近日，BCG與B Capital聯(lián)合推出報告《中國合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)白皮書2024》，介紹了合成生物學(xué)的發(fā)展趨勢、產(chǎn)業(yè)鏈分布與投資情況等。
定義與分類
合成生物學(xué)是一門基于工程化的設(shè)計理念，結(jié)合生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、工程學(xué)、計算機(jī)與數(shù)據(jù)科學(xué)等交叉學(xué)科技術(shù)，旨在改造或創(chuàng)造人造生命體系的新興學(xué)科，在科技和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新兩個層面均具備全面顛覆現(xiàn)有格局的潛力。
狹義的合成生物學(xué)包括兩大方向:“自上而下”地“改造生命”(將全新功能引入活細(xì)胞等生命體或生物-非生物混合系統(tǒng))；“自下而上”地“創(chuàng)造生命”(體外合成全新生命系統(tǒng))。
從廣義的產(chǎn)業(yè)分類而言，合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)可被界定為以生物基材料替代化石基材料、以生物技術(shù)路線替代傳統(tǒng)化工技術(shù)路線的科技產(chǎn)業(yè)。
產(chǎn)業(yè)鏈和底層技術(shù)
合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈可分為上、中、下游三個環(huán)節(jié)。上游聚焦使能技術(shù)的開發(fā)，包括讀-寫-編-學(xué)、自動化/高通量化和生物制造等,關(guān)注底層技術(shù)顛覆及提效降本。
中游是對生物系統(tǒng)及生物體進(jìn)行設(shè)計、改造的技術(shù)平臺，核心技術(shù)為路徑開發(fā)，注重合成路線的選擇以及技術(shù)上跑通(如底盤細(xì)胞選擇及改造、培養(yǎng)條件優(yōu)化、純化方法開發(fā)等)，與下游企業(yè)相比，更強(qiáng)調(diào)技術(shù)平臺的通用性，潛在具備CRO屬性。
下游則涉及人類衣食住行方方面面的應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)品落地，核心技術(shù)在于大規(guī)模生產(chǎn)的成本、批間差及良品率等的把控，與中游企業(yè)相比，更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域的聚焦、產(chǎn)品的精細(xì)打磨及商業(yè)化放量。其中在大規(guī)模生產(chǎn)上，潛在具備CDMO屬性。
中下游企業(yè)之間并無明確界限，現(xiàn)階段行業(yè)整體尚處在產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，不少生物技術(shù)公司實(shí)質(zhì)上為中下游一體化布局。
根據(jù)價值鏈所處位置來看，上游使能技術(shù)繁多，各企業(yè)通常聚焦某一技術(shù)領(lǐng)域如二代合成、三代測序、新一代基因編輯工具、仿真測試、自動化/高通量設(shè)備等。中下游企業(yè)又可分為平臺型和產(chǎn)品型兩類。平臺型公司中，領(lǐng)先企業(yè)已開始以CRDMO模式提供全鏈條的工程化開發(fā)及轉(zhuǎn)化服務(wù)，且可按技術(shù)路線分為體內(nèi)平臺和體外平臺(如酶工程平臺)。產(chǎn)品型公司又可按照下游應(yīng)用、使用技術(shù)、產(chǎn)品屬性等不同維度進(jìn)行歸類。
市場規(guī)模
全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)過去五年經(jīng)歷了高速增長，市場規(guī)模從2018年的53億美元增長到2023年的超過170億美元，平均年增長率達(dá)27%。預(yù)計全球合成生物市場在可見的未來仍將保持較快發(fā)展勢頭，在2028年將成長為體量達(dá)到近500億美元的全球型市場。
