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    合成生物大風起:2024規模破千億、細分賽道復合增速近64%丨黃金眼

      在全球碳中和背景下,一場生物制造的浪潮——合成生物,將成為持續大風口。

      2022年8月18日,科技部等九部門聯合印發了《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022——2030年)》,到2025年實現重點行業和領(域低碳關鍵核心技術的重大突破,支撐單位國內生產總值(GDP)二氧化碳排放比2020年下降18%,單位GDP能源消耗比2020年下降13.5%。

      到2030年,進一步研究突破一批碳中和前沿和顛覆性技術,支撐單位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上,單位GDP能源消耗持續大幅下降。

      碳中和目標日益緊迫之下,能利用前沿顛覆性低碳技術引領實現產業和經濟發展迭代升級的合成生物,被稱為實現碳達峰、碳中和目標的主流通道之一,當前熱度也日益高漲。

    什么是合成生物?

      合成生物學是指在工程學思想指導下,按照特定目標理性設計、改造或者從頭重新合成生物體系,簡單來說就是通過DNA基因層面的設計通過多組學方法生產想要的各類產物,其涉及生物學、生物信息學、化學、計算機科學等多個學科的交差。

      合成生物學的核心研發思路,在于通過基因編輯技術改造或構建最基礎的生物功能執行者——蛋白質,并指導蛋白組裝為新的生物功能裝置。

      當前合成生物學主要應用方式表現,是通過基因編輯技術改造工程菌等微生物,高效經濟地合成產品。在這些產品中,青蒿素前體、大麻素、L-丙氨酸等均受到社會高度關注,在醫學、化工原料、生物燃料、消費品及農業領域引起新的生產方式變革。

      通過合成生物學,一些傳統方法生產成本高、難以大批量工業化生產、生產過程中碳排放較大的產品痛點正在被逐漸解決。

      合成生物學的長遠發展,仍要解決四大主要技術難題。

      第一個就是關鍵元件(DNA序列)的挖掘/合成,基因設計作為底層技術,是合成生物學發展必需技術。絕大多數具有生物活性的天然產物,決定其生物合成的眾多基因元件都不清楚,因此,挖掘出合成途徑中的關鍵基因元件尤為重要。

      之后進行的是底盤細胞優化,即如何選擇最適合的菌株,如何改造最適合的菌株。接下來是代謝途徑/基因表達途徑的構建和產物鑒定,由于產物種類眾多,功能鑒定又具有獨特性,所以難度最大。最后還要解決分離純化、放大量產,因為從實驗階段擴大生產也同樣是難點。

      當前,合成生物已經在多個領域落地實現初步產業化。

      

    信息來源:《合成生物學》,《生命科學》

    各應用領域中都見合成生物身影

      合成生物學在基因設計、菌株改造、產物功能性質的鑒定、分離純化、放大量產等方面存在多學科知識交叉,且多環節都有高技術壁壘,需要企業長時間經驗積累,目前國內外尚未出現真正的合成生物學領軍者。

      目前可以看到在醫藥領域,Amyris公司的研發團隊在JayD.Keasling教授帶領下實現基于合成生物學技術的青蒿素前體合成,大大優化了其合成途徑。

      同時,合成生物學科學家還在癌癥、遺傳、代謝類疾病等領域深耕,部分因基因缺陷或遺傳突變的苯丙酮尿癥患者,因肝臟中的苯丙胺酸氫化酶缺乏或失活會造成苯丙氨酸難以代謝而持續積累,Synlogic公司正在不斷嘗試通過經過改造的腸道微生物解決苯丙氨酸的代謝問題,目前該研究進度已進行到三期臨床,有望緩解更多病人的痛苦。此外,食品級乳酸菌的合成生物學改造同樣被列為有希望的Ⅰ型糖尿病療法。

      工業領域,凱賽生物利用生物法發酵生產長鏈二元酸并替代化學法市場,百斯杰則在2014年推出了首個具有自主知識產權的工業酶產品普魯蘭酶,打破了海外公司在工業酶領域的壟斷。

      通過工程化、自動化變革,合成生物在醫藥、工業、消費、農業等多個領域落地實現初步產業化。

      隨著政策、資本、技術等多重因素驅動,合成生物正在迎來產業化加速階段。

      

    信息來源:麥肯錫

    多因素共振行業進入爆發期

      近年來,關于推進合成生物發展的政策頻發。

      合成生物學發展符合我國“雙碳”目標的實現,與傳統技術路線相比,更環保、成本優勢更明顯。2020年以來,無論是國家發改委、科技部、工信部還是各主要經濟地區,均發布了關于推進合成生物發展的政策。

      2022年5月10日,國家發改委發布的《“十四五”生物經濟發展規劃》中,明確指出包括合成生物學在內的生物經濟,是未來中國經濟轉型的新動力。

      

    圖/公開資料整理

    與此同時,底層技術成熟帶來的成本下行,為合成生物高速發展奠定了基石。

      底層技術的發展成熟為合成生物學的飛速發展提供支持。直觀體現在近年來基因測序、編輯及DNA合成、組裝技術不斷進步所帶來的技術成本降低,近20年內DNA合成單堿基的成本降低了百倍以上。

      上游公司通過設計開發高通量平臺實現了DNA合成等技術的自動化,基因測序、合成的規模效應為合成生物學技術公司開發產品解決了后顧之憂。同時基因合成技術進步使得合成基因的長度及穩定性都有較大幅度的提升,為合成生物學技術開發提供了更多的方向,越來越多具備新功能的生物元件成功開發。

