众为观点 | 合成生物学“造物时代”的机遇与挑战
2022年6月 1日

以万物生万物”,合成生物学的“造物时代”已然到来。

随着核心技术的持续突破,应用领域的迅猛拓展,再集合低成本、高质量、高收率、环境友好等优势,合成生物正携带着“第三次生物科学革命”的能量给未来注入源源不断的想象空间。

Zymergen、Ginkgo等明星企业相继上市,一级市场也融资频发,资本端反馈火热;人造肉、功能护肤、生物燃料等产品的落地,也让大众对合成生物寄予厚望;技术魅力、应用前景和政策扶持也正驱动着越来越多的创业者加入合成生物赛道。而在高门槛的技术壁垒下,又有哪些环节创新机遇涌动?锚定哪些细分领域,国内创新企业还有创新加速超车的机遇

由“格物致知”到“造物致知,造物致用”,我们一起开启合成生物的造物探索。

01源起:合成生物学乘势发展

合成生物学(Syntheic Biology)是在工程学思想指导下,对生物系统进行有目标的设计、改造乃至重新合成,让细胞为人类生产特定的物质。其作为生物学、生物信息学、计算机科学、化学、材料等多学科前沿技术的集大成者。

据CB Insights测算,2020-2025年全球合成生物市场规模将保持22.5%的高年均复合增速,至2025年突破200亿美元;合成生物在能源、化工、医药、食品、环境、农业等产业的应用也在不断拓展

合成生物大幕的开启,首先离不开技术创新的底层动力,上游技术的高速发展和积累,使得合成生物商业化越来越有可能。

纵观合成生物学的生产链条,合成是从原料到菌种再到产品的全链条设计和优化,在改造和优化天然表达体系的同时,将动物源和植物源的代谢路径构建到微生物体系中,重新合成全新的人工生物体系。最终实现目标代谢物的异源表达,将原料以较高的速率最大限度地转化为产物。

在这个过程中,需要攻克许多技术难关。而随着一系列颠覆性成果的陆续发布,生产链条中的关键技术得以突破推进,合成生物学也逐步从科学研究走向产业化。

并且,在全球倡导ESG投资以及国内推行“双碳”战略的背景下,使用可再生原料已是大势所趋,而合成生物学正是实现生物质能源高效利用的理想手段之一

再加上众多具有经济价值的新化合物的研发推出,人造肉、DNA生物电池、细胞治疗等丰富的商业化应用场景,都从供给端打开了合成生物学的市场空间。

政策利好也为合成生物学的研发应用带来契机。“十四五”规划就将合成生物列为科技前沿攻关方向,近日我国首部生物经济”五年规划”也正式发布,积极拥抱合成生物带来的产业机会;上海、广东、深圳等地也都在积极推进合成生物及相关领域的平台建设、应用转化等。

伴随着超乎预期的市场规模和应用潜力的展现,合成生物的“造物”时代已然来临,“一切皆可合成生物”的蓝图展现。

02 探路:合成生物学产业链创新机遇

目前,合成生物学处于行业高速发展的早期阶段。从产业链上下游角度划分,上游主要为各类技术赋能公司,为行业提供关键技术及产品支持,通常为服务型、平台型公司;下游为各类产品应用型公司,主要以产品应用为核心,具备主营产品所涉及的菌种和基因等技术能力、产业化生产和商业推广能力等。

具体而言,上游工具层开发使能技术,提供必要的工具和基础原料。这类技术多是DNA相关包括测序、合成,基因编辑等,比如Illumina、Codex DNA等。随着技术突破,高通量、低成本的DNA合成的实现,奠定了行业拐点到来的基础,同时带动了下游的快速发展。

产业链中游主要为软/硬件平台型公司,下游则主要为产品型公司,不少公司同时跨中下游。

平台型公司侧重对菌株的筛选与改造,致力于通过大量的数据积累,打造一个高通量、自动化的技术平台。也有平台型公司积极往下游延伸,与合作方共同开发,或是自主生产终端产品。

产品型公司则为侧重规模化生产,这类公司有明确的产品管线规划,选品也更务实,力求能在短期内做出上规模、有利润的终端产品,比如人造肉第一股Beyond Meat。

我们也以凯赛生物、华恒生物两家龙头企业为例,探析其发展路径的的关键优势,以对合成生物企业创新企业带来更多启发。

案例研究:

凯赛生物:全球领先的规模化生产并盈利的合成生物学企业

质量优势:其所生产生物基产品在产品质量上与化学法产品相比具有明显优势;

