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New Game Changer,合成生物學將于何處、如何扎根?

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New Game Changer,合成生物學將于何處、如何扎根?

合成生物學,這個尖端的復合學科,或將重塑這世界上大多數物質的生產方式,重塑經濟與產業的運作形式,重塑人們的生活,并且帶來極其可觀的經濟利益。

文|融中財經

2022年5月,國家發改委發布《“十四五”生物經濟發展規劃》,提出“十四五”期間,要推動生物技術和信息技術融合,加快發展生物醫藥、生物育種、生物材料、生物能源等產業,做大做強生物經濟。合成生物學以工程學思想高度整合了生物技術、基因工程、分子工程、系統生物學等多領域的技術和解決方案,已經催生了諸多的新業態和巨大的市場機會。

據麥肯錫預測,全球經濟活動中60%的實物投入能夠使用生物技術生產獲得,其中1/3為天然生物材料,2/3為可被替代的非生物材料;在2030-2040年間,合成生物學將每年為全球帶來2-4萬億美元的直接經濟效益。

合成生物學,這個尖端的復合學科,或將重塑這世界上大多數物質的生產方式,重塑經濟與產業的運作形式,重塑人們的生活,并且帶來極其可觀的經濟利益。合成生物學的產業應用正在逐步探索中,發酵工程、醫療健康、綠色能源、農業及食品等諸多領域,或可期待在不久的未來,迎來畫龍點睛的一筆。

合成生物學如何改變世界

如果說人類發展的本質,就是對自然環境的利用和改造,那么生物資源可謂是自然環境中最大的主體,也是我們謀求未來發展的最大寶藏。遠古時代,茹毛飲血以果腹,鉆木取火以求生;而后萬年,古代農業長足發展,發現中草藥,使用抗生素,以轉基因技術、太空輻射育種,石油、煤炭成為現代能源化工行業的基石……人類直接或間接地利用生物資源,然后對其進行不斷地改造,使生物體更加符合人類的發展需要。

野生香蕉與野生玉米[1]

我們食用的水果和糧食,經過數千年的培育,其樣貌早已距最初有了天翻地覆的變化。再比如青霉素,經過不斷選育,其產量已較初期40單位/ml提高了2500倍,從價比黃金到廣泛應用于臨床。過往的生物體改造取得了巨大的成就,但這些改造往往是漸進的、孤立的,僅局限于增強生物產物,而欠缺于創造出具有全新功能的生物體。

合成生物學,或許是能夠解決這個巨大痛點的最有效方式。合成生物學并不是某一種里程碑式的新技術,而是一個高度交叉融合的新領域,它綜合了生物技術、基因工程、分子工程、系統生物學等多個領域的技術方法,并將工程學的標準化、去耦合和模塊化的思想融入到生物改造中,在諸多領域中的現有技術上不斷突破。

對合成生物學的常見誤區是將其等同于生物合成或者說發酵工程。顧名思義,合成生物學即是合成出生物體,而生物合成,則是以生物體去合成其他物質,因而合成生物學更多是為生物合成或發酵工程提供定制化的生物體。合成生物學的目標是“定制”合成生物元器件、生物體、生物系統等目標產物,并且將其過程標準化。

合成生物的兩種途徑[2]

總體來說,合成生物有兩種途徑,Top-Down(自上而下)和Bottom-Up(自下而上),前者向現有細胞中引入新功能,后者則是直接創建新的生物元器件,并通過搭建元器件形成更為復雜的生物系統,直至創造人工細胞和人工多細胞生命體。而合成過程的標準化,類似排列組合搭積木。將設計好的具有特定功能的生物元件,用工程學的的思路,輔以DNA合成、DNA組裝、基因編輯等技術手段,共同完成一套生物體系的定制合成。

就合成的不同級別而言,合成生物學可以分為分子級別、亞細胞級別、細胞級別、組織乃至以上級別。分子級別的合成是改造一切生物體的基礎,而細胞級別的合成,則是為目前在發酵(底盤細胞改造)、醫學(各類免疫細胞療法、溶瘤病毒)等各個領域的應用直接提供材料。

在分子級別的層面,應用最為廣泛的方法是通過生化手段合成寡核苷酸、肽段、甚至全基因。在亞細胞層面上,主要開展的是關于人造細胞器的研究,比如人工合成葉綠體、線粒體、染色體,以實現特定功能。目前最受關注的是細胞級別的合成,通過改造細胞,既可以生產長鏈二元酸、角鯊烯、法尼烯等特定物質,也可以在細胞或病毒的現有基礎上構建特殊功能。最具代表性的技術是改造免疫細胞,在免疫細胞上增加嵌合抗原結構,以形成對腫瘤識別能力更強的Car-T技術。

