2024上海国际合成生物学与绿色生物制造展览会
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2024年中国战略性新兴产业之——合成生物产业全景图谱(附产业规模、区域分布、企业布局和技术路线等)
作者: 来源: 访问:81 时间:2024-04-01

合成生物学的思想最早出现在1978年波兰遗传学家希巴尔斯基的一篇文章中;1980年,B.Hoborn第一次使用“合成生物学”(Synthetic Biology)作为论文题目并发表于学术期刊上,他用“合成生物学”描述通过重组基因组技术改造的细菌仍然能够正常存活这一现象。2000年,库尔等学者在美国化学年会上再一次用“合成生物学”描述生物系统中非天然存在的功能性有机分子的合成,至此合成生物学的概念才被学术界公认并开始受到关注,但此时的合成生物学只是遗传工程的延续,并未独立发展。

现在的合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中根本没有的生命体系。因此,合成生物学是一门以工程学思想为指导、多学科结合的新兴领域,通过一系列重新设计与技术改造生物体或细胞以使其具有新的能力,在此过程中设计与构建一系列新的标准化的生物元件、组件与系统,以实现理想的生物制造能力。利用合成生物学技术构建微生物细胞工厂,可实现廉价原料到高价值化学品的高效生产,且生产过程清洁环保,具有巨大市场发展潜力。

合成生物学具体包括生物元件、基因线路、代谢工程以及基因组工程。具体介绍如下。

合成生物学的本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。该技术突破自然进化的限制,以“人工设计与编写基因组”为核心,可针对特定需求从工程学角度设计构建元器件或模块。通过这些元器件对现有自然生物体系进行改造和优化,或者设计合成全新可控运行的人工生物体系。它把“自下而上”的“建造”理念与系统生物学“自上而下”的“分析”理念相结合,利用自然界中已有物质的多样性,构建具有可预测和可控制特性的遗传、代谢或信号网络的合成成分。

——合成生物产业链全景图:核心内容是生物元件、基因线路、基因组工程及代谢工程——合成生物产业链全景图:核心内容是生物元件、基因线路、基因组工程及代谢工程

合成生物学的核心内容是生物元件、基因线路、基因组工程及代谢工程。生物技术的进步推动着合成生物学快速发展,颠覆性使能技术是支撑合成生物学发展的关键,基因测序、基因编辑、基因合成、细胞设计、高通量筛选等技术的发展对合成生物学的发展有着重要的支撑和推动作用,基因测序、DNA合成以及基因组编辑技术都是其核心使能技术。除此之外,合成生物上游还包括葡萄糖、甘油和甲烷及其衍生物等原材料。

合成生物产业中游包括平台搭建和产品制造,平台型企业主要负责原料选择和底盘细胞选择及优化,产品制造企业则在各种平台基础上生产具体的产品。值得一提的是,目前大多数合成生物企业均完成了产业链的延伸,兼具平台搭建和产品制造能力。

合成生物产业下游应用广泛,目前比较成熟的应用领域包括医疗健康、工业化学品、农业、食品和能源,随着合成生物技术的不断进步,未来其下游应用领域有望进一步扩展。

目前,我国合成生物产业上游基础技术企业包括华大智造(59.3200.180.30%)、金斯瑞生物科技、新格元生物科技、擎科生物等,中国平台搭建及产品制造企业众多,代表性企业包括蓝晶微生物、凯赛生物、华恒生物、欣贝莱生物、华熙生物、酶赛生物、弈柯莱生物。

——合成生物产业价值链分布:基因重组环节价值链较高

从合成生物产业价值链的传导的情况来看,合成生物行业上游涉及基因工程,底盘细胞等原材料生产,由于科研含量较高,研发周期较长,毛利率普遍更高,初步统计底盘细胞生产及基因重组上市企业的毛利率高达75%以及80%;中游涉及合成生物技术平台以及生物仪器的供应,相对而言毛利率有所下降,分别约为40%及50%;下游应用市场由于行业的区别附加值有所区别,其中生物医药的毛利率更高,达到60%,而化工及食品行业的附加值则偏低。

