2023新材料行业合成生物学专题报告

来源：中信证券 作者：李超

合成生物学是 21 世纪最值得关注的行业之一

合成生物学发展迅猛，生物制造前景广阔

合成生物学是一门发展迅猛的前沿交叉学科。合成生物学（Synthetic biology）是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科，其实现的技术路径是运用系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子合成为基础，综合生物化学、生物物理和生物信息等技术，旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。1980 年，Barbara Hobom 开始使用“合成生物学”这一概念来表述基因重组技术，随着基因合成技术、基因测序技术等在 20 世纪八十年代、九十年代不断成熟，对生命的研究进入了基因组时代，也为合成生物学的发展奠定了实质性的、全面的物质基础。合成生物学在进入 21 世纪后发展迅猛， 2004 年美国 MIT 出版的《技术评论》就把合成生物学选为将改变世界的十大技术之一；2010 年合成生物学位列《Science》杂志评出的十大科学突破第 2 名和《Nature》杂志盘点的 12 件重大科学事件第 4 名；2013 年国际著名咨询机构麦肯锡公司将合成生物学评为能够引起人类生活以及全球经济发生革命性进展的颠覆性科技。

合成生物学类似于计算机编程，改造生命体相当于编写新的“程序”。合成生物学借助生命体高效的代谢系统，通过基因编辑技术改造生命体以设计合成，使得在生物体内定向、高效组装物质和材料。我们认为，合成生物学类似于计算机编程，细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，而细胞代谢与基因表达密切相关，因此可以把基因组比作“造物主”编写的“程序”，生命体的活动按照该“程序”运作，而人类通过生物技术和基因技术的进步对基因的理解不断深化，直至能够自行通过基因编辑设计代谢途径，相当于对 “造物主”的“程序”进行反向编译，在理解“编程语言”后自行编写能够实现特定目的的新“程序”。

生物制造是合成生物学的重要应用场景。合成生物学被广泛应用于各种产业，在推动科学革命的同时，合成生物学技术正快速向实用化、产业化方向发展。合成生物学技术应用涵盖平台开发、医药、化工、能源、食品和农业等重点领域，简单来看，合成生物学能够改造的生命体包括动物、植物、微生物（细胞），但是动物和植物都是更加复杂的生命系统，以目前的技术手段难以实现理想的结果，因此通过改造微生物（细胞）来进行发酵生产（即生物制造）成为合成生物学最先落地也是近年来最重要的应用场景。

生物制造有望成为对标化工的庞大产业。生物制造作为一种革命性的生产方式，以改造后生物体作为高效细胞微工厂，进行定向化、高效化、大规模化物质加工与转化，为社会发展提供工业商品。根据麦肯锡的数据，原则上全球经济物质投入中的 60%可由生物产生，加之其生产过程绿色、条件温和、原材料取得便利，未来发展空间非常广阔。生物制造具有高效、清洁、可再生等特点，是绿色、低碳、可持续的经济发展模式，在能源、化 工等领域具有改变世界工业格局的潜力。根据白宫简报《拜登总统将启动国家生物技术和 生物制造计划》，到本世纪末，生物制造可能占全球制造业产出的三分之一以上，价值接近 30 万亿美元。尽管生物制造产业还有很长的路要走，但我们认为其有望发展成为对标化工的庞大产业。

相比其他生产方式，生物制造的核心优势在于凭借助细胞工厂的高效代谢系统降低成本和减少排放。生产是通过若干物理过程或化学过程将原材料加工转化成产品的过程，以某些流程复杂的化工生产为例，从原材料到最终产物往往要经过数步化学反应，其中每一步涉及的转化率、催化剂、设备折旧、能源消耗等因素都将增加生产成本，因此对于这些 生产过程，制造费用往往明显高于原材料成本，而如果能构建出高效的细胞工厂将原材料 转化成同样的产品，将有效降低成本，因为原材料到产物的一系列化学反应将在细胞内进行（即借助代谢系统），只需要提供适宜发酵的条件，远比自行进行反应容易。打个比方， 想要通过化学反应将青草转化成牛奶，无疑是十分困难的，而将青草喂给奶牛再挤出牛奶， 显然更容易，本质是利用了奶牛的代谢系统。举个实际例子，华恒生物构建了以可再生葡 萄糖为原料厌氧发酵生产 L-丙氨酸的微生物细胞工厂，相比传统的生产方式，实现了降本减排。根据中科院天津工业生物技术研究所统计，和石化路线相比，目前生物制造产品平均节能减排 30%-50%，未来潜力将达到 50%-70%，这对化石原料替代、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。

生物制造和传统发酵的关键区别在于菌种。传统发酵往往通过对野生菌种采取各种诱变方式，选育出高产优质菌种，随着下游各领域对产品需求的多元化，天然存在的微生物中缺乏所需产物的代谢途径，或其代谢途径调控复杂，所需产物难以实现过量积累。尽管存在相对成熟的人工代谢调控方法—基因修饰如密码子优化、过量表达、竞争途径敲除等和发酵条件控制如温度、pH、供氧量、培养基碳氮比、前体物质添加等，但是传统改造属于静态调控，改造菌种往往遇到瓶颈。生物制造的核心在于用合成生物学技术构建高效细胞工厂，借助编辑工具和生物元件进行代谢通路的移植或动态调控。将合成生物学工具应用于定向进化，能缩短菌种定向进化周期，增加突变体筛选效率，将其应用于代谢工程，在将生物系统作为一个整体进行工程改造前提下，通过动态控制各复杂途径表达量，可以迅速提升产品多样性。