合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了一大批行業(yè)應(yīng)用場景。近期(五年以內(nèi))工業(yè)化成果主要圍繞各大領(lǐng)域中先發(fā)探索話題的散點(diǎn)突破，如化學(xué)和材料中的部分基礎(chǔ)化學(xué)品及聚合物，農(nóng)業(yè)和食品中的少數(shù)食品添加劑、植物蛋白及發(fā)酵蛋白作為替代蛋白，醫(yī)療保健中創(chuàng)新細(xì)胞和基因療法、部分原料藥合成，以及消費(fèi)品中的部分功能性小分子和重組膠原蛋白技術(shù)等。
在中期(五至十年間)，圍繞各大領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步拓展，并實(shí)現(xiàn)部分全新子品類的技術(shù)突破和規(guī)模化生產(chǎn)，如材料領(lǐng)域的高性能蛋白、食品領(lǐng)域的細(xì)胞培養(yǎng)蛋白、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的共生固氮技術(shù)、醫(yī)藥領(lǐng)域的工程菌療法等。
在遠(yuǎn)期(超過十年)，合成生物學(xué)一方面有望在熱門應(yīng)用領(lǐng)域中在當(dāng)前科研尚處早期或技術(shù)瓶頸較大的話題上實(shí)現(xiàn)工業(yè)化跑通，如活體功能材料、光合作用優(yōu)化、器官再生等，另一方面，也預(yù)期將在生物質(zhì)燃料環(huán)保等新領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)揮作用。
在食品與營養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用
“食品與營養(yǎng)”可粗分為食品添加劑和替代蛋白兩大類;除需兼顧成本優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢外，口味、口感等的復(fù)刻也常常成為商業(yè)化時不可忽視的挑戰(zhàn)。
1、食品添加劑
食品添加劑和配料包括營養(yǎng)強(qiáng)化劑、抗氧化劑、甜味劑、著色劑、保鮮劑、穩(wěn)定劑增稠劑、新食品原料、功能性配料等。其中，營養(yǎng)強(qiáng)化劑指為了增加食品的營養(yǎng)價值而加入到食品中的天然或人工合成的營養(yǎng)素，按照來源不同，可分為來源于動植物的天然營養(yǎng)強(qiáng)化劑和人工合成營養(yǎng)強(qiáng)化劑兩大類。
根據(jù)中國食品工業(yè)協(xié)會的公開資料顯示，國內(nèi)食品添加劑和配料行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，2016年至2022年，食品添加劑產(chǎn)量從1056萬噸增長到1530萬噸，年均增長6.4%:銷售額從1035億元人民幣增長到1441億元人民幣，年均增長5.7%。巨大的終端市場意味著食品添加劑和配料的市場機(jī)會非?？h有吸引力。
目前，國內(nèi)代表企業(yè)在花生四烯酸(arachidonic acid，ARA)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid，DHA)市場已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破，采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)。ARA和DHA的原料來源和生產(chǎn)方法發(fā)展歷程體現(xiàn)了生物發(fā)酵法的優(yōu)勢。ARA傳統(tǒng)方法從動物肝臟和蛋黃中獲得，DHA則主要從魚油中獲得，動物來源原料存在含量低、品質(zhì)差異性大等缺點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，ARA和DHA生產(chǎn)分別實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，可通過高山被孢和裂殖壺生物發(fā)酵生產(chǎn)。國內(nèi)代表企業(yè)嘉必優(yōu)在2022年實(shí)現(xiàn)收入4.33億元，毛利率達(dá)到42%
