一、合成生物概述
合成生物的定义是利用工程学思路，模块化改造或创造生物细胞，使其具备合成化合物的能力。广义的合成生物学，实际上是指基于DNA编辑技术，形成的一系列下游技术的延伸，包括微生物代谢工程、酶工程、基因编辑服务、细胞治疗与基因治疗、人造细胞肉等领域。通俗来讲，合成生物就是利用改造后的细胞生产物质。合成生物学是一门典型的交叉学科，以工程学（电路电子工程）思路为基础，结合基因技术、计算机技术、发酵生产技术及化学工程与工艺技术，形成一种全新的细胞车间生产方案。合成生物是一门“古老”而又“新兴”的学科。合成生物作为底层技术，可被广泛地应用到下游行业中，包括食品、日化、农业、环境、能源、医疗等诸多领域[1]。
图1-1 合成生物示意图
1.1 合成生物的发展历程
合成生物其实并不是一个完全新兴的技术，在历史长河中也曾浓墨重彩。古时候，人类发现经过堆放的水果、粮食等，会散发出“令人陶醉的香气”，并将该现象加以利用，工艺进行优化后，获得了酿酒的技术。此后，人类不断地发明“醋、酱油、酱料”等调味品，将其称之为“发酵现象”，是为最早的合成生物。然而古时候受到科学技术的限制，人类并不能从本质上看透“发酵现象”。实际上，发酵就是微生物经过繁殖之后，产生代谢产物的现象，这是合成生物的萌芽时期。
1674年，列文虎克发明了世界上第一台光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了微观世界，人类第一次认识到“发酵现象”其实是微生物的作用，自此，合成生物进入到微观化时期。随着人类对微观世界的深入认知，人类开始掌握纯菌培养技术。1928年英国人弗莱明(A.Fleming)在培养葡萄球菌的平板培养皿中发现，在污染的青霉菌周围没有葡萄球菌生长，形成一个无菌圈。青霉素被发现后，受提取工艺的限制，品质不稳定，且产率极低，价格昂贵。第二次世界大战的爆发后，客观上为感染性疾病的防治提出了急迫的需求。1942年，弗洛利(Florey)和钱恩(Chain)与美国辉瑞公司合作，突破了青霉素深层发酵技术，大大提高了青霉素的产量和产率，使青霉素成为普及型药物，挽救了无数人的生命。在同一时期，发酵生产有机酸、氨基酸等产业也获得了蓬勃发展。
1953年，克里克(Francis Crick)和沃森(James D. Watson)发现DNA双螺旋结构，这一发现是分子生物学时代的开端。DNA作为遗传物质，可以控制生物的生长、发育、繁衍等生理活动，也正因为此，科学家对DNA的研究正式开始[2]。合成生物由微观化正式发展到定向化阶段。随着基因测序、基因编辑和基因合成三大技术的发展，人类开始逐渐掌握了对生物实施定向改造的技术，并加以商业应用。1972年，屠呦呦课题组从青蒿抗疟有效部位中分离提纯得到抗疟有效单体—青蒿素。但是受到技术限制，该物质在黄花蒿的含量极低，不具备大规模生产的条件。中国从上世纪80年代开始关注化学合成方法制造青蒿素。1984年年初，中科院院士周维善带领科研人员实现青蒿素的人工全合成。遗憾的是，该成果至今未能实现工业化生产。2006年4月,美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家已将青蒿素生物合成途径中的一些重要基因如紫穗槐二烯合酶基因、紫穗槐二烯羟化酶基因等转入工程酵母中成功合成了青蒿素的前体物质——青蒿酸。尽管产量仍旧较低，但是技术上有较大的进步空间。赛诺菲公司取得了的酵母工程菌发酵生产青蒿酸授权，2012年年底已生产出39吨青蒿酸，转化为青蒿素后相当于4000万份抗疟药。天然产物的化学合成是化学界的一大难题，而植物提取则依赖传统农业种植和植物提取，合成生物被认为是解决天然产物规模化生产的最有潜力方向。合成生物虽然在技术上尚未成熟，但是不论是科技界、资本界和各国政府，都看到了合成生物的巨大潜力。
合成生物底层技术的研究并没有止步于基因三大技术，在系统生物学、组学、蛋白质工程等方面，合成生物也开始进行广泛的学科交叉。在蛋白质工程方面，AI机器学习技术被运用于蛋白质折叠的模拟方面，对酶的改造和蛋白药物的设计深度赋能；在组学方面，数学统计学方面的技术也被运用，赋能大规模的数据统计和计算，用以研究细胞的生命活动规律。未来的合成生物将向系统化的方向发展，有望全面实现对各种化合物的低成本、高效率生产。
图1-2 合成生物的发展历程
1.2 合成生物底层技术的进步
合成生物的高速发展，离不开底层技术的进步。自20世纪后半叶开始，DNA双螺旋结构被发现之后，基因测序、基因编辑、基因合成三大技术突飞猛进；同时，随着系统生物学、蛋白质工程等技术的持续发展，合成生物技术也有望迎来新的飞跃。
1.2.1 基因测序技术
基因测序技术从第一代发展至第三代，提升基因测序效率的同时，也降低了基因测序的成本。早期的一代测序技术时期，人类全基因组测序需要30亿美元，而2019年人类全基因组测序的成本已经降至1000美元，预计在未来10年内，其成本将要继续下降至100美元以下。基因测序是合成生物研究的基础，是人类“打开眼睛看世界”的重要手段，基因测序效率和成本直接决定了行业的发展。
图1-3 基因测序技术的发展
一代：准确度高，通量低（只能测一条1000bp左右的DNA片段），成本高。
二代：准确度低（需要拼接，有错配），通量高（一次可以测多条300bp的DNA片段），成本低。
三代：准确度高，通量高（一次可以测多条1000bp以上的DNA片段），成本高。
表1-1 三代测序的对比
1.2.2 基因编辑技术
基因编辑技术决定了对生命体遗传物质的定向改造，进而可实现对生命体性状和代谢的改变，是合成生物学的非常重要的基础工具。
基因编辑技术进步经历了第一代锌指蛋白技术（ZFN），第二代类转录激活因子效应物（TALEN）技术，以及第三代CRISPR/Cas9技术。CRISPR技术克服了传统基因操作的周期长、效率低、应用窄等缺点，大大提高了基因操作的便捷度。
表1-2 三代基因编辑的对比
CRISPR是clusters of regularly interspaced short palindromic repeats （成簇的规律间隔的短回文重复序列）的简称，是细菌免疫系统的一部分，因而CRISPR首先是从细菌中改造而来的。为抵御外来病毒感染，细菌会切割并破坏入侵病毒的DNA。当细菌从一次病毒感染中幸存下来后，它们会保留一部分病毒DNA，用于记录，当下一次相同病毒再次侵入时，细菌便可以快速识别出入侵病毒并破坏病毒DNA。CRISPR基因编辑系统主要有两部分：1）Cas9蛋白，充当「剪刀」；2）可定制设计的RNA向导序列（guide），别特异性的DNA序列，作为「向导」。 要对基因进行编辑，就得用「剪刀」先把不要的部分去除。而剪切的位置，则需要「向导」来指引。RNA向导序列是与特定的剪切靶标基因互补的单链核苷酸。举个例子，产生镰刀状细胞的突变基因序列就可以作为向导RNA的靶标序列。Cas9蛋白通过向导RNA“读取”宿主的DNA，从而找到目标基因。当向导RNA与目标序列配对后，通常就会触发Cas9蛋白自身的切割机制，从而剪切目标基因的核苷酸键[3]。
图1-4 CRISPR示意图
CRISPR技术拥有强大的基因编辑能力，已经被广泛应用于微生物、动植物细胞等编辑方面，也在人类遗传性疾病的临床治疗上有所进展，但是其仍然存在着伦理学风险和脱靶效应，其中脱靶效应会导致位置的风险。
