新一轮生物技术革命！合成生物学开启“造物”时代

合成生物学被认为将引领第三次生物技术革命。“合成生物学”是以基因组学为基础，利用计算机设计等将细胞或生命体定向改造成高效的细胞系统，使其拥有满足人类需求的生物功能的学科。

目前，合成生物学已应用于医疗健康、化工、能源、材料、食品消费、美妆护肤、农业等众多细分领域。合成生物学的发展潜力巨大，据麦肯锡全球研究院预计到2025年，全球合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元。

2017-2024年全球合成生物学细分领域市场规模

“以生物造万物”的合成生物学

合成生物其实并不是一个完全新兴的技术，在历史长河中也曾浓墨重彩。最早的“发酵现象”被称为合成生物的萌芽时期。自20世纪后半叶开始，DNA双螺旋结构被发现之后，基因测序、基因编辑、基因合成三大技术突飞猛进，人类开始逐渐掌握了对生物实施定向改造的技术，并加以商业化应用。

图：合成生物示意图

天然化合物被誉为医药、农药、日化、护肤和保健品等领域的“天然宝库”，有着多种重要的用途，例如广为人知的抗疟药青蒿素、抗肿瘤药紫杉醇、心脑血管疾病药物丹参酮以及镇痛药吗啡等。但这类天然化合物在植物中含量低，提取分离困难，同时，其由于结构复杂，化学合成难度较大，成为了制约产业进一步发展的瓶颈。合成生物被认为是解决天然产物规模化生产的最有潜力方向。

正如植生所研究员、生合万物技术顾问周志华博士所说，“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。”

合成生物学的快速发展，离不开底层关键技术和工具的应用，比如基因编辑技术、酶的分子设计等，也正是这些技术和工具的一次次更新迭代，助推了合成生物学的更好更快发展。

以酶工程为例，酶是微生物体内的催化剂，承担物质转化的功能，效率与其结构密切相关。理论上，任何化学反应都可以实现酶催化。酶是一种蛋白质，由氨基酸残基构成，改变氨基酸残基，可以实现酶结构的改变，从而改变催化活性。

镁孚泰生物CEO刘想认为，酶的定向进化技术是合成生物的重要突破口，目前仍在技术发展阶段，在实现物质的高效率合成转化方面具有重要价值。另外，利用人工智能、神经网络技术等，模拟小分子与酶的接触，可快速测算出合适的正向突变体。镁孚泰生物的ZymeEditor™智能化酶改造平台的五大核心酶改造技术，以及这些技术在T7 RNA聚合酶、MMLV 逆转录酶及Bst DNA聚合酶上的成功案例。

然而，不可避免的是，虽然生物合成在天然化合物获取中发挥了独特的作用，但仍面临着产业发展瓶颈。周志华博士强调，“合成生物并不是想象中一个很简单的过程“转个基因、搞个菌种、发酵一下、提取一下”，而在技术没有完全成熟的情况下，需要反复试错，直到找到最优化的方案，需要全局化思维，把上游菌种设计、中游发酵分离提取、下游产品改性等等连贯起来考虑。目前有报道的几十万种天然化合物中，仅有千分之五左右得到应用，大量的天然化合物还是只知道其结构，还没有很好的应用。”

在提及中国合成生物学的发展情况时，周志华博士坦言，“从全球的角度来看，我国合成生物起步较晚，但并没有明显落后于欧美。在基础研究方面国内合成生物学的发展与国际几乎并驾齐驱。近年来，因为受到资本市场的追捧，国内合成生物学创业公司如雨后春笋不断涌现，同时国内对于合成生物学产业的支持力度也在不断加大。”

同样，在刘想看来，目前合成生物还处于早期爆发期，一些关键技术仍限制合成生物成功走向产业化。尽管资本市场略有下滑，但长期来看，不论是科技界、资本界和各国政府，都看到了合成生物的巨大潜力。

以张江为代表，我国合成生物学“一触即发” 

据悉，在十四五规划中，生物技术被明确为“战略性新兴产业”。2020年国家发改委在《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》中提出支持合成生物学技术创新中心建设，北京、江苏、深圳、上海、天津等多地政府陆续出台支持合成生物学产业发展的落地政策。

目前，国内合成生物学的技术源头和产业聚集地主要集中在京津冀、长三角和大湾区三大地区。其中，上海是合成生物学和相关产业的“发源地”，曾诞生了该领域多项“首个”或“第一”，具备了良好的合成生物学发展基础，拥有全产业链生态优势。目前，上海还绘制了合成生物学产业图谱，提出合成生物学“1+3+1”发展战略，即搭建“1个网络”，将高峰人才、重大基础设施、重点实验室有机整合为一张合成生物学创新资源网；瞄准“3大领域”，重点推进合成生物学在生物医药、先进材料和能源环保、消费品三大领域的发展与应用；打造“1个目标”，全面推进上海打造成为基础研发领先、创新转化活跃、产业主体蓬勃发展、产业生态健全完善的世界级合成生物学创新产业集群。

近日，由张江集团和国内合成生物学领军人物赵国屏院士团队等共创共建共运的，位于上海国际医学园区张江基因岛的上海张江合成生物创新中心在2023张江生命科学国际创新峰会上正式揭牌，该创新中心集创新孵化、技术平台、产品转化、天使投资、监管科学、展示交流等功能于一体，共同探索“以技术服务为先导、以孵化服务为加持、以天使投资为纽带、以监管科学为支撑”的合成生物培育与赋能新模式。

具体来说，中心将以技术服务为先导、建设1个生物铸造厂；以孵化服务为加持，建设1个专业孵化器；以天使投资为纽带，建设1支天使投资基金；以监管科学为支撑，建立1套助力研审联动的机制。

张江集团副总经理、上海国际医学园区集团有限公司董事长王凯荣指出，张江作为全国生物医药创新高地和上海生命科学产业集聚区域，依托上海、浦东合成生物学产业基础，已具备基本齐全的合成生物产业要素，涉及产品型、平台型、技术型、科研型等不同类型的企业、机构，形成了较完整的生态产业链。

总而言之，合成生物学拥有着巨大的市场容量。随着技术的发展，未来的合成生物将向系统化的方向发展，有望全面实现对各种化合物的低成本、高效率生产。麦肯锡预计未来全球物质生产中的60%和全球疾病治疗的45%，最终可能通过合成生物学方式解决。