⑥技术突破创新（合成生物产业）|十五五生物医药产业10大创新

技术突破创新（合成生物产业）：重点在于攻克"卡脖子"技术构建产业链自主可控，并抢占核心技术变迁突破迸发的未来价值，构建关键技术供给体系的长期投入和统筹协同机制

在国产替代和产业链安全可控，以及科技创新与产业创新深度融合的大背景下，"卡脖子技术补短"和"未来产业技术抢先"是"十五五"期间技术突破创新的两条主线。一条是如何加快突破医药产业卡脖子技术，避免技术和产业链被锁定在中低端，增强产业链供应链韧性和安全水平依然是延续的重点。另一条主线重点在于如何抢占合成生物、类脑智能等未来产业引领性、原创性、颠覆性技术的赛点价值，在技术"应用转化"上下功夫。

无论是补短还是抢先，提高技术源头供给能力是关键，主要还是在于重视度、协同度、资金支持力度的问题。一方面，原创性、引领性、颠覆性技术不足。推动颠覆性技术发展的基础研究不足、领军人才稀缺等问题，同时尚未建立颠覆性技术发展研究的常态化机制，过于强调技术本身如何颠覆，忽视技术物化、市场转化及应用实践的过程研究。另一方面，关键共性技术供给体系仍未形成高效的统筹协同机制，导致有效供给不高；各方对关键共性技术研发和转化缺少长期投资意愿，导致关键共性技术项目获得资金不足。"十四五"期间部署的国家实验室、省实验室、技术创新中心、制造业创新中心、全国重点实验室等"国之重器"会在下一个五年进一步释放技术支撑，致胜的关键在于能够畅通两大技术供给机制：一是建立产业基础技术靶向问题长期投入机制（资金问题）；二是完善基础研究、应用基础研究和产业技术协同攻关机制（协同问题）。

技术突破创新--合成生物产业

合成生物产业历经"萌芽"、"基础研究"、"技术创新与应用转化"的发展积淀，在政策支持、技术迭代、碳中和等多重驱动下，正进入抢占战略部署的窗口期，是重点布局的未来产业之一。

一、合成生物产业已成型，正快速向多领域应用场景的产业化迈进。

合成生物学是近年来发展迅猛的新兴前沿交叉学科，最初由Hobom B.于1980年提出，用以表述基因重组技术；随着分子系统生物学的发展，2000年E.Kool在美国化学年会上重新定义，指通过构建生物功能元件、装置和系统，对已有生物系统的重新或优化设计、生命过程的集成式解析，或者设计合成全新可控运行的新生物系统，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的生物系统。合成生物学二十余年发展历程大致可以分为四个阶段:

（1）萌芽阶段（2000-2005年），产生许多具备领域特征的研究手段和理论，以基因线路工程的建立及在代谢工程中的成功运用为代表；

（2）基础研究阶段（2005-2011年），工程化理念日渐深入、技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀；

（3）技术创新与应用转化阶段（2011-2015年），涌现出大量新技术和新工程手段，尤其是基因合成及基因编辑技术，并广泛应用于医药、能源、化工、食品等领域；

（4）产业飞速发展阶段（2015年-至今），"设计一构建一测试-学习"等概念提出，信息技术与生物技术多学科融合发展，叠加资本市场入场，产业化发展迅速。

据预测，2030-2040年合成生物学应用可能对全球每年产生2-4万亿美元的直接经济影响，其中医药领域每年影响约为0.5-1.3万亿美元，约占合成生物学总影响的35%，缓解全球疾病总负担的1-3%，最终可解决全球疾病总负担的45%。

二、顶层政策支持、基因技术迭代、绿色低碳需求是驱动合成生物产业发展的三大关键因素

政策驱动层面，美国、欧盟、英国、日本等国家高度关注和部署合成生物学领域，我国已将合成生物学列为战略前瞻性重大科学问题和前沿共性生物技术。国家层面及江苏、北京、深圳、上海、杭州等地方层面陆续发文将其作为重点关注领域，且深圳、上海、杭州、天津等地已建成合成生物产业园。2022年科技部投入1.86亿支持国家重点研发计划"合成生物学"重点专项，围绕"人工基因组合成与高版本底盘细胞"、"人工元器件与基因回路"、"特定功能的合成生物系统"等3个任务进行部署。

技术驱动层面，基因编辑和基因测序是合成生物产业的重要支撑技术。其中，基因编辑发展至第三代CRISPR/Cas9技术，可以更快地进行原型设计和测试新的微生物生产系统，大大提高基因操作便捷性；基因测序从第一代发展至第三代，准确度显著提高的同时，成本也显著下降。