此外，今年来也产生了很多适用于不用宿主的基因编辑方法，如Gibson Assembly，酵母同源重组，大肠杆菌Red重组，这些方法将来自于不同生命体的DNA片段，得以整合至工程宿主中，实现下游的代谢工程、代谢组学、异源表达等研究和应用。
1.2.3 基因测序技术
基因编辑技术侧重对DNA局部序列进行重编辑，而基因合成技术则侧重于对DNA进行大片段的人工合成。DNA是生命遗传物质。DNA合成技术的突破，使人类真正成为了“造物主”。
图1-5 基因合成技术进步
寡核苷酸合成始于上世纪50年代。到80年代，已经开发出柱式合成技术，该技术完善至今，自动化设备已经逐步成熟，但仍然效率较低、成本较高，适合短链DNA的合成。其他的方法也在逐步研究和推向应用的阶段：如近年来的芯片DNA合成技术，在长链DNA合成方面显示出一定的成本优势；酶法合成技术目前还在研究阶段。
表1-3 基因合成技术代际
1.2.4 系统生物学技术
系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。也就是说，系统生物学不同于以往的实验生物学——仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、所有组分间的所有相互关系。系统生物学的目标是——将生命活动“数字化”分析[4]。
图1-6 转录组学处理大量数据
系统生物学的主要技术平台为基因组学（DNA）、转录组学（mRNA）、蛋白质组学（蛋白质/酶）、代谢组学（产物）等。
由于系统生物学收集的数据是全局化、系统化、数字化的，会产生大量的数据，因此由人工处理是不现实的，因此系统生物学与计算机科学、统计学等学科的联系非常紧密。
系统生物学目前仍然以研究为主，成本较高，周期较长，因此应用较少；但其潜在的应用价值非常高。在合成生物领域，如果需要对目标产物的生产指标做出调整，代谢组学是非常适合的方法。
1.2.5 酶的定向进化技术
酶是微生物体内的催化剂，承担物质转化的功能，效率与其结构密切相关。理论上，任何化学反应都可以实现酶催化（如二氧化碳合成淀粉）。
酶是一种蛋白质，由氨基酸残基构成，存在着四级结构，其立体结构决定了催化活性。改变氨基酸残基，可以实现酶结构的改变，从而改变催化活性。主要是改变蛋白质活性口袋附近的氨基酸序列，使其对底物的亲和力发生变化。
图1-7 酶的活性口袋
常见氨基酸共22种，活性口袋位置通常有数个氨基酸残基，因此会众多突变体，改造的工作量巨大。假设一个酶有3个活性位点氨基酸，则突变体数量为21*21*21=9261个。
图1-8 酶的突变位点
以人力从中筛选出正向突变的难度很大；利用人工智能、神经网络技术等，模拟小分子与酶的接触，可快速测算出合适的正向突变体。
酶的定向进化技术是合成生物的重要突破口，目前仍在技术发展阶段，在实现物质的高效率合成转化方面具有重要价值。
1.3 合成生物的技术特点
合成生物是典型的交叉学科。从技术过程来看，经历了上游底盘设计、菌种构建；中游的发酵条件优化；以及下游的分离提取。当中不仅运用到了分子生物学技术、AI深度学习、高通量筛选等方法，还用到了发酵工艺放大、流体力学、分离提取制备等技术。
图1-9 合成生物技术流程
以合成生物生产流程的特点，合成生物被认为是绿色、环保、高效、可循环可再生的生产方式。相比化学合成工艺、天然提取工艺，有着明显的优势。因此，合成生物被认为是最有潜力替代化学合成、天然提取等成熟工艺的新型技术手段。合成生物也被政府、资本界和产业界赋予了厚望。
图1-9 合成生物工艺优势
二、合成生物的时代属性和政策支撑
2.1 合成生物的“碳中和”属性
我国曾在联合国大会上庄严承诺：在2030年，全国碳排放量达到116亿吨的峰值，之后逐步减少碳排放量；在2060年，全国二氧化碳排放总量需通过一系列方式方法进行全部吸收，实现全国碳排放总量为零。总书记强调：“实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革”。
图2-1 碳中和时间表
习总书记在2022年3月5日在参加第十三届全国人大内蒙古代表团审议时强调：“绿色转型是一个过程，不是一蹴而就的事情。要先立后破，而不能够未立先破。富煤贫油少气是我国的国情，以煤为主的能源结构短期内难以根本改变。实现‘双碳’目标，必须立足国情，坚持稳中求进、逐步实现，不能脱离实际、急于求成，搞运动式‘降碳’、踩‘急刹车’。不能把手里吃饭的家伙先扔了，结果新的吃饭家伙还没拿到手，这不行。既要有一个绿色清洁的环境，也要保证我们的生产生活正常进行。”
碳中和作为我国最新的“国策”，有着重大的意义：
1、环保意义。人类自工业革命以后，大气中CO2的含量上升了25%，间接造成了极端气候、海平面上升等全球性环境问题。欧洲国家已经率先开始了碳中和的进程，无论如何，地球是人类共同的家园，保护家园的责任是属于全人类的。
2、战略意义。从世界政治格局来看，欧美国家和东亚四小龙通过高碳排放快速跻身发达国家行列，上述国家已经先后完成碳达峰。目前在全球价值中，我国作为生产型大国，碳排放仍处于上升阶段，而发达国家则希望通过“收碳税”来限制我国的发展，这是大国博弈的必然结果。
我国设置了“2030碳达峰”的门槛，也就意味着在接下来的10年内，三高企业会被逐渐限制产能、甚至出清。对于合成生物行业来说，这是一个重大利好。
表2-1 合成生物在全球制造中的占比预测
OECD预测，随着合成生物在全球制造的占比提高，每年将降低二氧化碳排放12-25亿吨。红杉中国的2021年碳中和报告中，将“合成生物”作为重点布局的十大领域之一。凯赛生物董事长刘修才也曾在公开场合表示，合成生物是彻底解决碳中和的唯一途径。除此之外，合成生物具备利用生物质废料的潜力，这也可以为碳中和，尤其是循环经济做出贡献。
2.2 合成生物的“石化替代”属性
石化资源替代，涉及到国家安全、国计民生范畴。我国富煤贫油的自然资源情况，加上我国是世界工厂的现状，都严重依赖石油资源的供给。现代社会政治经济条件趋于复杂，国际局势不明朗，逆全球化趋势开始出现。近期的俄乌争端，大国博弈的缩影。俄罗斯欧洲“北溪二号”停气后，全球陷入通货膨胀，国际局势的不明朗也造成石油价格突破了100美元/筒。
事实上，欧洲早已展开可再生能源利用战略——开展了风能、光伏、潮汐能发电等基础设施建设。我国是油气进口大国，依赖度很高，有战略风险。油气不仅是能源，还是重要的化工原料。我国不仅要解决能源问题（光伏、氢能等），也要解决资源问题（油气、矿产）。
合成生物不依赖油气资源，通常以粮食或者农业废料作为原料进行生产，并且可以覆盖大多数现有化工产品。在公开场合中，北京化工大学谭天伟院士曾表示：全球生物基产品占石化产品的比例，已经从2000年的不到1%增长到现在的10%。理论上，90%的传统石化产品都可以由合成生物获得。同时，越来越多的可再生原料（农业废料、能源作物）可以被使用。
2022年我国科学家在国际期刊发表论文，提出了二氧化碳合成淀粉的合成生物转化路径。与自然条件下植物光合作用的效率相比，合成生物方法的转化率高8.5倍，能量转化效率高3.5倍。
表2-1 合成生物二氧化碳转化淀粉效率
该报导引发了的巨大热情，虽然该方案尚不成熟，但是它为粮食生产提供了方向。而承载这个方法的底层技术就是合成生物学中的体外酶催化技术。传统的资源和能源转化方面，遵循的路径是：太阳光照射，植物生长，数万年地下掩埋，形成不可再生资源，开采挖掘，提炼加工，形成产品。合成生物为人类构建了全新能源和资源闭环的路径：光伏发电，电能催化二氧化碳合成淀粉，由淀粉通过合成生物法实现物质生产。