底层技术不断进步，助力合成生物学释放潜力

合成生物学的发展得益于多种底层技术的进步。合成生物学本身的发展和增长要归功于多种技术的融合，包括 DNA/RNA 设计和合成、基因测序和基因编辑等基础技术，以及一系列不断扩展的技术，如计算、生物信息学、多组学、人工智能、自动化、3D 生物打印和精密发酵等。近些年，生命科学领域的一系列技术创新，如 CRISPR/Cas9 基因编辑、干细胞重编程和单细胞测序等，正在为合成生物学提供新技术和工具，这些基础技术和工具的发展和应用加速了合成生物学的商业化落地进程。

基因测序成本下降速度快于摩尔定律。解析基因组中的信息是现代生物学研究的基础，发起于 1990 年的“人类基因组计划”历时 13 年、耗资约 30 亿美元，完成了人类基因图谱的测绘。然而，只有当基因测序变得足够快捷和便宜时，人类所知的各种生物的基因图谱的潜力才能被充分释放出来。随着下一代测序技术（高通量测序）和第三代测序技术（单分子测序）的发展，目前基因测序成本的下降速度已经快于摩尔定律，2019 年在美国人类个体全基因组测序的价格已低于 1000 美元，并且这一价格有望在未来 10 年内降至 100 美元以下。测序的成本下降和通量提升带动了生物数据的大量产生，以便人类能够更好地理解生物学。

以 CRISPR 系统为代表的新型基因编辑技术飞速发展，在诸多生物学领域中得到广泛应用。基因编辑就是对目标基因及其转录产物进行编辑（定向改造），实现特定 DNA 片段的加入、删除，特定 DNA 碱基的缺失、替换等，以改变目的基因或调控元件的序列、表达量或功能。CRISPR/Cas 技术是新涌现的基因编辑工具，能够完成 RNA 导向的 DNA 识 别及编辑，它使用一段序列特异性向导 RNA 引导核酸内切酶到靶点处，从而进行基因编辑，其开发更是为构建更高效的基因定点修饰技术提供了全新的平台。与传统基因编辑工具相比较，CRISPR 系统作为一种新型编辑工具，具有省时间、易构建、精度高等特点， 成为近年基因组编辑的热门工具，当前已被广泛应用于基因敲除、基因沉默和基因激活等方面，极大扩展了基因编辑技术的应用范围。

DNA 合成技术历经四代，成本下降空间仍很大。DNA 合成技术可分为柱合成技术、芯片合成技术、超高通量芯片合成技术和酶促合成技术，其中酶 DNA 合成则在合成速度、长度、效率及成本等方面拥有化学合成无法比拟的潜力，成为 DNA 合成技术发展的前沿 方向。根据 NHGRI Genome Sequencing Program 和 Synthesis，近 15 年测序成本下降 超 10000 倍，oligo 合成（一般 20-200nt 长度）成本只下降约 10 倍，目前长链 DNA（一 般 200nt 以上长度）的单碱基合成成本是其测序成本的 1 亿倍，DNA 合成的高成本使得快速测序的价值降低，市场上缺乏高质量、低成本、按需合成 DNA 的解决方案。随着 DNA 合成技术的进步，DNA 合成的成本及门槛都会进一步降低，为合成生物学的发展提供支持。

人工智能有望加速菌种改造 DBTL 循环。随着代谢负担的增加和生物反应器条件的压力变化，底盘细胞生理特性往往变得不可预测，研发人员需要从大量的实验数据以及旧文献中的“教训”中学习。在微生物菌种开发过程中，通常涉及到设计-构建-测试-学习（DBTL） 循环，这种方法集成了菌株计算设计、基因工程改造、发酵测试和组学分析，以提升菌种性能，解决生产瓶颈。然而，DBTL 可能会进入无效循环，其众多的工程周期只会产生大量的信息，而不会导致产品性能的突破。将将人工智能纳入 DBTL 循环有助于加速菌种开发，从长远来看，知识挖掘和标准数据库构建、人工智能与代谢网络等机理模型的集成将减少实验室在 DBTL 方面的工作量，将主要工作负担从人类转移到计算机，加快微生物细胞工厂的开发。

全基因组规模定制工程有望进一步提升菌种的构建效率和性能。早期的诱变育种采取非理性手段进行菌种改造，是典型的“以时间（人力）换水平”的策略。随着生物学知识的积累，经典代谢工程的发展使得对生物代谢网络进行理性/半理性设计成为可能，以DBTL 循环为基本流程，菌种改造效率得到显著提升。系统代谢工程的建立进一步使得研发人员 能够结合组学和生物信息学手段获取生物学知识，从系统层次进行菌种的设计，进一步加快菌种的构建效率。然而，由于微生物代谢网络结构及其调控机制的复杂性和“生命暗物质”的广泛存在，目前代谢工程主流采用的 DBTL 循环，通常从菌种概念设计到满足实际应用需求，需要 50-300 人年和数亿美元的投入。随着高通量研究技术的发展，由数据驱 动的全基因组规模定制工程化有望克服这些难题，通过将高通量技术在全基因组范围基因型空间的挖掘与改造相结合，有望以更低的开发成本、更短的研发周期获得生产效率更为高效、生产性能更加优越的下一代定制化菌种。

