构预测及设计等尚未实现智能化，但海外在预测算法准确度、数据积累、不依赖注释预测算法等领域领先；在路线设计、仿真测试等合成生物学领域特有需求的技术开发，全球均未突破中外差距较大国内当前以自动化机械辅助的人工测试为主，美国合成生物学巨头Ginkgo Bioworks已将EncapS液滴微流控平台投入商业应用，实现百万级别的菌株筛选外强中弱国际常用数据库KEGG等已较为普及，将基因组、化学、系统功能等信息进行整合，国内企业尚依赖海外数据库及工具进行分析和设计中国自主开发出基于Cas13的基因编辑技术，突破CRISPR/Cas9专利封锁，但商业化进展仍比较缓慢 中国快速追赶常见的三代测序技术如SMRT单分子测序和纳米孔测序等；海外头部企业技术开发均始于2003至2006年期间，中国跟进型研发大多十年后才开始，相关测序仪产品刚开始商业化二代芯片技术正在逐步突破片段长度，国内企业金斯瑞后来居上，在高通量合成上具有优势；三代酶促合成技术，包括体外和体内两大思路，全球尚处早期 DeepMind,AlphaFoldPacBio，Oxford Nanopore，真迈生物，齐碳科技KEGG，UniProtGinkgo Bioworks,Codex DNATwist Bioscience，CustomArray，金斯瑞Editas Medicine，辉大基因 关键技术中外差距公司举例关键技术中外差距公司举例关键技术中外差距公司举例关键技术中外差距公司举例中国快速追赶中国快速追赶AI赋能数据分析、蛋白质设计、路线设计、仿真测试等高通量、自动化平台测试及筛选DNA测序数据库和工具1 DNA合成基因编辑Learn学习Design设计Test测试Build构建来源：专家访谈；BCG分析。1 包括生物学通用：NCBI/UniProt；合成生物学专用：KEGG/IGEM等。图11合成生物学上游使能技术中外差距对比在设计环节，二代测序技术目前中外同步，华大智造的数据产出速率、有效reads等指标与海外领先企业相当，关键零部件和上游技术进一步国产化持续推进中；三代测序技术国内生物技术公司跟进型研发起步较晚，相关测序仪过去几年陆续问世；在数据库和工具上，国内企业高度依赖海外数据库及工具进行相关分析和设计，而国际常用数据库KEGG等已较为普及，实现将基因组、化学、系统功能等多维信息的整合。此外，国外的平台公司拥有自己的基因代码库和菌株数据库，如Zymergen。海外AlphaFold2、BioStudio等各类平台软件，已开始实验性用于生物元件、代谢通路和基因组的设计。未来需要国内企业累积自有细胞菌种库，并通过拓展生物元件库和代谢网络等来拓展数据库的数据深度和广度，同时进一步积累人工智能know-how（数据累积及算法训练）。波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202412而在构建环节，中国在DNA拼接上已做到与海外同步，在酶切链接、Gibson链接、酵母同源重组等技术中外无代差；对于DNA合成和基因编辑也在快速追赶，逐步突破专利封锁。海外有Codex DNA、DNA Script、Twist Bioscience、CustomArray、Thermo Fisher Scientific、Editas Medicine、CRISPR等代表企业，国内也有金斯瑞、华大基因、辉大基因等代表企业。未来行业仍需继续攻克难以合成长链DNA及成本高等问题，并在基因编辑上攻克精确性问题和效率问题。在测试环节，国内以自动化机械辅助的人工测试为主，中外当前差距较大。美国合成生物学巨头Ginkgo Bioworks已将EncapS液滴微流控平台投入商业应用，实现百万级别的菌株筛选。未来微流控芯片技术的进一步推广需要解决大规模生产的成本问题及控制平台小型化问题，同时进一步提升通量。