图2-2 化工原料的合成路径
2.3 合成生物的“弯道超车”属性
我国是化工产业大国，产能规模居世界首位，但是仍然面临着一定的问题，即化工大而不强：很多产品产能很大，甚至产能过剩，但仍然有许多产品依赖进口，如己二腈。我国化工产业起步晚，关键技术已经被欧美日韩等国家全面封锁，如金属催化剂等领域。同时，我国并非资源丰富的国家，许多资源型原料也严重依赖进口。
合成生物产业有望给我国化工产业带来巨大的弯道超车机会。在人才储备方面，我国在上个世纪90年代以来培养了大量的生物技术人才，这些技术人才或是在产业界，或是在学术界，已经深耕多年，掌握了部分底层核心技术，甚至在某些领域，我国的科研人员是走在前面的，例如轰动世界的二氧化碳合成淀粉技术。在产能方面，我国发酵产能世界第一，在大规模生产方面技术储备雄厚，具备产业化的能力和实力。我国拥有“粮食战略储备”和“陈粮处理”机制，淀粉价格相对平稳，可获得性高，作为合成生物的主要原料，不被外国卡脖子；同时，我国是粮食消耗大国，大量的餐厨废料和农业废料，也可以作为合成生物利用的原材料。从全球的角度来看，合成生物起步较晚，我国没有明显落后于美国欧洲。
通过合成生物技术的发展，可以实现弯道超车，这个逻辑类似于燃油车和电动车产业。我国变速箱和燃油发动机技术显著落后于欧美日等国。改革开放后，我国积极引入外国汽车龙头公司合办中外合资企业，试图将该技术破解，然而经过数十年的追赶，虽然已经可以实现自主研发和生产，但受到关键材料和关键结构设计的专利封锁，我国在该领域仍然没有实现赶超。由于我国的电力基础设施建设完善，因此在电动汽车领域是具备弯道超车的可能性的。随着各方的努力，我国在新能源汽车产业链上“深挖洞、广积粮”，也诞生了宁德时代、比亚迪等优秀的企业，成功实现了对燃油汽车的“弯道超车”。
2.4 合成生物的政策支撑
合成生物学在全球范围内受到广泛关注，发达国家均出台相关政策。早在2006年，美国国家自然科学基金会便为合成生物学研究提供高额资助，并于2021年将合成生物学列举为关键技术重点领域之一。欧盟在《面向生物经济的欧洲化学工业路线图》中，提出在2030年将生物基产品或可再生原料替代份额增加到25%的发展目标。澳大利亚、加拿大、日本等国也在2009年之后陆续出台了大量有关扶持合成生物技术的政策。
表2-2 合成生物国外政策支持
国内对于合成生物学产业的支持力度也在不断加大。在十四五规划中，生物技术被明确为“战略性新兴产业”。2020年国家发改委在《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》中提出支持合成生物学技术创新中心建设，北京、江苏、深圳、上海、天津等多地政府陆续出台支持合成生物学产业发展的落地政策。
表2-3 合成生物国内政策支持
2022年6月，深圳市人民政府发布关于发展壮大战略性新兴产业集群和培育发展未来产业的意见。打造“20+8”产业集群，推动深圳制造业高质量发展，加快构建面向未来的现代产业体系，提升现代产业体系竞争力。其中，八大未来产业中的首位便是“合成生物”。深圳市在光明区建立了合成生物产业集群，并发布了《深圳市光明区关于支持合成生物创新链产业链融合发展的若干措施》，加大财政补贴力度和公共基础研究设施建设，引入充分的市场竞争，有望率先打造国内合成生物产业的制高点。
三、合成生物的优势应用领域
3.1 合成生物产业链
合成生物产业链主要分为底层技术、工艺技术和支撑技术，其中底层技术的最为重要，是创建底盘细胞的核心技术手段；工艺技术主要涉及生产和后处理阶段，经过数十年发展，已较为成熟，但仍需要和上游磨合适应；支撑技术主要包括在研发&生产过程中需要使用到的一系列原料、耗材、软件和硬件等配套技术，在部分领域仍存在“卡脖子”的问题。技术更新，大大推动了合成生物产业向前发展。
合成生物的应用领域及其广泛，覆盖食品饮料、美妆日化、化工生产、新材料、农牧业、能源环保、医疗健康等领域。产业链上游底层技术以基因编辑、基因测序和基因合成为代表。中游支撑领域包括发酵和酶催化设备、农产品加工（原料）、分子生物学试剂耗材仪器、AI算法技术、高通量筛选技术等。下游产品众多，有望覆盖90%的化学品材料。
过去20年来，合成生物在医疗和大健康领域进行了长周期的市场验证，获得了市场的认可，包括核酸类药物/疫苗(BNT-mRNA)，治疗蛋白(单抗/ADC)、细胞治疗(Car-T/NK)、基因治疗(AAV/LVV等)、IVD(免疫/结合蛋白)等等。医药级产品主要考察的是有效性、安全性、批次稳定性等，成本放在其次。
随着合成生物技术进步，成本持续下降，优势也体现出来，因此，从2020年左右开始，合成生物技术按照成本敏感度，依次向美妆、食品、农业、材料等领域的进军市场验证。美妆2021年刮起了合成生物风，食品、农业、材料等也开始加速渗透。
图4-1 合成生物的应用领域
3.2 合成生物在美妆领域的应用
美妆活性物原料是合成生物现阶段最具竞争力的细分领域。我国自2017年起，已经成为全球第一大化妆品市场。我国美妆终端市场规模在5000亿元以上。美妆活性物是化妆品中真正起到功效作用的物质，通常都是微量添加的。但是在美妆终端产品的BOM成本中，美妆活性物可以高达20%。
美妆活性物大多以天然产物、生物大分子为主，如玻尿酸、胶原蛋白、多肽、花青素、覆盆子酮等。生物大分子几乎使用提取法生产；天然产物现阶段主要以提取法和化学合成法进行生产。近年来，以华熙生物、巨子生物为代表的国内企业突破了生物大分子活性物的合成生物法生产，显著降低了产品成本，扩大了生产规模，使玻尿酸等物质成为了广泛使用的重要原料；而天然产物利用合成生物法生产也同样具有规模化放大的潜力。
3.3 合成生物在农业领域的应用
农业领域的合成生物技术在持续渗透。农业领域是万亿规模的大市场，但是行业非常分散，上游饲料、农药、肥料领域同质化竞争严重。近年来，随着新技术的持续渗透，合成生物技术在农业上游领域大放异彩。2020年起，农业部正式禁止抗生素在饲料中的添加。而饲料对于动物来说不仅是食物，还是药物。在动物规模化养殖中，饲料的洁净是必须要保障的，否则动物会感染瘟疫造成大量死亡，影响肉类产量。抗菌肽是一种新型的饲料添加剂，是替代抗生素的优势品类。抗菌肽不仅可以抑制饲料中杂菌的生长，且对人畜无害，在体内可以降解，不会残留。若产生耐药性，可以通过修改抗菌肽片段而避免，技术手段较为简单。抗菌肽的生产方法的突破，是建立在合成生物学的基础上，虽然作为新兴产品，目前农业部对抗菌肽的批复工作正在进行中，但是可以预见的是，以抗菌肽为代表的一系列农业上游产品将依靠合成生物技术的渗透而诞生。
3.4 合成生物在大健康领域的应用
大健康领域同样也是合成生物技术应用的高地。实际上，在医药和食品领域，已经有较多成熟的案例，是运用合成生物技术实现量产的，如CAR-T，DHA、ARA、酵母提取物等。但是其潜力远不止如此。1972年，屠呦呦课题组从青蒿抗疟有效部位中分离提纯得到抗疟有效单体—青蒿素。但是受到技术限制，该物质在黄花蒿的含量极低，不具备大规模生产的条件。2006年4月,美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家已将青蒿素生物合成途径中的一些重要基因如紫穗槐二烯合酶基因、紫穗槐二烯羟化酶基因等转入工程酵母中成功合成了青蒿素的前体物质——青蒿酸。尽管产量仍旧较低，但是技术上有较大的进步空间。赛诺菲公司取得了的酵母工程菌发酵生产青蒿酸授权，2012年年底已生产出39吨青蒿酸，转化为青蒿素后相当于4000万份抗疟药。