合成生物学是 21 世纪最值得关注的行业之一。美国 ODASA（Office of the Deputy Assistant Secretary of the Army）发布的《2016-2045 年新兴科技趋势报告》中明确提出，合成生物学的进步将推动人类跨入生物科技的新纪元。马斯克在 2022 年 G20 峰会上和印尼教育、文化、研究和技术部长交流时表示“可持续能源、人工智能、合成生物学是最令 人激动、最被需要的三大领域”。我们认为在物理、化学、生物三大学科中，人类对生物 学的探索最慢：经典物理学在 16-17 世纪开始发展，经典力学、热力学、电磁学等分支学 科相继成熟，为第一次工业革命和第二次工业革命打下基础；近代化学在 18 世纪开始发展，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，19 世纪近代原子论和分子学说相继提出，20 世纪开始化工产业才迎来大规模发展；细胞学说、达尔文进化论、孟德尔遗传定律等生物学里程碑事件发生在 19 世纪，1953 年发现 DNA 双螺旋结构后，生物学迎来蓬勃发展，21 世纪的生物革命将改变经济、社会和人们的生活。

应用领域分布广泛，合成生物学是万亿级赛道

当前产品类公司更佳，万亿级赛道如日方升

短期来看，Markets and Markets 预计 2026 年全球合成生物学市场规模达到 307 亿美元，对应 2021-2026 年 CAGR 为 26.5%。根据 Deep Tech，全球合成生物学市场规模由 2016 年的 35.3 亿美元增长至 2021 年的 73.7 亿美元，对应 2016-2021 年 CAGR 为 83.6%，其中医疗健康领域是第一大应用领域且增速最快，2021 年全球医疗健康领域合成生物学市场规模为 68.7 亿美元，对应 2016-2021 年 CAGR 为 105.6%。此外，工业化学品是医疗健康外第二大应用领域，2021 年对应市场规模为 18.2 亿美元。根据 Markets and Markets，2021 年全球合成生物学市场规模高达 95 亿美元（不同机构的统计口径不同，导致市场规模有差异），该机构预计 2026 年达到 307 亿美元，对应 2021-2026 年 CAGR 为 26.5%。

中长期来看，合成生物学每年带来的经济影响或超万亿美元。根据麦肯锡发布的《生物革命：创新改变经济、社会和人们的生活》，其收集到大约 400 个实用案例，并以此为基础构建未来初步可预见的管线。麦肯锡主要通过 4 个价值增益驱动因素评估生物科学的进步及其应用对经济和社会的直接影响，包括减少疾病负担、提高质量、降低成本、环境效益，预计在未来 10-20 年，这些应用可能每年对全球产生 2-4 万亿美元的直接经济影响。尽管并非全部案例均与合成生物学相关，但显然合成生物学贡献了绝大部分，因此我们预计 2030-2040 年合成生物学每年带来的经济影响或超万亿美元。

我们认为当前时点医疗健康和化工领域的产业化进度相对领先。尽管合成生物学在众多下游领域均有广阔的应用前景，但受限于技术成熟度和市场拓展等因素，下游各领域的产业化进度（结合通过产业化案例数和对应的市场规模判断）各不相同，其中医疗健康和化工领域的产业化进度相对领先，我们认为原因主要是：1）医疗健康领域本身就是建立在生物技术之上的，前沿的生物技术也会首先在医疗健康领域得到应用，此外在医疗健康 领域产品效果的重要性大于产品价格，因此成本往往不会成为产业化的限制因素；2）化工领域对降低成本的诉求非常强烈，因此一旦生物制造在某类产品上展现出成本优势，往往能迅速替代现有竞品实现放量，此外大企业不断加强对环保、低碳、可持续的重视，也有利于合成生物学产品的产业化。归根结底，限制合成生物学产业化的本质是技术，整体上看合成生物学的产业化进度还处于初期，随着未来各环节技术的进步，下游各领域的发展前景和市场空间均非常广阔。

医疗健康：制药与治疗过程将更具经济性和高效性

合成生物学在医疗健康领域的应用最为深入。目前合成生物学技术应用于医疗健康产业主要有两种方式：一种是对微生物进行设计和改造，使微生物可以生产某种药物分子，或其本身作为活性药物，实现治疗疾病的功能；另外一种是基于合成生物学的工程化思维和设计理念，对哺乳动物细胞进行改造，使其具备相应的功能，如用于器官移植、细胞治疗和疫苗生产等。