合成生物學(xué)在食品及營養(yǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的另一大方向?yàn)樘娲鞍?，即非動物來源的蛋白質(zhì)，主要應(yīng)用包括肉、奶、蛋等。其中，植物基蛋白商業(yè)化進(jìn)程較快，國內(nèi)外已有大量商業(yè)化案例，且大豆蛋白、豌豆蛋白市場接受程度較高:但微生物發(fā)酵蛋白和細(xì)胞培養(yǎng)蛋白雖有較高商業(yè)化潛力但市場仍需教育，商業(yè)化處于起步階段。
讓消費(fèi)者接受替代蛋白的關(guān)鍵在于口味口感及平價，即替代蛋白的感官和味道必須和動物來源的一樣好，且在價格上與動物蛋白持平或者更低。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將經(jīng)歷三個階段，達(dá)成目標(biāo)的時間在一定程度上取決于替代蛋白的來源和被替代的產(chǎn)品:第一階段,用大豆、豌豆和其他植物蛋白制成的肉類、乳制品、蛋類等的替代品實(shí)現(xiàn)與動物蛋白價格持平；第二階段，由真菌(如酵母)、單細(xì)胞藻類、細(xì)菌等微生物制成的替代蛋白預(yù)計于2025年實(shí)現(xiàn)與動物蛋白價格持平；第三階段，直接由動物細(xì)胞培養(yǎng)出的替代蛋白預(yù)計于2032年實(shí)現(xiàn)與天然的動物蛋白價格持平。
替代蛋白的全球消費(fèi)量預(yù)計在2035年將達(dá)9700萬噸，屆時植物蛋白仍將占據(jù)主要體量(71%)，發(fā)酵蛋白其次(23%)、細(xì)胞培養(yǎng)蛋白最低(6%)。但從增速來看，發(fā)酵蛋白和細(xì)胞培養(yǎng)蛋白將在2025年之后迎來強(qiáng)勁增長。
從技術(shù)視角看，植物蛋白、發(fā)酵蛋白和細(xì)胞培養(yǎng)蛋白的產(chǎn)品開發(fā)難度依次提升。植物蛋白作為最常見的替代蛋白，其在合成生物學(xué)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)較低，主要在于需要添加合成大豆血紅蛋白來改善口感。細(xì)胞培養(yǎng)蛋白的技術(shù)難度最大，主要由于細(xì)胞衰老快、培養(yǎng)基成本高、味道和質(zhì)地模仿難度大,海外圍繞替代蛋白開拓新應(yīng)用、探索新路線的公司眾多但中國企業(yè)在該領(lǐng)域關(guān)注度相對有限。截至2021年底，全球共有近110家專注細(xì)胞培養(yǎng)肉開發(fā)的初創(chuàng)公司，僅2021年就新增21家。此外，替代蛋白在微生物發(fā)酵乳、植物合成蛋/蛋黃醬和純素膠原蛋白領(lǐng)域也有相關(guān)公司，例如美國的Perfect Day和Eat Just。
農(nóng)業(yè)應(yīng)用
農(nóng)業(yè)是合成生物學(xué)近年來的重點(diǎn)研究方向之一，包括農(nóng)作物(包括糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物)、畜牧水產(chǎn)等主要領(lǐng)域。中國人均耕地面積少，生物科技的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。此外，根據(jù)BCG研究，農(nóng)業(yè)排放占全球人類活動溫室氣體排放總量的17%。來自農(nóng)業(yè)體系的溫室氣體排放往往會造成更高的溫室效應(yīng)，主要原因在于農(nóng)業(yè)排放中的甲烷及氨氧化物占比較高。中國是農(nóng)業(yè)排放的大國，農(nóng)業(yè)減排道路任重道遠(yuǎn)。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，合成生物學(xué)的研究重點(diǎn)圍繞減少肥料使用、減少碳排放、強(qiáng)化病害防控、提高生長效率等話題開展，但行業(yè)整體仍處于早期。例如，從技術(shù)角度來看，合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中目前主要圍繞微生物改造植物改造并未達(dá)到嚴(yán)格意義上的系統(tǒng)性重構(gòu)遺傳及代謝體系。