      

    數據來源:BioeconomyCapital

      從學術領域的角度來看,近五年迎來了基礎研究的爆發式增長,也一定程度說明了底層技術突破所帶來的動力和發展可能。我國合成生物學領域論文數量占比近五年內飛速提升,已占到發文總量的62.1%,越來越多的合成生物學公司在這些基礎研究帶動下出現了。

      

      資本端的投融資快速增長,更是直觀體現出了行業的爆發態勢。

      2009-2020年,全球合成生物學初創公司共計獲融資額215億美元,而在2021年達到180億美元,單年獲融資額占過去12年比例超80%,2021年已成為合成生物學投資的重要節點。其中第三季度單季度融資額為61億元,為歷史單季度最高水平。

      同樣在國內,2015-2020年間每年的合成生物學領域投融資數量僅有個位數,直到2021年增長到16例;投融資金額方面,2018年金額實現高度增長至26.71億元;2020年、2021年分別為21.6億元、22.95億元。

      

    數據來源:Synbiobeta

      此背景下,合成生物行業總規模2024年將超千億。

      前瞻產業研究院測算,全球合成生物學市場規模至2020年已達到68億美元,2025年將達到208億美元,復合增長率28.8%。目前合成生物學在各個領域均保持高速增長的狀態,根據BCCResearch預測,醫療領域合成生物學2024年市場規模將達到50.22億美元,復合增長率18.9%;在各領域中增長最快的是食品和農業領域,2019-2024年期間年復合增長率在64%左右。

    產業鏈相關企業靜待市場紅利起

      當前階段,合成生物學產業鏈由上、中、下游三類公司構成。

      上游企業專注于提供DNA測序、合成、編輯等底層技術服務,隨著上游訂單服務量的增多,具備底層技術優勢的公司在服務研發過程中積累了大量的DNA合成與生物元件設計方面的經驗。這些寶貴的經驗以數據庫的形式搭配“搜索引擎”,為中游及下游企業提供服務時更簡便、準確。

      中游是以菌株改造、篩選等生物合成技術和工藝研發為主,并致力于自動化、工業化生產轉化的平臺型公司。平臺型公司與下游企業展開商業化合作,加速合成生物學產品產業化進程。

      下游是利用合成生物學技術生產不同領域產品的產品型公司,旨在對傳統合成技術進行補充或替代。在其商業化、規?;^程中需要體現合成生物學合成技術經濟高效等核心競爭力,因此選品是否合適對產品型公司至關重要。

      其中,金斯瑞依托了基因合成業務優勢,于2013年孵化出南京百斯杰(Bestzyme),正式進軍工業酶制劑領域。2014年百斯杰成功開發了具有自主知識產權的首個產品普魯蘭酶,2016年擴充了動物飼料酶/添加劑業務線,2018年將綜合產能規模擴大至了15萬標噸。

      目前百斯杰在國內工業酶制劑企業內收入增長率位列第一,未來還會往人造肉、醫藥中間體等領域拓展。

      作為國內酶制劑領域頭部企業的諾唯贊,由于合成生物學底層技術相同,所以在使能技術上具備優勢,公司合成生物學業務于2022年剛剛起步,目前主要以醫美領域的多肽產品為主,后續隨投入逐漸增加,將會拓展到化工、醫藥中間體等領域。

      凱賽生物則是國內合成生物學龍頭企業,已經實現了生物法長鏈二元酸(DC10-DC18)和生物基戊二胺、生物基聚酰胺(泰綸、E-2260、E-1273、E-3300、E-6300)等產品的產業化生產和商業化放量,目前各產品線也在積極擴產當中。

      從行業地位來看,公司在已經成為全球長鏈二元酸的主要供應商,基本上承擔了國外的需求,在國內市場份額約在9成左右。

      華恒生物則是合成生物學丙氨酸龍頭企業,主要從事氨基酸及其衍生物產品研發、生產、銷售的高新技術企業,主要產品包括丙氨酸系列產品(L-丙氨酸、DL-丙氨酸、β-丙氨酸)、D-泛酸鈣和α-熊果苷等,可應用于日化、醫藥及保健品、食品添加劑、飼料等眾多領域。

      經過多年的創新發展,公司已經成為全球領先的通過生物制造方式規?;a小品種氨基酸產品的企業之一,丙氨酸系列產品生產規模位居國際前列。

      華東醫藥則是在工業微生物領域不斷發力,通過投資并購及企業合資,形成了以琿達作為早期工藝研發,華昌高科(核苷)、九陽生物(高端抗生素原料)、湖北美琪(大健康)作為后期規?;a的架構,終端應用覆蓋ADC毒素、高端原料藥/中間體、核苷、營養原料、醫美原料等。

      而深耕生物發酵十余年的金城醫藥,在谷胱甘肽之后,近兩年商業化了包括腺苷蛋氨酸、蝦青素、PQQ、煙堿和4-AA等在內的合成生物學相關產品,其中腺苷蛋氨酸今年三季度擴產達產、煙堿產能開始爬坡、4-AA產能投放、年底蝦青素達產,在研產品十余個。

      隨著行業熱度不斷上行,合成生物相關企業受到資本市場的關注度也將持續提升。

    附件:

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