合成生物學(xué)是一門典型的“匯聚”型新興學(xué)科。2000年，斯坦福大學(xué)Kool在美國化學(xué)學(xué)會年會上指出，當(dāng)前許多研究人員，正在利用有機化學(xué)和生物化學(xué)的合成能力，設(shè)計出在生物系統(tǒng)中發(fā)揮作用的非天然合成分子，他將之定義為“合成生物學(xué)”。合成生物學(xué)是一門通過合成生物功能元件、裝置和系統(tǒng)，對細(xì)胞或生命體進行遺傳學(xué)設(shè)計、改造，使其擁有滿足人類需求的生物功能的生物系統(tǒng)的學(xué)科。它把“自下而上”的“建造”理念與系統(tǒng)生物學(xué)“自上而下”的“分析”理念相結(jié)合，利用自然界中已有物質(zhì)的多樣性，構(gòu)建具有可預(yù)測和可控制特性的遺傳、代謝或信號網(wǎng)絡(luò)的合成成分。作為一門典型的“匯聚”型新興學(xué)科，近年來合成生物學(xué)引起了科學(xué)界的高度重視，它的崛起突破了生物學(xué)以發(fā)現(xiàn)描述與定性分析為主的“格物致知”的傳統(tǒng)研究方式，提出了“建物致知”的全新理念，通過生物體系的模擬、合成、簡化和再設(shè)計，使得人類更加深刻地理解生命的本質(zhì)。作為一門交叉學(xué)科，合成生物學(xué)不僅包含基因工程、蛋白質(zhì)工程等傳統(tǒng)學(xué)科，同時結(jié)合了系統(tǒng)生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等其他學(xué)科的研究思路，以生物技術(shù)和工程化理念為基礎(chǔ)，旨在設(shè)計與制造以生物為本質(zhì)的組件與體系，使其達到人類的需求。其研究不僅可以使人們對生命科學(xué)中的遺傳、發(fā)育、疾病、衰老以及進化等現(xiàn)象進行深入探索與解析，同時還可以通過執(zhí)行一些特殊的生物功能再加工生命系統(tǒng)，從而使得其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，加速合成生物系統(tǒng)的工程化進程。

合成生物學(xué)歷經(jīng)4個發(fā)展歷程。合成生物學(xué)發(fā)展迅速，其發(fā)展經(jīng)歷大致可以分為4個階段：第一階段是合成生物學(xué)的創(chuàng)建時期（2000—2003年），這個時期產(chǎn)生了許多具備領(lǐng)域特征的研究手段和理論，特別是基因線路工程的建立及在代謝工程中的成功運用；第二階段是摸索完善時期（2004—2007年），這個時期的重要特征是雖然領(lǐng)域有擴大趨勢，但工程技術(shù)進步比較緩慢；第三階段是快速創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化時期（2008—2013年）這個時期涌現(xiàn)出了大量新技術(shù)和新工程手段，特別是人工合成基因組能力的提升，以及基因組編輯技術(shù)的突破等，從而使合成生物學(xué)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展；第四階段是飛速發(fā)展新時期（2014年至今），該時期研究成果全面提升，特別是酵母染色體的人工合成等領(lǐng)域取得突破性成果，為人類實現(xiàn)“能力提升”的宏偉目標(biāo)奠定了重要基礎(chǔ)。

合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)大致可以分為上、中、下游。合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)生態(tài)覆蓋面龐大，不同技術(shù)和產(chǎn)業(yè)落地方向多元，且都有相當(dāng)?shù)氖袌鲆?guī)模?；诖?，可以將整個合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)分為大致的上、中、下游。其中，上游開發(fā)使能技術(shù)，包括DNA/RNA合成、測序與組學(xué)，以及數(shù)據(jù)相關(guān)的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)。DNA/RNA片段的測序、編輯和人工合成技術(shù)是整個合成生物學(xué)的底層基礎(chǔ)技術(shù)；中游是對生物系統(tǒng)和生物體進行設(shè)計、開發(fā)的技術(shù)平臺，合成生物學(xué)從生物的基因編輯，到產(chǎn)品和服務(wù)的商業(yè)化落地，這之間存在著超長的技術(shù)鏈條。將實驗室中能夠用于解決實際問題的研究轉(zhuǎn)化和擴大，需要對多種方向的專業(yè)技術(shù)進行密集而深度地整合，建立前所未有的基礎(chǔ)設(shè)施和方法流程。合成生物平臺類公司，扮演了“生物基解決方案”設(shè)計師和開發(fā)者的角色；下游是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。合成生物學(xué)公司的技術(shù)和創(chuàng)新通常不會局限于上述產(chǎn)業(yè)的某一個層次。特別是對于著重下游應(yīng)用和產(chǎn)品落地的公司，需要有打通從研發(fā)到產(chǎn)品落地全鏈條的過硬能力，以降低自身的商業(yè)風(fēng)險和確保強競爭力。同時，來自上、中、下游的重大突破和創(chuàng)新也在相互促進和加強。