就組織及以上級別而言,合成技術目前尚處于研究階段,研究方向包括生物打印技術、依托支架形成人工組織等等。類器官是目前研究進度較快的方向,通俗來講,就是在患者體外構建一個類似體內的器官環境,形成患處器官的“替身”,在“替身”上針對性給藥,從而更加精準地篩選藥劑并確定劑量,最后轉移至患者身上完成實際治療。

以上,我們初步揭開了合成生物學的神秘面紗。我們傾向于將合成生物學稱為一種能量巨大的“新路徑”,其標準化定制合成模式的應用范圍遠遠不限于特定物質的制造,而是廣泛地觸及醫療、能源、農業、環境等多個產業。合成生物學,既是開啟未來經濟和產業新格局的鑰匙,也是重塑人們未來生活新面貌的畫筆。

合成生物學與部分學科的交叉關聯關系

合成生物學是發酵工程升級換代的“催化劑”

在合成生物學眾多的應用領域中,發酵工程是目前最主流、最受關注的領域。發酵是人類利用微生物最早的典型案例。現代通過發酵工程生產的產品眾多,傳統產品如酒精和醋酸,醫藥產品如胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗,農業產品如殺蟲劑、發酵肥料、生物除草劑,化工產品如氨基酸、香料、酶、維生素、各類蛋白質和其他生物高分子等等。

合成生物學在發酵工程中的應用,主要是通過使用生物體生產維生素、氨基酸、聚合物材料等目標產物,或為生物合成、生物發酵等提供符合特定條件、滿足特定功能的菌株,最終通過消耗生物完成合成。根據McKinsey(麥肯錫,全球管理咨詢公司)的統計數據,人類目前所使用的約70%的材料可以通過發酵工程產出,而使用合成生物學創造的生物體作為原材料,能夠極大地增強發酵工程的速度和質量。

合成生物學在發酵工程中應用的核心技術問題是對代謝途徑的掌控。如果目標產物的某些基因不適合大規模培養,那我們就可以將其引入到易于培養的底盤細胞中,進而以通用、節能、環境友好的微生物發酵工廠代替大型養殖場、農場和需要特殊條件的微生物培養器,此類操作被稱為天然合成途徑在培養友好生物體中進行的異源表達。

要實現對代謝途徑的精細操控,則需要進一步對代謝通路鏈條進行精確動態調整,使通路中的各種酶及中間產物的活性和表達量恰好等于最佳代謝通量,從而避免酶和中間產物的不足或過度累積影響最終產物的產出量。此外,還需要將合成生物學設計的基因回路,在特定時間、環境條件下進行切換,使不同的基因回路在合宜的情況下轉換為代謝通路,以實現菌體生長和生產的動態平衡,達到生產效率的最大化。

合成生物學還可以為發酵工程增加各類功能,以降低培養要求和成本,加強代謝能力。例如,在好氧培養中,我們可以在底盤細胞中增加表達氧氣運輸的相關蛋白,使細胞獲取氧氣的能力更強,提升培養密度,降低對培養環境的需求。

合成生物學在發酵工程中的應用,可以概括為“升級換代”,往往是以新的生物代謝途徑生產已形成一定市場格局的材料。

以紫杉醇的生產為例。紫杉醇提取自紅豆杉屬的植物樹皮組織,是第一個在天然植物中提取的化療藥物,它的問世被譽為1990年代國際抗癌藥物的三大成就之一。紫杉醇至今仍然是腫瘤化療治療中的常見藥物之一,它可以通過穩定和增強微管蛋白的聚合能力來抑制微管解聚,進而抑制細胞的有絲分裂,輔助達到化療效果。

歐洲紅豆杉/SiGarb攝,發布于Wikimedia Commons

紫杉醇的主要來源是紅豆杉,但天然紅豆杉的生長周期長達100-250年,僅就紅豆杉成材而言,也需要15-20年時間。紅豆杉樹皮中,紫杉醇的含量僅有萬分之一至萬分之六,砍伐一棵天然紅豆杉僅能提取不足1克的紫杉醇。

1990年,中國人均GDP約為1700元人民幣,但1克紫杉醇的最高售價已經達到了2000美元。面對如此昂貴的成本,病人難以負擔,盜挖紅豆杉現象猖獗。云南省擁有中國80%、世界50%的野生紅豆杉,2002年云南省森林公安的抽樣調查顯示,92.5%的紅豆杉被剝皮或被伐,云南紅豆杉遭遇了毀滅性的破壞。

因此,科學家們不斷探索人工生產紫杉醇的方式,化學合成/半合成途徑較早打通,但因步驟多、收率低而無法實現商業化,仍然難以擺脫對紅豆杉資源的依賴。但現在,通過合成生物學技術的不斷發展迭代,同時拯救腫瘤患者與野生紅豆杉已成為可能。