产业政策篇:合成生物产业政策环境解读

——全球合成生物产业政策:中国合成生物产业起步相对较晚

对比中国与欧美等发达国家的政策历程,中国合成生物产业起步相对较晚,但是发展速度惊人,从“十三五”开始,合成生物学被列为战略前瞻性重大科学问题和前沿共性生物技术,国家出台了一系列政策支持合成生物学的发展。

——中国合成生物产业重点政策汇总:政策推动与规范并行

近年来,工信部、科技部、农业农村部等多部门都陆续印发了支持、规范合成生物学及相关行业的发展政策,内容涉及利用合成生物学促进节能减排、加强基因测序技术研究、设立专项计划重点支持合成生物学研究等。

——中国合成生物产业重点规划:推动技术创新

《“十四五”生物经济发展规划》对合成生物学行业指导集中在生物技术创新、生物农业产业发展两个方面。要求加快发展高通量基因测序技术,不断提高基因测序效率、降低测序成本。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。在生物农业产业发展方面,发展合成生物学技术,探索研发“人造蛋白”等新型食品,实现食品工业迭代升级,降低传统养殖业带来的环境资源压力。

产业发展篇

——合成生物产业发展历程:数字合成生物学是重要发展方向

1990年,“人类基因组计划”在美国首先启动,中国在1999年加入该项计划,并承担相关工作,自2003年该计划宣布完成。20世纪90年代末,中国成立了遗传所人类基因组中心、北京华大基因(42.2101.283.13%)研究中心等相关机构。进入21世纪,华大基因作为国内基因研究领域的头部企业,组织了一系列研究活动,推动中国在基因研究领域的发展,2005年,华大基因牵头中华协作组,承担的10%国际人类基因组单体型图计划(HapMap)在《Nature》发表。2008年,中国第一个合成生物学重点实验室——中国科学院合成生物学重点实验室成立,标志着中国合成生物学正式起步。2014年-2021年,基因测序快速发展,为合成生物学奠定了技术基础,2019年以来深圳合成生物学创新研究院、国家合成生物技术创新中心相继成立,中国合成生物学行业进入新阶段。2022年后,合成生物学的研究成果已逐步应用到下游领域;另一方面,随着人工智能、大数据等新兴信息技术持续向下游行业渗透,合成生物学的研究范式亦有所改变,当前,由AI赋能的数字合成生物学将会是未来发展的重要方向之一。

——合成生物产业发展现状:2023年市场规模突破11亿美元

根据Research and Markets的数据,2022年中国合成生物学市场规模约9.37亿美元,预计未来将以23%的增长率增长,由此测算2023年中国合成生物学市场规模约11.5亿美元。按照7.1汇率折算,折合人民币约81.65亿元。

企业布局篇

——合成生物企业布局现状:合成生物不同类型领域,均有企业布局

工具型企业是为合成生物学制造提供基因测序、基因合成等基础技术支持、提供合成生物学仪器设备的企业,目前我国合成生物学行业代表性工具型企业包括华大制造、新格元生物、金斯瑞等。

合成生物学从生物的基因编辑,到产品和服务的商业化落地,这之间存在着超长的技术链条。将实验室中能够用于解决实际问题的研究转化和扩大,需要对多种方向的专业技术进行密集而深度的整合,建立前所未有的基础设施和方法流程。合成生物平台类公司,扮演了“生物基解决方案”设计师和开发者的角色,致力于通过大量的数据积累,对菌株实现筛选与改造,打造一个高通量、自动化的技术平台,为传统企业开拓新的价值领域。目前我国合成生物学行业代表性平台型企业包括恩和生物、弈柯莱生物和酶赛生物。

产品型公司注重规模化生产,也就是发酵等后续环节,这类企业有明确的产品产线规划,致力于在短期内生产出具有一定规模、能够获取利润的终端产品。目前中国合成生物学行业产品型企业包括蓝晶微生物、凯赛生物、瑞德林、欣贝莱生物等。