生物药在医药市场中占据越来越重要的地位。生物制药是指从生物来源中制造、提取、或半合成药品，早期主要是直接从动植物中提取，如牛胰岛素，随着现代生物技术在 20 世纪 80 年代兴起，现代生物制药技术逐渐发展为以生物工程为主导、发酵工程为中心的 包括细胞工程、酶工程的现代生物体系，由于改造基因和蛋白质的传统方式已经达到了技 术和经济的瓶颈，合成生物学就成为关键的新工具。和传统的化学药相比，生物药属于大 分子，结构复杂，理化性质不稳定，生产运输条件较高，研发和生产的难度、成本都较高，但是生物药的治疗靶点更为精确，经常能带来更好的疗效和更低的毒副作用。随着技术的 进步，生物药研发和生产的难点被逐渐克服，可靠的功效使其在医药市场中的重要性不断 提升。根据 Frost & Sullivan 预测（转引自奥浦迈招股说明书），全球医药 CDMO 市场规 模将由 2020 年的 424 亿美元增长至 2025 年的 856 亿美元，其中生物药 CDMO 占比由 42.5%提升至 53.7%，对应全球生物药 CDMO市场规模 2020-2025年的 CAGR为 20.7%；中国医药 CDMO 市场规模将由 2020 年的 317 亿元增长至 2025 年的 937 亿元，其中生物 药 CDMO 占比由 28.7%提升至 48.9%，对应中国生物药 CDMO 市场规模 2020-2025 年 的 CAGR 为 38.1%。

预计 2020-2030 年全球和中国生物药市场规模 CAGR 分别为 10.5%和 14.1%。根据 Frost & Sullivan（转引自珈创生物招股说明书），凭借生物药卓越的疗效、生物科技的显著发展以及研发投入不断增加，全球和中国生物药市场规模在 2020 年分别达到 2979 亿美元和 3457 亿元，该机构预计在 2030 年分别达到 8049 亿美元和 12943 亿元，对应 2020-2030 年的 CAGR 分别为 10.5%和 14.1%。得益于可支付能力的提高、患者群体的增长以及医保覆盖范围的扩大，中国市场增速更快。

医疗健康领域与生物技术息息相关，将受到合成生物学深远的影响。一方面，合成生物学融合了基因疗法和细胞疗法，将转染了具有治疗功能的人工合成基因回路的工程化细胞植入生物体内以实现治疗疾病的目的，是临床治疗手段的重大变革。另一方面，与传统治疗方式（如药物治疗、放射治疗以及手术治疗等）相比，合成生物学可在更大的时空范围内，通过影响机体的特定生物学过程而重建生命内稳态，以达到治疗疾病的目的，更是一种医学模式和治疗理念的转变。

化工：低成本+可持续，化工产品的制造将被重塑

相比传统化工，生物制造具有低成本+可持续优势。合成生物学在化工领域的应用主要包含材料、化学品、化工用酶、油类和润滑剂等多方面。如利用改造后的酵母或其他微生物生产化学品、材料和油类，通过定向进化结合高通量筛选寻找在高温高酸等特殊场景拥有高活性的酶等。根据 OECD 的报告，生物制造可以降低工业过程能耗、物耗，减少废物排放与空气、水及土壤污染，以及大幅度降低生产成本，提升产业竞争力。例如通过生 物制造生产 1，3-丙二醇，与石油路线相比，CO2减排 63%，原料成本下降 37%，能耗减 少 30%，成功创造了一个化纤原料摆脱石油价格体系的范例。OECD 预计 2023 年世界上 35%的化工产品将被生物制造产品所取代，生物制造产业将逐步形成可再生资源持续发展 的经济形态。

可持续已经成为企业不可忽视的重要因素。越来越多的企业正在做出多种类型的可持续承诺，其中大部分是化学和材料企业，麦肯锡 2021 年的调查发现近 50%的领先企业承诺减少“范围 3”温室气体排放，包括与原料和原料上游生产相关的排放，同时承诺企业 数量从 2016 年到 2021 年以 34%的 CAGR 增长，比 2006 年到 2015 年的 14%显著增加。针对“范围 3”做出的承诺正在对化学品和材料下游行业超过 4 万亿美元的收入产生影响，涉及到的化学品和材料的产值约 5000 亿美元，在这种趋势下，生物制造的可持续优势不仅仅有利于企业自身，对整个产业链更加重要。

生物可降解材料有望替代传统塑料。塑料作为石化产业重要的下游领域之一，其制造所需要的石油消耗量占据全球石油产量的 8%。根据 NRDC 预测，如果按照目前的趋势发展，2050 年全球塑料将消耗全世界 20%的石油。塑料污染问题逐渐成为仅次于气候变化 的全球第二大环境议题，塑料一旦泄漏到土壤、水体等自然环境中，便难以降解，会造成视觉污染、土壤污染、水体污染等各种环境破坏，处置方式不当还会影响温室气体排放， 给脆弱的生态环境带来持久性危害。另外，微塑料进入食物链也可能对人体健康带来严重危害。各国相继出台限塑政策，第五届联合国环境大会上 175 个国家和地区通过了《终止塑料污染决议（草案）》，将在 2024 年底前完成首个全球“限塑令”，同时塑料污染治理和可循环包装应用也成为全球主要快速消费品公司亟需解决的重要 ESG 议题。生物可降解 材料具有类似塑料的物理和机械性能，结合了传统塑料的优点，同时又具有白色污染难降解的解决方案，有望成为传统塑料的最佳替代。