低碳驱动层面，合成生物学从减排和固碳两方面助力碳中和。在减排方面，生物基化学品与传统化工品相比，可以显著降低CO2排放量；目前合成生物制造产品平均节能减排30％-50％，未来潜力将达到50％-70％。在固碳方面，合成生物学通过重构新型人工碳代谢通路，提高植物或微生物的固碳能力并进行生物制造，如以CO2为原料生产乙醇、脂肪酸等化学品。此外，ESG投资理念提倡价值投资、可持续发展投资，拉升资本市场关注合成生物产业。。

三、产业链图谱由底层技术工具为主的上游，细胞工厂构建为主的中游，以及产品放大应用为主的下游组成，具有"自上而下"且环环相扣的"工程学"强属性

合成生物产业链覆盖上游底层技术供应，包括基因编辑、基因测序、基因合成、酶工程技术以及系统生物学等；中游平台型企业是以"设计‐构建‐检验‐学习"循环（"DBTL"循环）为核心的细胞工厂构建，对人工生命体进行设计、开发、改造等；下游产品型企业实现合成生物产品放大生产并应用于医药、化工、食品、化妆品、农业等多种领域。

01产业链上游：基因编辑、基因测序、基因合成等底层技术快速迭代，推动合成生物产业快速发展，但系统生物学、酶的定向进化技术等尚处于研究阶段，仍存在壁垒。

合成生物产业上游是指提供底层技术类公司，是合成生物产业的基础，包括基因编辑、基因测序、基因合成、酶工程技术以及系统生物学等。近年来，底层技术快速发展，为合成生物产业进步奠定良好基础。其中，基因测序技术从第一代低通量发展至第三代高通量，在提升基因测序效率的同时，也降低了基因测序的成本；基因编辑技术从第一代锌指蛋白技术（ZFN）、第二代类转录激活因子效应物（TALEN）技术发展至第三代CRISPR/Cas9技术，克服了传统基因操作的周期长、效率低、应用窄等缺点，大大提高基因操作的便捷度；基因合成技术已研究至芯片DNA合成技术，在成本方面具有明显优势。然而，底层技术层面仍存一定的技术壁垒，包括系统生物学（能够将生命活动进行数字化分析，应用价值大）目前尚处于研究阶段，成本高且周期长；酶的定向进化技术作为合成生物的重要突破口，亦处于在技术发展阶段。从合成生物企业产业链分布情况看，上游工具层企业占比较高，该类企业专注于细胞的提取与治疗、基因的测序与编辑等技术，并非只服务于合成生物学领域。

02产业链中游：以"DBTL"循环为核心构建细胞工厂，但由于生命系统的复杂性与最优合成途径的平衡性，仍存在构建壁垒，"平台+产品"闭环是目前平台型公司主流的商业模式。

合成生物产业链中游以平台型公司为主，以"设计‐构建‐检验‐学习"循环（DBTL循环）为核心构建细胞工厂，对人工生命体进行设计、开发、改造等，为下游客户提供研发支撑。具体而言，公司根据产品特性，利用相关数据库或软件平台确定合成目标产物的底盘细胞，设计基因线路/代谢通路，将设计好的基因线路/代谢通路导入到底盘细胞进行测试筛选；通过微流控芯片技术、高通量筛选技术等检验细胞的生长代谢、生产能力等相关参数；根据测试反馈对线路再进行修正得到更好的线路，如此反复构建最优细胞工厂，最终实现规模化生产。

细胞工厂构建仍具有技术壁垒。一是生命系统的复杂性，细胞内各类生化反应机制尚未完全破解，细胞工厂设计、构建仍具有挑战，对研发设备、人才等要求极高。二是最优合成途径的平衡性，自然状态下，如不掺杂人为因素，微生物合成途径中各个酶的催化效率几乎不可能达到非常协调的状态，催化效率慢会限制合成的速度，催化效率快会导致中间代谢物累积使细胞"中毒"，从而制约细胞工厂的生产速率，如何优化合成途径使其达到平衡协调至关重要。