——合成生物企业竞争格局:凯赛生物、华恒生物等位于第一梯队

从融资角度来看,目前合成生物学行业企业中,华熙生物、凯赛生物、华恒生物、华大智造等企业已经上市,从资金实力上来说最强;蓝晶微生物、弈柯莱、引航微生物融资轮次在B轮以后,资金实力稍弱,位于我国合成生物学第二梯队,而其他企业融资轮次均在B轮及B轮以前,资金实力最弱,位于我国合成生物学企业第三梯队。

——合成生物企业竞争路线:企业主要专注自身领域的发展经营

从一体化战略、密集型战略以及多元化战略三大核心竞争路线来评估合成生物学领先企业的战略发展强度情况,不难看出合成生物学代表性企业当前依旧处在发展自身,强化自身产品业务条线,扩大经营范畴的阶段,主要专注自身领域的发展经营,当前依旧较少出现向产业链上下游延伸的情况。

区域布局篇

——主要省市合成生物政策情况:多个省市出台了合成生物学相关支持、规范类政策

在地方层面,2022年包括广东、上海、河南、山东等多个省市出台了合成生物学相关支持、规范类政策,内容广泛,主要从节能减排、环境保护、生物医药产业发展、发展生物基材料等方面展开规划。

——主要省市合成生物布局情况:各地区均积极布局合成生物领域

2022年5月,我国出台了《“十四五”生物经济发展规划》,生物经济发展迎来历史机遇期。天津、山东、上海、浙江、河南等地,均明确提出了合成生物学方向的规划和布局,陆续出台支持合成生物学产业发展的落地政策。目前,天津、上海和深圳代表了我国合成生物技术产业的三大阵地。

——合成生物企业区域布局情况:我国东部沿海地带企业分布较多

当前,我国合成生物学产业链在浙江、江苏、广东、上海、北京等省市具有较为完善的布局,而新疆、山东以及安徽等省份则存在涌现了部分代表性企业,但总体而言,我国合成生物学产业链仅在我国东部沿海地带形成了较大的规模。

产业技术篇

——合成生物产业技术特点:合成生物是典型的交叉学科

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。

——合成生物产业工艺优势:绿色、环保、高效、可循环可再生

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。

——合成生物技术全景图:计算机科学技术在合成生物学中发挥了重要作用——合成生物技术全景图:计算机科学技术在合成生物学中发挥了重要作用

总体来看,合成生物学技术主要由代谢工程学、系统生物学以及计算机科学技术构成,其中代谢工程学包括代谢通路优化技术、代谢途径模拟和模型构建技术、基因工程技术以及代谢产物分离和纯化技术;而系统生物学包括了组学技术、生物信息学技术、细胞生物学技术以及模式生物学技术;除此之外,计算机科学技术亦在合成生物学中发挥了重要作用,主要包括计算生物学、数据挖掘和机器学习和遗传算法技术等。

趋势前景篇

——发展趋势:各领域未来产品将会充分涌现

合成生物学应用领域广泛,主要包括医药、化工、农业、食品、其他消费品、能源环境等等,目前中国合成生物学行业已经在部分领域取得较好的成果,部分领域发展较慢,具有明显的层次化特点。如医药、化工领域发展基础较好,未来仍充当引领者的角色;农业、食品领域在政策支持下,有望优先吸引资源投入,成为行业快速发展的新生力量;其余领域也将进一步发展。总体而言,目前各大领域均处于发展初期,产品类型较少,未来产品将会充分涌现。

——发展前景:预计到2029年市场规模将达到40亿美元

当前,我国合成生物学行业正处于高速发展的阶段,根据Research and Markets的数据,在全球市场持续扩张的情况下,中国亦成为发展潜力最大的市场之一,2023年中国合成生物学市场规模约11.5亿美元,预计未来将以23%的增长率增长,综合以上数据,预计2029年中国合成生物学市场规模将达到40亿美元。

更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国合成生物学行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

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