成生物學(xué)在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用主要涉及疾病診斷、疫苗、抗生素、藥物、基因治療、細(xì)胞工程等產(chǎn)品。美國合成生物學(xué)家JayKeasling設(shè)計構(gòu)建了能夠生產(chǎn)抗瘧藥物青蒿素的人工酵母細(xì)胞，堪稱合成生物技術(shù)的重大應(yīng)用典范。諾華公司開發(fā)的癌癥細(xì)胞療法Kymriah將工程活細(xì)胞用于醫(yī)學(xué)治療是第一個經(jīng)FDA獲批的細(xì)胞療法，全球首個脊髓性肌萎縮癥基因療法Zolgensma也獲美國FDA批準(zhǔn)上市；在能源環(huán)境領(lǐng)域，利用微生物合成高能生物燃料或遺傳改造微生物使其能將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇、蛋白質(zhì)等。印度理工學(xué)院SanjayKumar團隊發(fā)現(xiàn)了生物燃料增長最快菌株拉長聚球藻UTEX2973，已知的聚囊藻屬PCC6803和長聚藻PCC7942等已成功用于生物燃料生產(chǎn)。以色列魏茨曼科學(xué)研究所RonMilo團隊創(chuàng)制出可固定二氧化碳的大腸桿菌，使其從異養(yǎng)生物變成自養(yǎng)生物；在化工領(lǐng)域，系統(tǒng)設(shè)計和改造實現(xiàn)生物路線對化學(xué)路線的逐步替代包括化學(xué)品、材料、工業(yè)酶、工業(yè)流體和個人護理等產(chǎn)品的市場開發(fā)。Genomatica公司將生物基丁二醇的工藝商業(yè)化，開發(fā)聚酰胺中間體和長鏈化學(xué)品。麻省理工學(xué)院ChristopherVoigt團隊利用細(xì)菌孢子構(gòu)建的3D彈性生物材料能應(yīng)對極端應(yīng)力包括干燥、溶劑、滲透壓、pH值、紫外線。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和團隊在淀粉人工合成方面取得突破性進展，在國際上首次實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成；在食品領(lǐng)域，涉及人造肉、油、酒、蛋白質(zhì)、食品添加劑和天然功能成分等。PerfectDay和ClaraFoods公司通過合成生物學(xué)技術(shù)開發(fā)合成蛋白類產(chǎn)品，如牛奶、蛋清奶酪等。Calyxt公司的高油酸大豆油是第一款進入美國食品供應(yīng)市場的基因編輯大豆油；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域涉及農(nóng)作物及畜牧生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括成本控制、化肥農(nóng)藥減施、生物傳感器等。Agrivida公司開發(fā)的酵素植酸酶Grain可以提高飼料的消化率，減少動物體內(nèi)的營養(yǎng)抑制劑。GreenlightBiosciences公司致力于開發(fā)創(chuàng)造高性能的RNA農(nóng)作物，使其精確靶向免疫于特定害蟲，不會傷害有益昆蟲或在土壤、水中殘留。

行業(yè)市場規(guī)模在2027年有望接近400億美元。根據(jù)CBinsights統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年全球合成生物學(xué)市場規(guī)模達到140億美元，其中醫(yī)療健康為最大的細(xì)分市場，市場規(guī)模接近56億美元。根據(jù)CBinsights的預(yù)測數(shù)據(jù)，隨著合成生物學(xué)在各領(lǐng)域應(yīng)用更加廣闊以及技術(shù)改善，合成生物學(xué)行業(yè)市場規(guī)模有望快速擴容，預(yù)計到2027年，合成生物學(xué)的市場規(guī)模將達到387億美元，其中醫(yī)療健康仍然將是最大細(xì)分市場，市場規(guī)模有望達到103億美元，占比達26.6%。食品和飲料及農(nóng)業(yè)預(yù)計將是未來增速最快的賽道，因動植物選擇性育種、DTC基因測試、基于微生物美容產(chǎn)品等帶來的廣泛前景應(yīng)用，預(yù)計2022年至2027年的年復(fù)合增長率將分別為45.4%和56.4%。

圖表：全球合成生物學(xué)醫(yī)療健康領(lǐng)域市場規(guī)模

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

合成生物學(xué)是當(dāng)今生物學(xué)領(lǐng)域的前沿研究方向，合成生物學(xué)技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)化學(xué)合成成為全球醫(yī)藥、食品、材料等領(lǐng)域“綠色合成”的重要途徑。與傳統(tǒng)的化學(xué)合成相比，合成生物學(xué)技術(shù)具有如下優(yōu)勢：①傳統(tǒng)化學(xué)合成的原料主要來自石油、煤炭等石油基物質(zhì)，而合成生物學(xué)技術(shù)所使用的原料以生物基物質(zhì)為主，生物基物質(zhì)數(shù)量巨大、價格低廉。體外合成生物學(xué)法工藝路徑利用酶促反應(yīng)縮減了傳統(tǒng)化學(xué)法的工藝步驟數(shù)，縮短了工藝流程、減少了生產(chǎn)流程中碳的排放；②傳統(tǒng)的化學(xué)合成在制造復(fù)雜分子方面較為受限，需要通過大量的中間體步驟才能生產(chǎn)出最后的目標(biāo)分子。合成生物學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)上述復(fù)雜分子方面具有顯著優(yōu)勢，可通過構(gòu)建高性能酶或者設(shè)計底盤細(xì)胞內(nèi)的代謝通路直接獲得目標(biāo)產(chǎn)物，簡化了工藝步驟、提高了生產(chǎn)效率；③傳統(tǒng)化學(xué)合成過程中的“三廢”污染較重、能耗較高。合成生物學(xué)技術(shù)縮短了生產(chǎn)工藝步驟、減少了化學(xué)品的使用、避免了金屬催化劑帶來的重金屬污染，從而顯著降低了“三廢”排放與生產(chǎn)能耗，是一種綠色環(huán)保的制造方式；④合成生物學(xué)技術(shù)安全性高，合成生物學(xué)技術(shù)的安全性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是合成生物學(xué)技術(shù)工藝的生產(chǎn)過程通常在常溫、常壓下進行，環(huán)境安全，條件簡單；二是合成生物學(xué)產(chǎn)品具有食品安全性，傳統(tǒng)化學(xué)合成過程中常有重金屬和有機溶劑殘留，而合成生物學(xué)技術(shù)可以克服這一問題。