3.5 合成生物在新材料领域的应用
新材料是合成生物应用的终极战场。我国新材料市场规模高达8万亿，是真正的巨大容量市场；而我国新材料的核心竞争力则明显偏弱，是被深度“卡脖子”的领域。由于新材料领域覆盖面广，涉及半导体、新能源、医疗器械等产业，国产替代刻不容缓。合成生物以其全新的生产路线和相对较低的原料依赖型，有望实现弯道超车，在国产替代方面前景明确。我国己二腈是长期被杜邦“卡脖子”的产品，直接导致尼龙66的合成必须进口己二腈作为原料。凯赛生物通过合成生物技术绕过了己二腈的技术壁垒，使用生物法合成戊二胺和长链脂肪酸，成功地实现了尼龙56的生产。后者产品性能几乎与尼龙66接近。蛛丝蛋白是一种抗张强度极高的生物蛋白，由蛛丝蛋白构成的纤维，是钢筋强度的数十倍，在某些国防军工领域具有重大的应用价值。而我国科学家已经利用合成生物方法实现了蛛丝蛋白的基因工程表达，虽然还在实验室阶段，但是随着技术的进步，有望取得颠产业的新生产方式。
四、合成生物的市场规模和投资逻辑
4.1 合成生物市场规模
近期市场暴增。2024年全球合成生物市场规模将达到180亿美元，分布在医疗健康、科研、消费、食品饮料、农业和工业化学品等领域。
未来市场空间。麦肯锡预计，未来全球物质生产中的60%和全球疾病治疗的45%，最终可能通过合成生物学方式解决，并预计在未来的10～20年，合成生物学每年带来的直接经济效益将达到1.8万亿～3.6万亿美元。
4.2 合成生物技术发展成为产业的逻辑
化工是一项技术，但是随着化工技术200年以来的发展，覆盖各个细分行业如消费、医疗、材料、能源等等，早已发展为一个单独的产业。A股化工类总市值占比约为7.0%，是仅次于金融板块的第二大板块。化工底层技术已经较为成熟，工艺流程稳定清晰，现阶段创投已经很难介入，更多的是产业投资，直接投资建厂(如BASF投资100亿欧元-湛江8万吨新戊二醇)。而合成生物还有很多底层技术、工艺流程方面的技术创新，这也给了创投非常大的机会。
合成生物也是一项技术——也经历了近80多年的发展(酿造-代谢-合成)，已经部分替代了传统化工(柠檬酸)、动植物提取(抗生素)等生产方法。近年来，具备先发优势的企业已经逐渐做大做强，先后登陆资本市场；新的入局者也大幅增加，市场热度持续提高，整个行业蒸蒸日上。预计未来合成生物技术也同样会像化工技术一样，单独发展为一个产业。
合成生物可以发展成为一个产业，主要离不开4个方面的必要条件：1）技术更新；2）政策扶持；3）资本投入；4）市场验证。各个条件缺一不可。在技术更新方面合成生物的底层技术如基因编辑、测序、合成，系统生物学等都在快速更新。在政策扶持方面，合成生物受到了国内外各国政府的高度重视，一致被认为是“未来产业的重中之重”，给与了大量的政策和资金的扶持。资本投入方面，二级市场给予合成生物较高的PE倍数，远高于传统化工企业；一级市场合成生物投资持续旺盛；上市公司大量布局或转型合成生物相关业务，大量的真金白银投入到合成生物产业中。最重要的市场验证方面，合成生物很多产品已经在下游客户领域取得认可，部分已经开始放量，整个行业蒸蒸日上，未来有望发展成为一个类似于化工的独立行业板块。
4.3 合成生物面临的挑战和投资逻辑
任何事物的发展都是螺旋式上升的。合成生物经历了2020-2022年的投资热潮之后，难免会出现一些泡沫的情况，我们不能回避这个问题，而且需要进行总结，找出现存的问题，指导未来的投资方向。合成生物目前面临着一些挑战，例如：
选品扎堆/同质化——选品容易出现跟风的情况，部分产品已经成为红海，很难后发制人。
团队商业化意识差——部分科学家/教授创业，缺乏产业化和商业化思维，钻技术的牛角尖。
部分估值泡沫——部分炒概念、蹭热度、讲PPT的企业，估值已经很高，但仍然未量产。
部分IPO被否——部分合成生物企业IPO被否，对合成生物一级市场造成负面影响。
负面消息和质疑的声音，不影响合成生物产业的底层逻辑，不影响下游客户对该赛道的认可，更不影响国家大力发展合成生物产业的决心事实证明：合成生物赛道仍在不断获得新的融资，包括老项目和新项目。阶段性泡沫过后，现在正是一个挑选好技术、好团队、好项目的时期。
合成生物是一个典型的Know-how学科，那么给我们带来怎么样的投资启示？
首先，我们抛出一个问题，为什么合成生物一个单独的项目，要做5年才能做出来？到底难在哪里？市场上有的观点认为，“合成生物不就是转个基因、搞个菌种、发酵一下、提取一下”，认为它是一个很简单的过程。其实这样的看法是对该技术的一个误解。在技术没有完全成熟的Know-how学科中，有一个共同特点，就是需要反复试错，直到找到最优化的方案。落实到合成生物行业，1、每个菌种、每个代谢途径、每一类产品系列，都不能复制。2、全局化思维非常重要，需要把上游菌种设计、中游发酵分离提取、下游产品改性等等连贯起来考虑。，游设计严重影响中游、下游，因此必须有全局思维，必须同时懂得其中的技术原理，否则在研发期间要经历较长的GAP。
所以我们的第一个最重要的投资逻辑——判断该技术量产的可实现性。去判断这个技术，能不能量产，这个是最关键的。这里面有两个维度。第一，人无我有——只有我能做，别人暂时做不了；或者，只有合成生物方法能做，别的方法做不了。第二，人有我优——别人也能做，但我做的快，做的好，而且持续比你好
第二个关键的投资逻辑，就是产品的迭代性。假如有一天，菌种不幸外泄，工艺被别人模仿了，如何实现超越？就必须要实现核心菌种的迭代。新菌种已经开发出来了，旧的就算是泄露，但是生产性能永远无法超越竞争对手，自然就取得领先性了。
第三个关键点，就是要有稳定的市场需求。做出来的东西，需要市场去买单，而不是叫好不叫座的产品。最好是一些可以进指南的产品，或者是一些产业刚需的产品。
第四，企业要有足够的壁垒，包括团队上的、工艺上的、资质上的、客户方面的，这样在充分竞争中，可以把握领先性。当然了，绝对的壁垒是不存在的，但是相对的壁垒是可以构建出来的。
总而言之，合成生物是一个非常优秀的投资方向，是值得长期研究、长期布局、长坡厚雪的行业。
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紫金港资本成立于2014年，其主要发起人皆有平均20年左右的投资和企业管理经验，并有深厚工程技术背景，为投资赋能型管理人组合。紫金港资本目前已完成近100家硬科技项目的投资。紫金港团队倡导国际化，目前通过香港基金专注国际硬科技投资。
公司管理基金规模逾50亿元，已成功完成对杰普特(SH688025)、艾特网能(SH600510)、欣锐科技(SZ300745)、和铂医药(02142.HK)、微泰医疗(02235.HK)、波长光电（301421）、善康医药、恒瑞源正、诺尔康、步锐科技、馨海生物、瑞华制药、源兴基因、柔灵科技、泰研半导体、启尔机电、大象声科、木王科技、邻汇吧、贝特利、华思旭、博华新能源、永联科技、赛思电子、昂科技术、新菲光通信、时森海医药、晶蛋生物、玉汝成等众多优质企业的投资，投资领域涵盖集成电路、智能制造、医疗健康、新材料、TMT、人工智能等。
合成生物行业趋势：合则万物，成至未来