PHA 是最具前景的生物可降解材料。生物可降解材料分为石油基和生物基，主要的可 降解材料如 PBAT、PBS、PLA、PHA 等的单体（PBAT 的己二酸和丁二醇、PBS 的丁二 酸、PLA 的乳酸）或聚合物本身（PHA）理论上均可通过生物制造的方式生产。考虑到原 材料的可持续性和生产过程的安全性，生物基可降解材料更有优势，根据 European Bioplastics 预测，2027 年全球生物基塑料产能将达到 629 万吨，可降解塑料占到 56.5%， 其中 PLA 和 PHA 分别占 37.9%和 11.8%。相对于其他可降解材料，PHA 在降解性能和应用领域方面均更优：降解性能上，PHA 的降解范围更广，可以在淡水、海水、土壤、堆肥、甚至有机污泥中生物降解，还可以通过与其他材料共混来提高终产品的可降解性；物理性 能上，PHA 是系列聚合物，既可以对共聚物的单体结构进行选择搭配，亦可以与其他可降 解材料复配，提升共混物的物理机械性能。根据《PHA 生物可降解塑料产业白皮书》（普华永道，2022 年）预测，短期内，PHA 生产成本仍将高于 PLA，其市场需求主要为不便于回收、易泄漏到环境中的场景，市场规模约 629 亿元；长期看，随着 PHA 生产成本不断下探，其有望在包装领域完全替代 PP、PE，市场规模达到 1.2 万亿元。

看好未来生物制造在化工领域突破大体量产品。生物制造在一些细分领域已经完全取代传统化工，例如，长链二元酸是是一类用途极其广泛的重要精细化工产品，针对长久以来化学合成长链二元酸技术的不足，凯赛生物以石油中的副产物正烷烃为原料，采用微生物发酵的方法生产长链二元酸，显著降低了成本和污染，是世界上首个使用生物法产品取代石油化学法产品的商业成功案例。但无论是凯赛生物的长链二元酸、华恒生物的丙氨酸、 杜邦的 1，3-丙二醇，都是需求在十万吨级或更小的产品，而在百万吨级需求的化工产品 中尚未有成功替代的案例，我们认为随着合成生物学技术的进步，生物制造必然会在化工 领域突破大体量产品。目前已经有公司取得进展，东丽株式会社开发出一种 100%生物基 己二酸的生物合成方法，并已经开始探讨扩大研究规模，目标在 2030 年左右实现该技术 的实用化。

农业和食品：更高效的农业生产和更绿色健康的食品

合成生物学有望改善人类面临的粮食短缺困境。全球人口从 1961 年的 30.7 亿增长到 2020 年的 78.2 亿，在此期间全球人均耕地却减少约一半，原因除人口因素外还包括工业 化和城镇化进程加快以及气候问题。人类生存所面临的粮食危机越来越严重，联合国粮农 组织预计至 2050 年全球粮食产量需增产 70%才能满足需求，以快速且可持续的方式在更少的土地上生产更多的粮食是农业界所面临的巨大挑战。随着合成生物学的快速发展，其在农业领域的应用如作物增产、牲畜和动物饲料及添加剂、害虫防治等方面和在食品领域的应用如肉类和乳制品、饮品、食品安全、调味剂和添加剂等方面的潜力日益凸显。

合成生物学能够从多个方面提高农业生产力，其比转基因技术更加高级。对于植物作物，利用合成生物学可以提高光合作用效率来增加产量、促进自主固氮来减少化肥使用、重塑代谢通路来改良农产品品质以及高效防治虫害；对于牲畜，主要是利用合成生物学高效提供蛋白饲料。合成生物学技术与转基因技术在农业上的应用有一部分重叠，前者是建立在后者基础之上的，两者主要不同是转基因技术将个别外源基因转移到某生物基因组内， 使之能表达有益的蛋白质，而合成生物学则一方面是从头设计和构建自然界中不存在的人工生物体系，另一方面从对现有生物的重新设计和改造的角度看，其通常是转移一组基因， 因而要在更大规模更多层次上涉及到细胞网络，如代谢网络等。因此，合成生物学对农业产生的影响和带来的前景将超过转基因技术。

预计 2026 年全球微生物肥料市场规模将达到 44.7 亿美元。微生物肥料是指以微生物的生命活动为核心，使农作物获得特定的肥料效应的一类肥料制品，从传统的菌种筛选到菌种改造设计、多高效复合菌系制造、肥料菌株功能挖掘等技术的应用，合成生物学实现 了肥料菌株研发的多样性、调控性和精确性。根据 Markets and Markets，北美是全球使 用微生物肥料最多的地区，其次是欧洲，2020年美国的微生物肥料使用比例高达60-70%， 欧洲许多国家达到 45-60%。Markets and Markets 预计全球微生物肥料市场规模将在 2021 年达到 22.5 亿美元，并以 11.9%的 CAGR 增长，在 2026 年达到 44.7 亿美元。随着合成生物学技术不断进步，微生物肥料的增产效果、方便程度、生产成本都将持续改善，为解决人类面临的粮食危机做出贡献。