在学习环节，目前国内外均处于发展初期，依赖人工经验总结及学习。其中，数据分析、蛋白质结构功能预及设计等尚未实现智能化，但海外在预测算法准确度、数据积累、不依赖注释预测算法等领域领先；路线设计、仿真测试等合成生物学领域特有需求的AI技术开发，受限于数据集样本规模，全球均未起步，距离成型工具的出现还有很长的路要走。3.2 中游：平台赋能型公司海外领先企业在体内/体外工程转化平台上均已形成成熟商业模式，已出现以Gingko Bioworks为代表的“全能选手”。国内的平台赋能型企业尚处商业模式的早期阶段，仅在工业酶开发上与海外差距相对较小（参阅图12）。3.2.1 初级形态/简单：酶工程酶作为生物催化剂，作用条件温和、催化效率高、专一性强。而一般化学反应具有高温、高压、耗水、反应条件苛刻等特点，存在资金投入多、资源消耗大以及环境污染严重等缺点。与石化路线相比，酶制剂应用于不同行业可平均节能减排30%50%，未来潜力将达到50%70%，这对工业基础原材料的化石原料路线替代、高能耗高物耗高排放工艺路线替代以及传统产业升级，将产生重要的推动作用（参阅图13）。在中国的战略性新兴产业行业目录分类中，酶制剂属于生物产业中的特殊发酵产品与生物过程装备。全球酶制剂行业在2023年的市场规模预估80亿美元100亿美元左右，诺维信（Novozymes）1、杜邦（DuPont）和帝斯曼（DSM）2等是全球工业酶制剂的领先企业。中国酶制剂产量于2021年达到160万吨，国内龙头企业包括蔚蓝生物、溢多利等。1 2024年1月，诺维信与科汉森（Chr.Hansen）完成合并，合并后的新公司命名为诺和新元（Novonesis）。2 2023年5月，帝斯曼宣布与芬美意达成合并，组成新公司帝斯曼芬美意（dsm-firmenich）。波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202413以客户指定产品为目标，基于专有菌株库、细胞构建和高通量测试能力，设计目标产物的高效合成路径，以及放大生产工艺Bolt ThreadsGinkgo Bioworks恩和生物衍进科技SurtoBiopharma弈柯莱生物ThermoFisherScientific凯莱英诺维信溢多利外强中弱，海外头部企业的高通量筛选测试平台已较成熟，具备平行开展数十个项目开发的能力中国企业布局相对较晚，在菌株库、元件库、自动化/高通量体系等关键领域较为落后外强中弱，海外已参与到肺炎球菌疫苗、ADC等商业化产品开发生产，中国企业近期刚刚完成技术突破，商业化进程相对较慢中外接近，酶工程平台发展较早，中外差距相对较小，但中国企业在创新和工艺上仍有提升空间以客户指定产品为目标，基于体外合成体系设计能力（含氨酰-tRNA合成酶、核糖体、延伸因子、转录起始因子等），设计和优化目标产物的体外高效合成路径以自然界存在的酶促反应路径为基础，优化酶的底物谱、催化效率和生产工艺等，实现低成本的工业用酶生产国外国内无细胞系统合成平台细胞铸造厂酶工程平台业务范畴发展现状代表性企业中游平台类型来源：专家访谈；BCG分析。图12合成生物学中游转化平台中外差距对比-30-40-100-150-150-200-600-1,300-3,400-3,800使用1KG酶制剂减少CO2释放量（KG）生产1KG酶制剂释放的CO2量（KG）+：1-10动物饲料皮革纺织品生物酒精去污剂食品林产品油类与脂肪生物催化烘焙来源：诺维信；Enzyme：Innovationen und regulatorische Situation。图13酶制剂在不同行业中应用的减碳效果波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202414诺维信是生物解决方案的全球龙头企业，2023年收入为25.99亿美元。诺维信从微细菌、真菌等生物中提取酶，以米曲霉菌（Aspergillus oryzae）最为常用。