合成生物其实并不是一个完全新兴的技术，在历史长河中也曾浓墨重彩。
一、合成生物概述
合成生物的定义是利用工程学思路，模块化改造或创造生物细胞，使其具备合成化合物的能力。广义的合成生物学，实际上是指基于DNA编辑技术，形成的一系列下游技术的延伸，包括微生物代谢工程、酶工程、基因编辑服务、细胞治疗与基因治疗、人造细胞肉等领域。通俗来讲，合成生物就是利用改造后的细胞生产物质。合成生物学是一门典型的交叉学科，以工程学（电路电子工程）思路为基础，结合基因技术、计算机技术、发酵生产技术及化学工程与工艺技术，形成一种全新的细胞车间生产方案。合成生物是一门“古老”而又“新兴”的学科。合成生物作为底层技术，可被广泛地应用到下游行业中，包括食品、日化、农业、环境、能源、医疗等诸多领域[1]。
图1-1 合成生物示意图
1.1 合成生物的发展历程
合成生物其实并不是一个完全新兴的技术，在历史长河中也曾浓墨重彩。古时候，人类发现经过堆放的水果、粮食等，会散发出“令人陶醉的香气”，并将该现象加以利用，工艺进行优化后，获得了酿酒的技术。此后，人类不断地发明“醋、酱油、酱料”等调味品，将其称之为“发酵现象”，是为最早的合成生物。然而古时候受到科学技术的限制，人类并不能从本质上看透“发酵现象”。实际上，发酵就是微生物经过繁殖之后，产生代谢产物的现象，这是合成生物的萌芽时期。
1674年，列文虎克发明了世界上第一台光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了微观世界，人类第一次认识到“发酵现象”其实是微生物的作用，自此，合成生物进入到微观化时期。随着人类对微观世界的深入认知，人类开始掌握纯菌培养技术。1928年英国人弗莱明(A.Fleming)在培养葡萄球菌的平板培养皿中发现，在污染的青霉菌周围没有葡萄球菌生长，形成一个无菌圈。青霉素被发现后，受提取工艺的限制，品质不稳定，且产率极低，价格昂贵。第二次世界大战的爆发后，客观上为感染性疾病的防治提出了急迫的需求。1942年，弗洛利(Florey)和钱恩(Chain)与美国辉瑞公司合作，突破了青霉素深层发酵技术，大大提高了青霉素的产量和产率，使青霉素成为普及型药物，挽救了无数人的生命。在同一时期，发酵生产有机酸、氨基酸等产业也获得了蓬勃发展。
1953年，克里克(Francis Crick)和沃森(James D. Watson)发现DNA双螺旋结构，这一发现是分子生物学时代的开端。DNA作为遗传物质，可以控制生物的生长、发育、繁衍等生理活动，也正因为此，科学家对DNA的研究正式开始[2]。合成生物由微观化正式发展到定向化阶段。随着基因测序、基因编辑和基因合成三大技术的发展，人类开始逐渐掌握了对生物实施定向改造的技术，并加以商业应用。1972年，屠呦呦课题组从青蒿抗疟有效部位中分离提纯得到抗疟有效单体—青蒿素。但是受到技术限制，该物质在黄花蒿的含量极低，不具备大规模生产的条件。中国从上世纪80年代开始关注化学合成方法制造青蒿素。1984年年初，中科院院士周维善带领科研人员实现青蒿素的人工全合成。遗憾的是，该成果至今未能实现工业化生产。2006年4月,美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家已将青蒿素生物合成途径中的一些重要基因如紫穗槐二烯合酶基因、紫穗槐二烯羟化酶基因等转入工程酵母中成功合成了青蒿素的前体物质——青蒿酸。尽管产量仍旧较低，但是技术上有较大的进步空间。赛诺菲公司取得了的酵母工程菌发酵生产青蒿酸授权，2012年年底已生产出39吨青蒿酸，转化为青蒿素后相当于4000万份抗疟药。天然产物的化学合成是化学界的一大难题，而植物提取则依赖传统农业种植和植物提取，合成生物被认为是解决天然产物规模化生产的最有潜力方向。合成生物虽然在技术上尚未成熟，但是不论是科技界、资本界和各国政府，都看到了合成生物的巨大潜力。
合成生物底层技术的研究并没有止步于基因三大技术，在系统生物学、组学、蛋白质工程等方面，合成生物也开始进行广泛的学科交叉。在蛋白质工程方面，AI机器学习技术被运用于蛋白质折叠的模拟方面，对酶的改造和蛋白药物的设计深度赋能；在组学方面，数学统计学方面的技术也被运用，赋能大规模的数据统计和计算，用以研究细胞的生命活动规律。未来的合成生物将向系统化的方向发展，有望全面实现对各种化合物的低成本、高效率生产。
图1-2 合成生物的发展历程
1.2 合成生物底层技术的进步
合成生物的高速发展，离不开底层技术的进步。自20世纪后半叶开始，DNA双螺旋结构被发现之后，基因测序、基因编辑、基因合成三大技术突飞猛进；同时，随着系统生物学、蛋白质工程等技术的持续发展，合成生物技术也有望迎来新的飞跃。
1.2.1 基因测序技术
基因测序技术从第一代发展至第三代，提升基因测序效率的同时，也降低了基因测序的成本。早期的一代测序技术时期，人类全基因组测序需要30亿美元，而2019年人类全基因组测序的成本已经降至1000美元，预计在未来10年内，其成本将要继续下降至100美元以下。基因测序是合成生物研究的基础，是人类“打开眼睛看世界”的重要手段，基因测序效率和成本直接决定了行业的发展。
图1-3 基因测序技术的发展
一代：准确度高，通量低（只能测一条1000bp左右的DNA片段），成本高。
二代：准确度低（需要拼接，有错配），通量高（一次可以测多条300bp的DNA片段），成本低。
三代：准确度高，通量高（一次可以测多条1000bp以上的DNA片段），成本高。
表1-1 三代测序的对比
1.2.2 基因编辑技术
基因编辑技术决定了对生命体遗传物质的定向改造，进而可实现对生命体性状和代谢的改变，是合成生物学的非常重要的基础工具。
基因编辑技术进步经历了第一代锌指蛋白技术（ZFN），第二代类转录激活因子效应物（TALEN）技术，以及第三代CRISPR/Cas9技术。CRISPR技术克服了传统基因操作的周期长、效率低、应用窄等缺点，大大提高了基因操作的便捷度。
表1-2 三代基因编辑的对比
CRISPR是clusters of regularly interspaced short palindromic repeats （成簇的规律间隔的短回文重复序列）的简称，是细菌免疫系统的一部分，因而CRISPR首先是从细菌中改造而来的。为抵御外来病毒感染，细菌会切割并破坏入侵病毒的DNA。当细菌从一次病毒感染中幸存下来后，它们会保留一部分病毒DNA，用于记录，当下一次相同病毒再次侵入时，细菌便可以快速识别出入侵病毒并破坏病毒DNA。CRISPR基因编辑系统主要有两部分：1）Cas9蛋白，充当「剪刀」；2）可定制设计的RNA向导序列（guide），别特异性的DNA序列，作为「向导」。 要对基因进行编辑，就得用「剪刀」先把不要的部分去除。而剪切的位置，则需要「向导」来指引。RNA向导序列是与特定的剪切靶标基因互补的单链核苷酸。举个例子，产生镰刀状细胞的突变基因序列就可以作为向导RNA的靶标序列。Cas9蛋白通过向导RNA“读取”宿主的DNA，从而找到目标基因。当向导RNA与目标序列配对后，通常就会触发Cas9蛋白自身的切割机制，从而剪切目标基因的核苷酸键[3]。
图1-4 CRISPR示意图
CRISPR技术拥有强大的基因编辑能力，已经被广泛应用于微生物、动植物细胞等编辑方面，也在人类遗传性疾病的临床治疗上有所进展，但是其仍然存在着伦理学风险和脱靶效应，其中脱靶效应会导致位置的风险。