传统畜牧业存在诸多问题，植物肉提供优质解决方案。随着全球的肉类消费需求增长，传统畜牧业规模扩张导致动物疫情频发、滥用抗生素、温室气体排放等问题。根据联合国粮农组织的数据，2015 年全球畜牧业温室气体排放约为 7.1Gt 二氧化碳当量，占人类活动温室气体排放总量的 15%左右。在此背景下人造肉作为畜牧产品的替代品被开发出来，人造肉分为细胞肉和植物肉，目前细胞肉由于技术难、成本高等因素无法规模量产，植物肉以植物蛋白、氨基酸和脂肪为基础，添加经合成生物学技术改造的酵母合成的植物性血红蛋白而制成，已经实现大规模商业化生产。相比传统畜牧业，每生产 1 公斤植物肉，为环境节省了 93%的土地浪费与破坏、99%的生产用水和 90%的温室气体排放，除此之外， 根据美国农业部的研究，普通肉类中含有的激素等，会导致癌症、心脏病等疾病患病风险 大幅增加。从营养学角度，植物肉具有零胆固醇、零激素、零反式脂肪酸、零抗生素，富含人体必需氨基酸等优点，更符合人们对饮食健康的要求。根据《2021 中国植物肉行业洞察白皮书》（星期零，彭博商业周刊），目前植物蛋白肉的研究以及专利申请主要集中于植物蛋白纤维化加工技术、血红蛋白的生产与应用、风味物质的生产与应用三方面，其中后两者均依靠合成生物学实现。一方面，采用经改造的微生物生产的血红蛋白，可以赋予植物蛋白类似肉制品的颜色，并且可以弥补植物蛋白铁元素含量不足的问题；另一方面，采用经改造的微生物生产多种脂肪、维生素、风味物质，并结合热加工处理方法，使植物蛋白肉的口感接近于真实肉制品。

环保健康生活是大势所趋，预计 2025 年全球人造肉市场规模达到 279 亿美元。环保 方面，根据普华永道的数据，如果全世界用植物肉取代 10%的动物肉消费，人类将节约 1.76 亿吨二氧化碳排放，相当于 27 亿棵树的吸收量；将释放 3800 万公顷土地，相当于 云南省的面积；将减少 86 亿立方米用水，相当于渭河一年的总流量。健康方面，根据《美 国心脏协会》发表的研究《Centered Diet and Risk of Incident Cardiovascular Disease During Young to Middle Adulthood》（Yuni Choi，Nicole Larson，Lyn M Steffen 等），最 常吃植物性食物的人患心血管疾病，如心脏病、中风、心力衰竭和其他疾病的风险降低了 16%，他们死于心血管疾病的风险也降低了 31%到 32%。环保和健康的生活方式是人类 发展的趋势，也是消费者选择植物肉的重要原因。Markets and Markets 预计 2025 年全球人造肉市场规模达到 279 亿美元，对应 2021-2025 年的 CAGR 为 14.9%。

消费品：创造多元化的选择和更美好的生活

合成生物学正在为消费者提供多元化的产品。合成生物学在消费品领域的应用主要包 含人类营养、宠物食品、皮革、护肤品等多方面。如利用微生物发酵生产动物蛋白食品来 满足宠物营养和健康需求，利用菌丝体或微生物发酵生产皮革，通过改造微生物来生产香 料、保湿剂和活性成分等用于护肤品。Amyris 以甘蔗为原料进行酵母发酵合成法尼烯，再 以法尼烯为原料通过化学反应合成角鲨烯和角鲨烷，替代了鲨鱼肝油和高精度橄榄油的提取技术路线，提供更加环保、更加纯净的可持续化妆品原料。

合成生物学助力婴幼儿配方奶粉营养素添新品。HMOs（母乳低聚糖）是母乳中仅次 于乳糖的第二大类碳水化合物成分和第三大营养成分，与母乳中其他活性营养相比，HMOs 的含量是乳铁蛋白的 12 倍，免疫球蛋白的 6 倍。HMOs 的结构超过 200 多种，目前已确定结构的 30 多种，每一种结构的 HMO 都有独特的功能性，人类对 HMOs 的研究超过 130 年，在合成生物学技术的加持下，2016 年前后才实现商业化。目前，在 HMOs 生产工艺上，实现量产的制备方法包括酶法和发酵法。根据《母乳低聚糖（HMOs）行业市场调研》（恒鲁生物），2021 年全球 HMOs 市场规模为 3.8 亿美元，仍处于导入期阶段；随着产品 价格逐步降低，其在婴幼儿配方奶粉、功能食品和饮料、营养补充剂等领域的渗透率将不 断提升，在保守/中性/乐观三种情景下，预计 2027 年全球 HMOs 市场规模分别达到 9.57/13.60/18.38 亿美元，对应 2022-2027 年 CAGR 分别为 14.1%/22.4%/30.0%。