从合成生物企业产业链分布情况看，中游平台型企业占比较低，正处于快速发展阶段；根据商业模式可分为两大类型：

一是"专门平台型"公司，将构建好的细胞工厂销售给下游产品型公司，代表公司如态创生物构建平台型菌株库与元件库，并与王老吉、喜茶等食品饮料品牌建立深度合作，共建产研共同体；恩和生物以计算为基础，搭建了酶工程、菌株工程和发酵工艺工程平台，与Medichem合作共同推进药物研发。此外，高校与科研院所是重要的创新与产业化力量，如郝希山院士领衔的"基于合成生物学的实体瘤个体化新抗原疫苗的转化应用开发"项目，根据每个患者独特基因突变进行个性化定制，可靶向肿瘤细胞所特有而正常细胞中不表达的肿瘤新生抗原，最新早期临床试验结果表明，该项目在多种恶性实体肿瘤中单用或联合使用均显示出良好的治愈效果；再如曾安平院士团队创建了一条全新的细胞外化学催化与生物催化有机整合的高效固碳路线，已实现从甲醇和由空气中捕捉的CO2高效合成甘氨酸、丝氨酸和丙酮酸，进入小试阶段。

二是"平台+产品型"公司，形成细胞工厂和产品的闭环，打造落地产品，是目前平台型公司主流的商业模式。代表公司如惠利生物，基于酶计算设计平台实现医药领域产品转化，相较于传统手段成本下降30%，实现平台+产品商业闭环。"专门平台型"公司将业务延伸至具体应用场景中一方面是由于合成生物产业仍处于发展早期，市场规模小，对产品研发需求少，部分下游企业通过与科研机构合作即可满足产品研发需求，"专门平台型"公司不足以支撑公司发展；另一方面生产规模扩大过程中，失败风险高，削弱下游企业与"专门平台型"公司的合作意愿。

03产业链下游：通过发酵实现放大生产并广泛应用于不同领域，特别是药物研发生产，放大工艺与选品能力是决定项目成功的关键要素。

合成生物产业链下游是以产品型公司为主，通过发酵过程实现合成生物产品放大生产，并将其应用于不同场景领域中，包括医药、化工、食品、化妆品、农业等多种领域。其中，医药领域应用最为广泛，包括体外检测、RNA疫苗、药物、抗生素、细胞免疫疗法、微生态疗法、基因治疗、药物成分生产和制药用酶等诸多方向；化妆品领域已利用合成生物技术实现功能糖、蛋白质、多肽、氨基酸、核苷酸等生物活性物开发和产业化应用；生物基材料领域生产的生物基丁二酸、长链二元酸、1,4-丁二醇、异丁醇、1,3-丙二醇、异丁烯、戊二胺、聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等生物基聚合物和单体，取代传统化工日化用品，如尼龙、塑料、橡胶等。尽管合成生物涉及领域众多，但产业化项目仍较少，主要是存在产品放大工艺壁垒和产品选择壁垒：

放大工艺壁垒：与传统发酵类似，合成生物产品的生产规模放大的过程由"实验室小试-中试试验-规模化生产"三个阶段组成，但由于发酵工艺与合成生物均属于技术密集型，从"克"到"千克"，再到"吨"的放大，不是简单的规格放大，需要长时间的理论与实践互证，因此存在较高技术壁垒，主要是基于以下三大关键因素：一是放大时需要对发酵罐和发酵工艺进行合理计算和设计，并在放大过程中根据经验不断改善发酵工艺，提高发酵水平；二是在生产规模扩大过程中，需要继续监测菌种的代谢情况，调整代谢通路，从菌种的生产能力、繁衍能力、对环境的耐受力等方面提高整体的发酵水平；三是不同应用场景的合成生物产品对纯度要求不同，需要进行更多步骤的分离纯化，如工业上采取有机溶剂沉淀法对生物高分子材料进行量产，容易产生有机溶剂残留，纯度达不到医美要求。

产品选择壁垒:企业在选品方面主要从成品成本优势、产品品质优势、潜在市场空间等方面考虑，对企业工艺水平、团队支撑、客户资源、销售渠道等均存在较大挑战。美国Amyris公司通过合成生物学方法，以甘蔗为原料生产出法尼烯，而美国页岩油革命导致油价下跌，法尼烯不具成本优势，导致项目最终破产。Zymergen公司合成光学薄膜，但产品实际市场远小于预期，未获得消费者青睐。

从合成生物企业产业链分布情况看，下游产品型企业占比最多，依赖发酵优势生产产品产生持续现金流，且同时布局多领域多产线。从不同领域企业分布来看，医药领域占比最多，其次是能源化工、食品，且医药领域公司利率最高，代表企业有康弘药业、特宝生物、爱博医疗、苑东生物和百济神州等。

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