此外，今年来也产生了很多适用于不用宿主的基因编辑方法，如Gibson Assembly，酵母同源重组，大肠杆菌Red重组，这些方法将来自于不同生命体的DNA片段，得以整合至工程宿主中，实现下游的代谢工程、代谢组学、异源表达等研究和应用。
1.2.3 基因测序技术
基因编辑技术侧重对DNA局部序列进行重编辑，而基因合成技术则侧重于对DNA进行大片段的人工合成。DNA是生命遗传物质。DNA合成技术的突破，使人类真正成为了“造物主”。
图1-5 基因合成技术进步
寡核苷酸合成始于上世纪50年代。到80年代，已经开发出柱式合成技术，该技术完善至今，自动化设备已经逐步成熟，但仍然效率较低、成本较高，适合短链DNA的合成。其他的方法也在逐步研究和推向应用的阶段：如近年来的芯片DNA合成技术，在长链DNA合成方面显示出一定的成本优势；酶法合成技术目前还在研究阶段。
表1-3 基因合成技术代际
1.2.4 系统生物学技术
系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。也就是说，系统生物学不同于以往的实验生物学——仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、所有组分间的所有相互关系。系统生物学的目标是——将生命活动“数字化”分析[4]。
图1-6 转录组学处理大量数据
系统生物学的主要技术平台为基因组学（DNA）、转录组学（mRNA）、蛋白质组学（蛋白质/酶）、代谢组学（产物）等。
由于系统生物学收集的数据是全局化、系统化、数字化的，会产生大量的数据，因此由人工处理是不现实的，因此系统生物学与计算机科学、统计学等学科的联系非常紧密。
系统生物学目前仍然以研究为主，成本较高，周期较长，因此应用较少；但其潜在的应用价值非常高。在合成生物领域，如果需要对目标产物的生产指标做出调整，代谢组学是非常适合的方法。
1.2.5 酶的定向进化技术
酶是微生物体内的催化剂，承担物质转化的功能，效率与其结构密切相关。理论上，任何化学反应都可以实现酶催化（如二氧化碳合成淀粉）。
酶是一种蛋白质，由氨基酸残基构成，存在着四级结构，其立体结构决定了催化活性。改变氨基酸残基，可以实现酶结构的改变，从而改变催化活性。主要是改变蛋白质活性口袋附近的氨基酸序列，使其对底物的亲和力发生变化。
图1-7 酶的活性口袋
常见氨基酸共22种，活性口袋位置通常有数个氨基酸残基，因此会众多突变体，改造的工作量巨大。假设一个酶有3个活性位点氨基酸，则突变体数量为21*21*21=9261个。
图1-8 酶的突变位点
以人力从中筛选出正向突变的难度很大；利用人工智能、神经网络技术等，模拟小分子与酶的接触，可快速测算出合适的正向突变体。
酶的定向进化技术是合成生物的重要突破口，目前仍在技术发展阶段，在实现物质的高效率合成转化方面具有重要价值。
1.3 合成生物的技术特点
合成生物是典型的交叉学科。从技术过程来看，经历了上游底盘设计、菌种构建；中游的发酵条件优化；以及下游的分离提取。当中不仅运用到了分子生物学技术、AI深度学习、高通量筛选等方法，还用到了发酵工艺放大、流体力学、分离提取制备等技术。
图1-9 合成生物技术流程
以合成生物生产流程的特点，合成生物被认为是绿色、环保、高效、可循环可再生的生产方式。相比化学合成工艺、天然提取工艺，有着明显的优势。因此，合成生物被认为是最有潜力替代化学合成、天然提取等成熟工艺的新型技术手段。合成生物也被政府、资本界和产业界赋予了厚望。
图1-9 合成生物工艺优势
二、合成生物的时代属性和政策支撑
2.1 合成生物的“碳中和”属性
我国曾在联合国大会上庄严承诺：在2030年，全国碳排放量达到116亿吨的峰值，之后逐步减少碳排放量；在2060年，全国二氧化碳排放总量需通过一系列方式方法进行全部吸收，实现全国碳排放总量为零。总书记强调：“实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革”。
图2-1 碳中和时间表
习总书记在2022年3月5日在参加第十三届全国人大内蒙古代表团审议时强调：“绿色转型是一个过程，不是一蹴而就的事情。要先立后破，而不能够未立先破。富煤贫油少气是我国的国情，以煤为主的能源结构短期内难以根本改变。实现‘双碳’目标，必须立足国情，坚持稳中求进、逐步实现，不能脱离实际、急于求成，搞运动式‘降碳’、踩‘急刹车’。不能把手里吃饭的家伙先扔了，结果新的吃饭家伙还没拿到手，这不行。既要有一个绿色清洁的环境，也要保证我们的生产生活正常进行。”
碳中和作为我国最新的“国策”，有着重大的意义：
1、环保意义。人类自工业革命以后，大气中CO2的含量上升了25%，间接造成了极端气候、海平面上升等全球性环境问题。欧洲国家已经率先开始了碳中和的进程，无论如何，地球是人类共同的家园，保护家园的责任是属于全人类的。
2、战略意义。从世界政治格局来看，欧美国家和东亚四小龙通过高碳排放快速跻身发达国家行列，上述国家已经先后完成碳达峰。目前在全球价值中，我国作为生产型大国，碳排放仍处于上升阶段，而发达国家则希望通过“收碳税”来限制我国的发展，这是大国博弈的必然结果。
我国设置了“2030碳达峰”的门槛，也就意味着在接下来的10年内，三高企业会被逐渐限制产能、甚至出清。对于合成生物行业来说，这是一个重大利好。
表2-1 合成生物在全球制造中的占比预测
OECD预测，随着合成生物在全球制造的占比提高，每年将降低二氧化碳排放12-25亿吨。红杉中国的2021年碳中和报告中，将“合成生物”作为重点布局的十大领域之一。凯赛生物董事长刘修才也曾在公开场合表示，合成生物是彻底解决碳中和的唯一途径。除此之外，合成生物具备利用生物质废料的潜力，这也可以为碳中和，尤其是循环经济做出贡献。
2.2 合成生物的“石化替代”属性
石化资源替代，涉及到国家安全、国计民生范畴。我国富煤贫油的自然资源情况，加上我国是世界工厂的现状，都严重依赖石油资源的供给。现代社会政治经济条件趋于复杂，国际局势不明朗，逆全球化趋势开始出现。近期的俄乌争端，大国博弈的缩影。俄罗斯欧洲“北溪二号”停气后，全球陷入通货膨胀，国际局势的不明朗也造成石油价格突破了100美元/筒。
事实上，欧洲早已展开可再生能源利用战略——开展了风能、光伏、潮汐能发电等基础设施建设。我国是油气进口大国，依赖度很高，有战略风险。油气不仅是能源，还是重要的化工原料。我国不仅要解决能源问题（光伏、氢能等），也要解决资源问题（油气、矿产）。
合成生物不依赖油气资源，通常以粮食或者农业废料作为原料进行生产，并且可以覆盖大多数现有化工产品。在公开场合中，北京化工大学谭天伟院士曾表示：全球生物基产品占石化产品的比例，已经从2000年的不到1%增长到现在的10%。理论上，90%的传统石化产品都可以由合成生物获得。同时，越来越多的可再生原料（农业废料、能源作物）可以被使用。
2022年我国科学家在国际期刊发表论文，提出了二氧化碳合成淀粉的合成生物转化路径。与自然条件下植物光合作用的效率相比，合成生物方法的转化率高8.5倍，能量转化效率高3.5倍。
表2-1 合成生物二氧化碳转化淀粉效率
该报导引发了的巨大热情，虽然该方案尚不成熟，但是它为粮食生产提供了方向。而承载这个方法的底层技术就是合成生物学中的体外酶催化技术。传统的资源和能源转化方面，遵循的路径是：太阳光照射，植物生长，数万年地下掩埋，形成不可再生资源，开采挖掘，提炼加工，形成产品。合成生物为人类构建了全新能源和资源闭环的路径：光伏发电，电能催化二氧化碳合成淀粉，由淀粉通过合成生物法实现物质生产。