合成生物学助力重组胶原蛋白渗透率快速提升。胶原蛋白是用于化妆品领域的关键生物活性成分，主要功效是皮肤修护和抗衰老，胶原蛋白可分为重组胶原蛋白（合成生物学制造）和动物源性胶原蛋白（动物组织提取）。重组胶原蛋白具有包括生物活性及生物相容性更高、免疫原性更低、漏检病原体隐患风险更低、水溶性更佳、无细胞毒性以及可进 一步加工优化等内在优势，在化妆品领域的应用逐渐普及。根据 Frost & Sullivan 预测（转引自巨子生物招股说明书），中国重组胶原蛋白产品市场规模将由 2021 年的 108 亿元增长至 2027 年的 1083 亿元，对应 2021-2027 年 CAGR 为 46.8%；中国重组胶原蛋白在整个 胶原蛋白市场中的渗透率将由 2021 年的 37.7%提升至 2027 年的 62.3%，在主要下游市 场中，功效性护肤品/医用敷料/肌肤焕活应用领域重组胶原蛋白渗透率均明显提升。

能源：生物燃料+生物制氢，帮助人类摆脱化石能源依赖

环保和减排压力下生物能源再受重视。目前合成生物学在能源领域的应用主要包含生 物乙醇、柴油和丁醇等方向，能源类合成生物学公司是整个合成生物学行业中起落较大的一个类别。2010-2020 年，随着国际环境的变化，加上页岩油开采的商业化落地，使得国际原油价格剧烈波动，这无疑击穿了一众该类别公司的生物燃料梦想。根据 IEA，2021 年全球石油消耗的产业占比中，交通用汽柴油和航空用油合计占比 54%，通过开发生物能源来减少燃料用油的意义重大，而且其发展的最大推动力已经不再是比化石能源廉价，而是比化石能源环保。IEA 的一项分析指出，为了阻止全球的升温超过 2℃，生物能源在总能源需求中的占比需要从 2015 年的 4.5%提高到 2060 年的 17%，但是截至目前，生物能源的产量远低于达到这个目标所需的速度。

生物能源推广加速，预计 2025 年生物柴油市场空间超 3000 亿元。根据《Statistical Review of World Energy 2022》（BP），全球生物燃料消费量由 2011 年的 117 万桶/天增 长到 2021 年的 184 万桶/天，生物燃料消费量占石油燃料（汽油+柴油+煤油+燃油）消费 量的比例由 2011 年的 1.90%提高到 2021 年的 2.95%，提升空间巨大。各国对于交通运 输领域的生物能源使用都有指标，欧盟的 2021 年修订版 RED（可再生能源指令）中，要求 2030 年成员国交通运输部门中生物燃料占总燃料的比例和生物能源占总能源的比例的 目标分别提高到 26%和 40%。生物柴油掺混入化石柴油中制成混合柴油在减少有害气体 排放的同时无需额外改动，有效降低了使用门槛。根据卓越新能招股说明书披露，北欧国家如瑞典、芬兰、挪威等 2020 年目标生物柴油掺混比例均达到 20%及以上，欧洲主要经济体德国、法国、英国等也在设置更高的要求。随着生物柴油掺混比例的政策性提升，OECD-FAO 预计 2025 年全球生物柴油需求量将达到 5122 万吨，按照 6000 元/吨的价格保守测算，市场空间可达 3073 亿元。尽管目前生物柴油主要采用化学法生产，但未来具有反应条件温和、无污染排放等优点的生物酶法、发酵法将扮演越来越重要的角色。

合成生物学实现从二氧化碳到生物燃料的直接转化，有望解决成本问题。生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉、木质纤维素等生物基原料生产各种化学品、燃料的过程，第一代生物炼制主要以植物油、废弃食用油等为原料来合成生物燃料，第二代生物炼制原料主要为非粮食生物质，包括谷物秸秆、甘蔗渣等。第三代生物炼制旨在利用微生物细胞工厂将可再生能源和二氧化碳转化为燃料和化学品，微生物是第三代生物炼制的核心，其 中自养微生物是一种以二氧化碳作为主要或唯一的碳源，以无机氮化物作为氮源，通过细菌光合作用或化能合成作用获得能量的微生物。目前采用一些经过合成生物学改造的光能或化能自养微生物，已经可以实现从二氧化碳合成生产燃料和化学品，产业化落地后有望解决制约生物能源发展的成本问题。

生物制氢有望成为未来最理想的能源解决方案之一。氢气凭借清洁高效、热值高、可持续、应用广泛等突出优势，被誉为“21 世纪的终极能源”，制氢的主要技术路线分为五种：石油、煤炭、天然气等化石能源重整制氢；电解水制氢；利用冶金、焦化、氯碱等过程中的工业副产气制氢；太阳能光解水制氢以及生物制氢。目前传统化石能源制氢技术仍在全球范围内占据绝对主流位置，根据《2022 年中国氢能行业白皮书》（头豹研究院）， 中国制氢来源中化石能源制氢占比接近 2/3。但在绿色能源转型与“双碳”目标的时代背景下，以化石能源产“灰氢”的方式终究只能作为暂时的过渡性手段，以生物制氢为代表 的可再生能源制“绿氢”技术被认为是属于未来的、最为理想的能源解决方案之一。但受限于技术尚未成熟、设备及储运设施不完善等因素，生物制氢生产成本较高，短期内是制约其实现商业化应用的关键问题。