率先迈入生物基材料市场:公司率先以生物制造方法生产长链二元酸系列产品,凭借经济性及绿色环保等优势成为全球主导供应商;

技术优势:拥有境内专利的120项,境外专利19项(截止2020.12);涵盖多项生物制造核心科技,技术在全球范围内处于领先地位;

推出系列产品:在具备自产生物基戊二胺技术的基础上,进一步合成系列生物基聚酰胺(尼龙产品),并针对下游应用注册了商标“泰纶”和“ECOPENT”;

产品范围广:全球唯一可生产DC8-DC18长链二元酸的企业,并通过进一步向产业链下游延伸,生产戊二胺、生物基尼龙等产品,其产品应用范围极广。

华恒生物:全球领先的通过生物制造方式规模化生产小品种氨基酸产品的企业。

核心工艺:通过自主研发与产学研合作相结合的模式,开发了两种较为成熟的生物制造方式,即酶法生产工艺和发酵法生产工艺。L-丙氨酸和DL-丙氨酸生产技术均属国际首创;

产品扩张逻辑:以强势产品扩产能,特别是技术、成本有显著优势的方向,如L-丙氨酸,β-丙氨酸;以产业链一体化扩品类,如L-丙氨酸到 DL-丙氨酸,β-丙氨酸到D-泛酸钙等;以技术同心圆扩品类,如基于 L-丙氨酸的厌氧发酵工艺经验,开发出 L-缬氨酸;

技术持续创新迭代:比如酶法和发酵法 L-丙氨酸、 酶法β-丙氨酸等项目的创新,关注中长期的技术储备并持续迭代,成本持续下降。

03 寻机:决胜合成生物学未来

合成生物学并不是一蹴而就的学科,在分子生物学基础上历经几十年技术的探索。每一个技术进步和迭代,都让合成生物领域的效率和准确度更上一层楼,同时也大大降低了成本。

现阶段,合成生物学中美最前沿的科研能力接近,都在积极探索新的研究方向,这也给了国内合成生物赛道内的创新企业加速超车的机遇。

于技术而言,科研界比较认可的未来发展方向集中在无细胞生物合成和全细胞模拟设计

无细胞生物合成通常利用纯化酶、细胞提取物或无细胞蛋白质合成反应的组合来组装生物合成途径,可以结合化学工程和代谢工程的优势,给生物合成操作提供了极大的工程自由度和可控度。目前 Genomatica、Greenlight Biosciences、Sutro Biopharma、Tierra Biosciences 等公司已经成功开发了可扩展的无细胞合成生物学平台。

全细胞模拟设计则能够预测当基因从基因组中删除或引入该细胞时,有机体会受到怎样的影响以帮助我们做底物细胞的筛选,比如大肠杆菌的全细胞模拟就令人期待的,但模拟并不总能给出正确的预测,技术也需要进一步解决如何将这些复杂的模拟变成研究中可访问的设计工具。

此外,随着AI、精准预测蛋白结构的Alphafold等颠覆性技术的兴起,越来越多的专业人士进入合成生物领域,有可能进一步带来工具、方法、技术上的迭代,为创新企业带来机遇。

在具体的操作上,无论是平台类还是产品类公司,都需要慎重选品,选择比化学法有环保和成本优势且能持续增长的管线就是挑战之一。

合成生物学也具有较高的商业化门槛,实验室研发和产业化之间有很大差异,团队需要具备将科研成果产业化的潜力;不仅需要建立强技术壁垒,还需要行业底层know-how,有应用科研能力,将产业化能力和技术能力结合。具体而言:

技术能力:团队技术能力扎实、拥有平台自身技术的积累,如酶库的建设;
行业经验:丰富领域经验,如在体系、软件使用方法上有经验沉淀,能够明晰哪些场合要用哪些方法以得到有意义的结果;
选品能力:对工艺技术能力、市场规模、下游应用空间、需求等因素综合考虑,科学选品;
应对未来行业变革的能力:面对行业变化,能够快速学习、快速适应市场及技术变革。

作为一项充满想象力的领域,合成生物学的最终落地需在商业和技术可行性上延拓。而其长周期属性,也要求赛道内的探路者既要对研发有耐心,对试错有包容度,还要时刻保持对需求面变化的敏感度。

而当“一切皆可合成生物”时,我们更要有“不要为了合成而合成”的辨识度,夯实选品、明确商业化场景、尊重科学本元。众为资本长期关注“产业+科技”带来的创新机会,看好合成生物“创造”的未来,