诺维信的酶制剂覆盖30多个行业，如用于家庭护理的纤维素酶、用于农牧行业的蛋白水解酶、用于食品行业的天冬氨酸酶、用于碳捕捉的碳酸酐酶等。利用碳酸酐酶捕捉烟道废气中的碳，捕捉率达90%、可产生纯度不低于99.95%的二氧化碳，成本与传统方法相当或更低。蔚蓝生物在国内酶制剂市场处于领军地位，其酶制剂主要有三大应用领域：饲料酶，主要包括植酸酶、木聚糖酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶以及复合酶等；工业酶，主要包括纤维素酶、木聚糖酶等；食品酶，主要包括葡萄糖氧化酶、葡萄糖转苷酶等。蔚蓝生物2022年收入11.6亿元，总毛利率和净利率分别为43.2%和6.0%，而从蔚蓝生物的财报看，酶制剂产品的单价在2万元/吨6万元/吨不等。目前，国内酶制剂企业主要生产淀粉酶、糖化酶等传统酶制剂。随着技术水平的不断提高，部分技术领先的国内酶制剂企业逐步打破跨国企业拥有的新菌种、新基因等核心技术壁垒。然而，国内酶制剂企业与世界领先的诺维信、杜邦、帝斯曼等公司在规模表达系统的开发及保护、蛋白质工程改造、发酵工艺等方面仍有差距。具体而言3:国际大型酶制剂公司将规模表达系统视为最核心的竞争力，持续投入巨资开发和保护，打造了从细菌到真菌等一系列受专利和商业机密双重保护的专属表达系统。国际顶尖酶制剂公司通过蛋白质工程改造，提高酶的耐温性、耐酸性、耐蛋白酶特性和酶活等性能，并开发出饱和突变、分子进化等蛋白质工程改造技术。许多酶产品通过专利保护其改造后的关键残基突变形成壁垒。国际大型酶制剂公司经过多年积累，发酵工艺已达到很高水平，建设了全自动化生产车间，配备有全自动的发酵和提取设备、检测仪器及软件控制系统。在传统酶制剂领域，供给上已呈现同质化严重、技术含量较低、市场竞争激烈、产能过剩的现象。在新型生物酶领域，跨国企业拥有的新菌种、新基因等核心技术壁垒逐步被国内企业打破。随着技术水平的快速发展，国内企业陆续开发出了很多新的酶制剂产品并成功应用到多个领域。3.2.2 高级形态：细胞工厂Ginkgo Bioworks（以下简称“Ginkgo”）于2008年在波士顿成立，创始人为来自MIT的四位生物工程博士和汤姆奈特（Tom Knight）教授。Ginkgo是目前全球横向平台型合成生物学龙头企业，与国内很多聚焦垂直行业的合成生物学公司形成鲜明对比。Ginkgo的公司使命是“让生物更容易工程化”，并认为地球上最好的制造技术来自生物体。公司的平台包括代码库（codebase）和细胞铸造工厂（foundry）两部分，并且这两个部分可互相促进形成飞轮效应，提高效率、降低成本。3 来源：民生证券发布的蔚蓝生物深度报告顺应大健康趋势，看好酶制剂、益生菌长期业务发展。波士顿咨询公司上海合成生物学创新中心B Capital2024年4月中国合成生物学产业白皮书202415Codebase是Ginkgo的生物资产组合，包括细胞、酶、基因项目、不同行业项目等。随着细胞工厂项目的增加，代码库的资产也相应增加，包括物理形式存在的工程化细胞和数字形式存在的基因信息。公司披露截至2023年底，代码库已积累超过20亿个基因信息。Foundry是Ginkgo的生物工厂，生物体是生产新产品的工厂。Ginkgo的生物工厂将自动化硬件、分析、软件等工具同步集成应用，可进行数千种生物设计和验证。公司用了十几年时间、投资超过10亿美元来开发通用型技术平台，可同时兼顾灵活性和规模，这些是目前其他自动化技术平台难以做到的。Ginkgo专有的自动化技术平台称作可重组自动化装置（Reconfigurable Automation Carts,RACs），是一种模块化、可扩展、极少人工干预、可灵活组装的技术，可根据需要以类似搭积木的方式组装所需的自动化设备模块。Zymergen（被Ginkgo收购