合成生物学将成为生物制氢突破的关键。根据 2022 年科技部、国家发展改革委、工 业和信息化部等 9 部门发布的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030 年）》，前沿和颠覆性低碳技术包括新型绿色氢能技术，即研究基于合成生物学、太阳能直接制氢等绿氢制备技术。通过合成生物学技术从提升菌种光能吸收效率、提高菌种产氢率、改用廉价原料等方面取得突破，生物制氢有望逐步具有经济性。中国氢能联盟预测，2050 年中国氢能需求量将达到近 6000 万吨，假设届时生物制氢占比 10%，产氢量约为 600 万吨，我们按照 2 万元/吨的价格测算，市场规模高达 1200 亿元。

行业即将迎来加速发展，投资遵循三条主线

资本市场融资火热+各国支持政策频出，合成生物学即将迎来加速发展

全球合成生物学初创公司融资火热。近年来，随着相关技术不断成熟，合成生物学产 业百花齐发，全球范围内大量初创公司如雨后春笋般出现，也带动了资本市场对这一创新 浪潮的关注。根据 SynBioBeta 统计，2019-2021 年全球合成生物学初创公司融资额达到 31/78/180 亿美元，其中 2021 年融资额几乎相当于从 2009-2020 年所有融资额的总和。可以说 2021 年是合成生物学初创公司最好的一年。从融资的领域看，应用端（即产品类 公司）占比达到 77.4%（SynBioBeta 数据），保持绝对领先优势，生物体工程平台排名第 二，也印证了前文“当前阶段产品类公司更佳”的判断。

2022 年中国合成生物学投融资方兴未艾。根据新道蓝谷及各公司官网，中国在合成生物学领域的投融资起步较晚，2015-2020 年，每年中国合成生物学领域投融资数量仅有个位数，直到 2021 年实现爆发，仅一年就有 16 例。2022 年国内合成生物学赛道依然备受关注，多家头部投资机构纷纷布局，蓝晶微生物、引航生物、中科欣扬、柯泰亚生物等企业相继完成一级市场融资，近岸蛋白、巨子生物、川宁生物等企业相继完成 IPO 登陆 A 股。整体上看，产品研发公司的数量和融资额多于技术服务公司。

各国政府高度重视合成生物学，相继出台多项支持政策。近年来，合成生物学得到世界各国的高度重视，全球主要国家政府陆续出台合成生物学相关扶持政策，国际合成生物学科研和产业发展十分迅猛。全球主要国家相继建立合成生物学研究中心，形成了遍布全球的合成生物学研究网络，以美国、英国为主导的国外发达国家在合成生物学研究领域发展进程较快。欧盟最早通过第六研究框架计划从政策层面、以项目资助的方式促进合成生物学发展，法国、德国等成员国针对合成生物学及相关技术分别制定了针对本国的研究发展战略。英国政府于 2012 年和 2016 年相继发布《合成生物学路线图》和《英国合成生物学战略计划》，是首个在国家层面通过路线图方式推动合成生物学发展的国家。美国从多 个维度来推动合成生物学的发展，自 2019 年开始连续 3 年发布了《工程生物学：下一代 生物经济的研究路线图》、《微生物组工程：下一代生物经济研究路线图》和《工程生物与材料科学：跨学科创新研究路线图》等合成生物学相关领域的研究路线图。中国政府也高度重视合成生物学的发展，2008 年香山会议首次探讨了合成生物学背景、进展和展望，并连续多年开展了合成生物学专题学术讨论，2022 年《“十四五”生物经济发展规划》明确将合成生物学列为重点发展方向。

2022 年以来国内出台三项合成生物学相关重要政策。2022 年 5 月 10 日，国家发改委印发了《“十四五”生物经济发展规划》，指出合成生物学作为前沿生物技术，要加强原创性、引领性基础研究，推动合成生物学技术创新，突破生物制造菌种计算设计、高通量筛选、高效表达、精准调控等关键技术，有序推动在新药开发、疾病治疗、农业生产、物 质合成、环境保护、能源供应和新材料开发等领域应用。2022 年 8 月 18 日，科技部等九部门联合印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030 年）》，其中前沿颠覆性低碳技术创新行动中涉及到新型绿色氢能技术、二氧化碳高值化转化利用技术，需要以合成生物学为基础进行创新。2023 年 1 月 9 日工信部等六部门联合印发了《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，提出以非粮生物质开发利用技术突破为基础，深化生物 化工与传统化工耦合、工业与农业融合，以技术、模式创新为动力，促进生物基材料优性能、降成本、增品种、扩应用，提升生物基材料产业协同创新、规模生产、市场渗透能力， 推动非粮生物基材料产业加快创新发展。

初创公司面临“考核期”，合成生物学料即将迎来加速发展。在资本市场和各国政策的孵化下，合成生物学初创公司如雨后春笋般出现，但是他们的“蜜月期”马上将要结束， 投资者的关注点从概念和故事转向产品的落地，我们预计在这个过程中将有众多初创公司被淘汰，存活下来的公司也需要不断去研发和落地新产品来支撑估值，最终脱颖而出的初创公司或许会成为新的标杆。预计未来，越来越多的初创公司会登陆二级市场，越来越多 的上市公司会布局合成生物学相关领域，在机遇和挑战当中，合成生物学赛道将迎来加速发展。

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