糧食作物領(lǐng)域又可分為育種、作物保護(hù)、作物營養(yǎng)等賽道，合成生物學(xué)在各細(xì)分領(lǐng)域均可發(fā)揮作用。其中，部分設(shè)計育種、固氮肥料和微生物農(nóng)藥已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。以育種為例，合成生物學(xué)應(yīng)用主要分為三類:通過野生植物馴化，提升產(chǎn)量和質(zhì)量，具備廣闊的市場空間但尚未商業(yè)化:提高果實(shí)質(zhì)量、固、抗蟲抗藥等性能改造的應(yīng)用具有廣泛的應(yīng)用場景且進(jìn)展快，已有多種產(chǎn)品上市:通過合成生物學(xué)來促進(jìn)羧化反應(yīng)，提高光能利用，降低光呼吸損失，也具有巨大潛在價值，但尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
此外，合成生物學(xué)還可用于新型農(nóng)藥開發(fā)，包括RNAi/微生物農(nóng)藥和植物源農(nóng)藥，除蟲效率更高，也取得了較多進(jìn)展和產(chǎn)品布局。此外，還可利用合成生物學(xué)來搭建光自養(yǎng)平臺，能覆蓋諸多產(chǎn)業(yè)，想象空間巨大。
合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用還面臨市場、監(jiān)管、資金、技術(shù)四個方面的挑戰(zhàn)。在市場端,“轉(zhuǎn)基因作物”部分消費(fèi)者認(rèn)可不足,存在反對聲浪，大部分地區(qū)育種難以集約化推廣監(jiān)管端，在以中國為代表的地區(qū)，肥料、農(nóng)藥等生物制劑因存在生態(tài)風(fēng)險，存在審批挑戰(zhàn)審批時間甚至可達(dá)十年:資金端，除部分成熟市場外，大型農(nóng)業(yè)公司較少，行業(yè)發(fā)展缺乏有力投資:技術(shù)端，植物天然性狀改造仍存在“卡脖子”，以植物的自身固氮為例，存在固氮酶存于葉片細(xì)胞中氮?dú)饨佑|不足等問題。
國際上提出了農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)三個發(fā)展階段的戰(zhàn)略目標(biāo)，即推動人工光合體系、固氮體系及生物抗逆體系三大方面的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，這三大技術(shù)發(fā)展方向同樣是中國在技術(shù)跨越階段(2020年-2025年)的首要目標(biāo):中國還計劃在2026年-2030年進(jìn)入產(chǎn)業(yè)跨越階段，人工固氮和部分抗逆品種、新一代酶制劑與農(nóng)藥等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研發(fā)水平躋身世界先進(jìn)行列:在2031年-2035年進(jìn)入整體跨越階段，中國農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化整體達(dá)到世界先進(jìn)水平。
資本投入
根據(jù)Pitchbook數(shù)據(jù)顯示，在2017年至2021年的五年間，全球合成生物市場對風(fēng)險投資和私募股權(quán)投資者的吸引力不斷提升。2021年，合成生物市場吸引投資達(dá)到近年來高點(diǎn)融資額達(dá)87億美元，融資筆數(shù)達(dá)391筆。在投資者的支持下，合成生物學(xué)的技術(shù)應(yīng)用及場景拓展進(jìn)入快速發(fā)展通道。2022年之后資本市場逐漸回歸理性。2022年，全球合成生物融資額為54億美元，融資筆數(shù)為376筆。2023年前三季度，資本市場融資額20億美元，融資筆數(shù)193筆，較前一年同期亦有所下降。在此背景下，市場估值環(huán)境也進(jìn)一步向理性發(fā)展。
在國內(nèi)資本市場，合成生物學(xué)也是一個高度活躍的賽道。從2017年至2021年的五年間，風(fēng)投及私募股權(quán)投資額從5100萬美元上升至19億美元，融資筆數(shù)從12筆上升至74筆2021年也是國內(nèi)合成生物資本投資的大年。2021年10月，國內(nèi)合成生物美公司巨子生物以11美元A輪融資額，成為當(dāng)年度單筆融資最大的合成生物投資項(xiàng)目(73.6億元人民幣)。
中國合成生物市場與全球高度協(xié)同，因此進(jìn)入2022年以來資本市場進(jìn)入相對冷靜期，2022年，國內(nèi)合成生物賽道融資額接近11億美元，融資筆數(shù)93筆。2023年前三季度，國內(nèi)資本市場融資額5.5億美元，融資筆數(shù)58筆。
（文章來源：諾賽國際醫(yī)學(xué)研究院）