图2-2 化工原料的合成路径
2.3 合成生物的“弯道超车”属性
我国是化工产业大国，产能规模居世界首位，但是仍然面临着一定的问题，即化工大而不强：很多产品产能很大，甚至产能过剩，但仍然有许多产品依赖进口，如己二腈。我国化工产业起步晚，关键技术已经被欧美日韩等国家全面封锁，如金属催化剂等领域。同时，我国并非资源丰富的国家，许多资源型原料也严重依赖进口。
合成生物产业有望给我国化工产业带来巨大的弯道超车机会。在人才储备方面，我国在上个世纪90年代以来培养了大量的生物技术人才，这些技术人才或是在产业界，或是在学术界，已经深耕多年，掌握了部分底层核心技术，甚至在某些领域，我国的科研人员是走在前面的，例如轰动世界的二氧化碳合成淀粉技术。在产能方面，我国发酵产能世界第一，在大规模生产方面技术储备雄厚，具备产业化的能力和实力。我国拥有“粮食战略储备”和“陈粮处理”机制，淀粉价格相对平稳，可获得性高，作为合成生物的主要原料，不被外国卡脖子；同时，我国是粮食消耗大国，大量的餐厨废料和农业废料，也可以作为合成生物利用的原材料。从全球的角度来看，合成生物起步较晚，我国没有明显落后于美国欧洲。
通过合成生物技术的发展，可以实现弯道超车，这个逻辑类似于燃油车和电动车产业。我国变速箱和燃油发动机技术显著落后于欧美日等国。改革开放后，我国积极引入外国汽车龙头公司合办中外合资企业，试图将该技术破解，然而经过数十年的追赶，虽然已经可以实现自主研发和生产，但受到关键材料和关键结构设计的专利封锁，我国在该领域仍然没有实现赶超。由于我国的电力基础设施建设完善，因此在电动汽车领域是具备弯道超车的可能性的。随着各方的努力，我国在新能源汽车产业链上“深挖洞、广积粮”，也诞生了宁德时代、比亚迪等优秀的企业，成功实现了对燃油汽车的“弯道超车”。
2.4 合成生物的政策支撑
合成生物学在全球范围内受到广泛关注，发达国家均出台相关政策。早在2006年，美国国家自然科学基金会便为合成生物学研究提供高额资助，并于2021年将合成生物学列举为关键技术重点领域之一。欧盟在《面向生物经济的欧洲化学工业路线图》中，提出在2030年将生物基产品或可再生原料替代份额增加到25%的发展目标。澳大利亚、加拿大、日本等国也在2009年之后陆续出台了大量有关扶持合成生物技术的政策。
表2-2 合成生物国外政策支持
国内对于合成生物学产业的支持力度也在不断加大。在十四五规划中，生物技术被明确为“战略性新兴产业”。2020年国家发改委在《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》中提出支持合成生物学技术创新中心建设，北京、江苏、深圳、上海、天津等多地政府陆续出台支持合成生物学产业发展的落地政策。
表2-3 合成生物国内政策支持
2022年6月，深圳市人民政府发布关于发展壮大战略性新兴产业集群和培育发展未来产业的意见。打造“20+8”产业集群，推动深圳制造业高质量发展，加快构建面向未来的现代产业体系，提升现代产业体系竞争力。其中，八大未来产业中的首位便是“合成生物”。深圳市在光明区建立了合成生物产业集群，并发布了《深圳市光明区关于支持合成生物创新链产业链融合发展的若干措施》，加大财政补贴力度和公共基础研究设施建设，引入充分的市场竞争，有望率先打造国内合成生物产业的制高点。
三、合成生物的优势应用领域
3.1 合成生物产业链
合成生物产业链主要分为底层技术、工艺技术和支撑技术，其中底层技术的最为重要，是创建底盘细胞的核心技术手段；工艺技术主要涉及生产和后处理阶段，经过数十年发展，已较为成熟，但仍需要和上游磨合适应；支撑技术主要包括在研发&生产过程中需要使用到的一系列原料、耗材、软件和硬件等配套技术，在部分领域仍存在“卡脖子”的问题。技术更新，大大推动了合成生物产业向前发展。
合成生物的应用领域及其广泛，覆盖食品饮料、美妆日化、化工生产、新材料、农牧业、能源环保、医疗健康等领域。产业链上游底层技术以基因编辑、基因测序和基因合成为代表。中游支撑领域包括发酵和酶催化设备、农产品加工（原料）、分子生物学试剂耗材仪器、AI算法技术、高通量筛选技术等。下游产品众多，有望覆盖90%的化学品材料。
过去20年来，合成生物在医疗和大健康领域进行了长周期的市场验证，获得了市场的认可，包括核酸类药物/疫苗(BNT-mRNA)，治疗蛋白(单抗/ADC)、细胞治疗(Car-T/NK)、基因治疗(AAV/LVV等)、IVD(免疫/结合蛋白)等等。医药级产品主要考察的是有效性、安全性、批次稳定性等，成本放在其次。
随着合成生物技术进步，成本持续下降，优势也体现出来，因此，从2020年左右开始，合成生物技术按照成本敏感度，依次向美妆、食品、农业、材料等领域的进军市场验证。美妆2021年刮起了合成生物风，食品、农业、材料等也开始加速渗透。
图4-1 合成生物的应用领域
3.2 合成生物在美妆领域的应用
美妆活性物原料是合成生物现阶段最具竞争力的细分领域。我国自2017年起，已经成为全球第一大化妆品市场。我国美妆终端市场规模在5000亿元以上。美妆活性物是化妆品中真正起到功效作用的物质，通常都是微量添加的。但是在美妆终端产品的BOM成本中，美妆活性物可以高达20%。
美妆活性物大多以天然产物、生物大分子为主，如玻尿酸、胶原蛋白、多肽、花青素、覆盆子酮等。生物大分子几乎使用提取法生产；天然产物现阶段主要以提取法和化学合成法进行生产。近年来，以华熙生物、巨子生物为代表的国内企业突破了生物大分子活性物的合成生物法生产，显著降低了产品成本，扩大了生产规模，使玻尿酸等物质成为了广泛使用的重要原料；而天然产物利用合成生物法生产也同样具有规模化放大的潜力。
3.3 合成生物在农业领域的应用
农业领域的合成生物技术在持续渗透。农业领域是万亿规模的大市场，但是行业非常分散，上游饲料、农药、肥料领域同质化竞争严重。近年来，随着新技术的持续渗透，合成生物技术在农业上游领域大放异彩。2020年起，农业部正式禁止抗生素在饲料中的添加。而饲料对于动物来说不仅是食物，还是药物。在动物规模化养殖中，饲料的洁净是必须要保障的，否则动物会感染瘟疫造成大量死亡，影响肉类产量。抗菌肽是一种新型的饲料添加剂，是替代抗生素的优势品类。抗菌肽不仅可以抑制饲料中杂菌的生长，且对人畜无害，在体内可以降解，不会残留。若产生耐药性，可以通过修改抗菌肽片段而避免，技术手段较为简单。抗菌肽的生产方法的突破，是建立在合成生物学的基础上，虽然作为新兴产品，目前农业部对抗菌肽的批复工作正在进行中，但是可以预见的是，以抗菌肽为代表的一系列农业上游产品将依靠合成生物技术的渗透而诞生。
3.4 合成生物在大健康领域的应用
大健康领域同样也是合成生物技术应用的高地。实际上，在医药和食品领域，已经有较多成熟的案例，是运用合成生物技术实现量产的，如CAR-T，DHA、ARA、酵母提取物等。但是其潜力远不止如此。1972年，屠呦呦课题组从青蒿抗疟有效部位中分离提纯得到抗疟有效单体—青蒿素。但是受到技术限制，该物质在黄花蒿的含量极低，不具备大规模生产的条件。2006年4月,美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家已将青蒿素生物合成途径中的一些重要基因如紫穗槐二烯合酶基因、紫穗槐二烯羟化酶基因等转入工程酵母中成功合成了青蒿素的前体物质——青蒿酸。尽管产量仍旧较低，但是技术上有较大的进步空间。赛诺菲公司取得了的酵母工程菌发酵生产青蒿酸授权，2012年年底已生产出39吨青蒿酸，转化为青蒿素后相当于4000万份抗疟药。
3.5 合成生物在新材料领域的应用
新材料是合成生物应用的终极战场。我国新材料市场规模高达8万亿，是真正的巨大容量市场；而我国新材料的核心竞争力则明显偏弱，是被深度“卡脖子”的领域。由于新材料领域覆盖面广，涉及半导体、新能源、医疗器械等产业，国产替代刻不容缓。合成生物以其全新的生产路线和相对较低的原料依赖型，有望实现弯道超车，在国产替代方面前景明确。我国己二腈是长期被杜邦“卡脖子”的产品，直接导致尼龙66的合成必须进口己二腈作为原料。凯赛生物通过合成生物技术绕过了己二腈的技术壁垒，使用生物法合成戊二胺和长链脂肪酸，成功地实现了尼龙56的生产。后者产品性能几乎与尼龙66接近。蛛丝蛋白是一种抗张强度极高的生物蛋白，由蛛丝蛋白构成的纤维，是钢筋强度的数十倍，在某些国防军工领域具有重大的应用价值。而我国科学家已经利用合成生物方法实现了蛛丝蛋白的基因工程表达，虽然还在实验室阶段，但是随着技术的进步，有望取得颠产业的新生产方式。
四、合成生物的市场规模和投资逻辑
4.1 合成生物市场规模
近期市场暴增。2024年全球合成生物市场规模将达到180亿美元，分布在医疗健康、科研、消费、食品饮料、农业和工业化学品等领域。
未来市场空间。麦肯锡预计，未来全球物质生产中的60%和全球疾病治疗的45%，最终可能通过合成生物学方式解决，并预计在未来的10～20年，合成生物学每年带来的直接经济效益将达到1.8万亿～3.6万亿美元。
4.2 合成生物技术发展成为产业的逻辑
化工是一项技术，但是随着化工技术200年以来的发展，覆盖各个细分行业如消费、医疗、材料、能源等等，早已发展为一个单独的产业。A股化工类总市值占比约为7.0%，是仅次于金融板块的第二大板块。化工底层技术已经较为成熟，工艺流程稳定清晰，现阶段创投已经很难介入，更多的是产业投资，直接投资建厂(如BASF投资100亿欧元-湛江8万吨新戊二醇)。而合成生物还有很多底层技术、工艺流程方面的技术创新，这也给了创投非常大的机会。
合成生物也是一项技术——也经历了近80多年的发展(酿造-代谢-合成)，已经部分替代了传统化工(柠檬酸)、动植物提取(抗生素)等生产方法。近年来，具备先发优势的企业已经逐渐做大做强，先后登陆资本市场；新的入局者也大幅增加，市场热度持续提高，整个行业蒸蒸日上。预计未来合成生物技术也同样会像化工技术一样，单独发展为一个产业。
合成生物可以发展成为一个产业，主要离不开4个方面的必要条件：1）技术更新；2）政策扶持；3）资本投入；4）市场验证。各个条件缺一不可。在技术更新方面合成生物的底层技术如基因编辑、测序、合成，系统生物学等都在快速更新。在政策扶持方面，合成生物受到了国内外各国政府的高度重视，一致被认为是“未来产业的重中之重”，给与了大量的政策和资金的扶持。资本投入方面，二级市场给予合成生物较高的PE倍数，远高于传统化工企业；一级市场合成生物投资持续旺盛；上市公司大量布局或转型合成生物相关业务，大量的真金白银投入到合成生物产业中。最重要的市场验证方面，合成生物很多产品已经在下游客户领域取得认可，部分已经开始放量，整个行业蒸蒸日上，未来有望发展成为一个类似于化工的独立行业板块。
4.3 合成生物面临的挑战和投资逻辑
任何事物的发展都是螺旋式上升的。合成生物经历了2020-2022年的投资热潮之后，难免会出现一些泡沫的情况，我们不能回避这个问题，而且需要进行总结，找出现存的问题，指导未来的投资方向。合成生物目前面临着一些挑战，例如：
选品扎堆/同质化——选品容易出现跟风的情况，部分产品已经成为红海，很难后发制人。
团队商业化意识差——部分科学家/教授创业，缺乏产业化和商业化思维，钻技术的牛角尖。
部分估值泡沫——部分炒概念、蹭热度、讲PPT的企业，估值已经很高，但仍然未量产。
部分IPO被否——部分合成生物企业IPO被否，对合成生物一级市场造成负面影响。
负面消息和质疑的声音，不影响合成生物产业的底层逻辑，不影响下游客户对该赛道的认可，更不影响国家大力发展合成生物产业的决心事实证明：合成生物赛道仍在不断获得新的融资，包括老项目和新项目。阶段性泡沫过后，现在正是一个挑选好技术、好团队、好项目的时期。
合成生物是一个典型的Know-how学科，那么给我们带来怎么样的投资启示？
首先，我们抛出一个问题，为什么合成生物一个单独的项目，要做5年才能做出来？到底难在哪里？市场上有的观点认为，“合成生物不就是转个基因、搞个菌种、发酵一下、提取一下”，认为它是一个很简单的过程。其实这样的看法是对该技术的一个误解。在技术没有完全成熟的Know-how学科中，有一个共同特点，就是需要反复试错，直到找到最优化的方案。落实到合成生物行业，1、每个菌种、每个代谢途径、每一类产品系列，都不能复制。2、全局化思维非常重要，需要把上游菌种设计、中游发酵分离提取、下游产品改性等等连贯起来考虑。，游设计严重影响中游、下游，因此必须有全局思维，必须同时懂得其中的技术原理，否则在研发期间要经历较长的GAP。
所以我们的第一个最重要的投资逻辑——判断该技术量产的可实现性。去判断这个技术，能不能量产，这个是最关键的。这里面有两个维度。第一，人无我有——只有我能做，别人暂时做不了；或者，只有合成生物方法能做，别的方法做不了。第二，人有我优——别人也能做，但我做的快，做的好，而且持续比你好
第二个关键的投资逻辑，就是产品的迭代性。假如有一天，菌种不幸外泄，工艺被别人模仿了，如何实现超越？就必须要实现核心菌种的迭代。新菌种已经开发出来了，旧的就算是泄露，但是生产性能永远无法超越竞争对手，自然就取得领先性了。
第三个关键点，就是要有稳定的市场需求。做出来的东西，需要市场去买单，而不是叫好不叫座的产品。最好是一些可以进指南的产品，或者是一些产业刚需的产品。
第四，企业要有足够的壁垒，包括团队上的、工艺上的、资质上的、客户方面的，这样在充分竞争中，可以把握领先性。当然了，绝对的壁垒是不存在的，但是相对的壁垒是可以构建出来的。
总而言之，合成生物是一个非常优秀的投资方向，是值得长期研究、长期布局、长坡厚雪的行业。
关于紫金港资本
紫金港资本成立于2014年，其主要发起人皆有平均20年左右的投资和企业管理经验，并有深厚工程技术背景，为投资赋能型管理人组合。紫金港资本目前已完成近100家硬科技项目的投资。紫金港团队倡导国际化，目前通过香港基金专注国际硬科技投资。
公司管理基金规模逾50亿元，已成功完成对杰普特(SH688025)、艾特网能(SH600510)、欣锐科技(SZ300745)、和铂医药(02142.HK)、微泰医疗(02235.HK)、波长光电（301421）、善康医药、恒瑞源正、诺尔康、步锐科技、馨海生物、瑞华制药、源兴基因、柔灵科技、泰研半导体、启尔机电、大象声科、木王科技、邻汇吧、贝特利、华思旭、博华新能源、永联科技、赛思电子、昂科技术、新菲光通信、时森海医药、晶蛋生物、玉汝成等众多优质企业的投资，投资领域涵盖集成电路、智能制造、医疗健康、新材料、TMT、人工智能等。
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