最初合成生物學是通過直接大規模培養紅豆杉細胞來生產紫杉醇,此種方法雖然大大減少了對空間的占用,但依然存在種種問題,例如紅豆杉細胞的生長速度較為緩慢,紫杉醇對細胞的毒性會遏制細胞的有絲分裂,褐化現象難以克服等,因此這種組織培養方案難以實現大規模產業化。因此,尋找一種生長更快速、對紫杉醇耐受性更高的底盤細胞,將異源的紫杉醇的代謝途徑轉入底盤細胞,就成為了新的研究熱點。

紫杉醇的代謝途徑是一個復雜的代謝網絡,而非簡單的線性途徑。其代謝需要經歷三個部分的反應,每個部分的反應都十分復雜,且其中第二部分的機制尚未明確,對其中可能涉及多種代謝途徑的P450羥化酶的研究尚待發展。即便目前還面臨諸多困難,但借助合成生物學,科學家們已經能夠通過大腸桿菌或酵母等生物材料生產出紫杉醇的前體物質,此類前體物質能夠在生物合成過程中結合到紫杉醇分子中,從而較大提高紫杉醇的產量。紫杉二烯是目前產量較高的紫杉醇前體物質,其產量已經可以達到1g/L,較自然提取的產量已實現了巨大的進步。結合時間周期來看,通過合成生物學生產紫杉醇,其發酵周期通常不到一個月,也就是說,一個1L培養罐的單月產出的前體物質經處理后得到的紫杉醇,就相當于一棵15-20年紅豆杉的提取量。

盡管合成生物學對紫杉醇代謝方式的掌握未臻化境,尚未繞過前體物質,實現一步到位直接產出紫杉醇,但即便不計物價水平因素,紫杉醇價格也已經從上世紀90年代初的每克最高2000美金,降低至如今每克約300元人民幣。合成生物學在紫杉醇生產上的應用,已使得更多病人能夠享受到更好的藥物,并使得紅豆杉的植物種群開始逐漸恢復。

由此可見,合成生物學能夠放大生物代謝的優勢,使生產過程變得更加高效和環保,并獲得更低的生產成本和環境成本,形成更大的市場競爭優勢。對于企業來說,擁有能夠與大規模生產過程高度結合的生物改造技術,將成為建立和鞏固核心競爭優勢的關鍵,企業所選擇的目標產物和現有市場格局,也會成為影響企業發展的重要因素。

合成生物學全方位優化醫療產業

醫療產業發展高度依賴新技術的研發突破,其中,生物材料研究對生物相容性的要求較高,即需要使材料在進入生物組織后能夠在機體特地部位引起恰當的反應,兩者循環作用直至達到特定目標。對比合成生物學的底層邏輯可見,生物相容性是與之高度契合的重要研究主題。

合成生物學在醫療中的應用主要包含三個方面,分別是醫療預防、診斷和治療。

在醫療預防方面,合成生物學主要通過優化疫苗或提供核酸疫苗發揮作用。相較于滅活疫苗,減毒活疫苗的作用時間更長、免疫力更強,已經成為部分傳染病最簡單有效的長效疫苗,但目前多數傳染病尚未研有成熟的低毒性疫苗。合成生物學的密碼子優化技術能夠對病毒基因組進行負優化,如通過大規模同義突變重設病毒基因組,在不了解病毒功能的前提下降低病毒毒性,快速生成減毒毒株。該項技術已經在部分疫苗的I期臨床中得到應用,具體包括CodaVax-H1N(甲型H1N1流感的減活疫苗)、CodaVax-RSV(抗呼吸道合胞病毒活疫苗)、CDX-005(SARS-CoV-2減活疫苗)等。

除優化減活疫苗外,合成生物學也是制造DNA和RNA疫苗的基礎。合成生物學能夠利用相關技術直接合成核酸分子,將編碼病毒成分的DNA或RNA通過疫苗引入人體細胞,進而實現與自然感染相同的病毒抗原誘導細胞免疫和體液免疫過程。此種疫苗制造方法具有設計速度快、生產過程簡單、可選擇靶點范圍廣的優勢,能夠為疫苗的研發提供更大空間;同時,其免疫反應強,能夠提升疾病預防效果。

在醫療診斷方面,利用生物合成技術設計具有特定分子相互作用的生物組件,可以實現實時高效、高敏感性、高特異性的非侵入式檢測,其適用范圍涵蓋癌癥細胞、代謝產物、感染因子、毒素等,該種解決方案已在部分非傳染性癌癥、冠狀動脈疾病、傳染性疾病(如埃博拉、寨卡、結核病、瘧疾、艾滋病、新型冠狀肺炎等)以及其他診斷中(如血常規定量分析等)推進臨床前研究。

此種檢測方式的設計思路可以概括為構建感應器(Sensor)、處理器(Processor)和報告器(Reporter)。感應器負責感應體內或體外環境的目標信號,處理器負責將感應器收集的信號根據醫學標準分類為臨床類型,最終由報告器將分析結果以易于檢驗的形式輸出。除構建新結構外,合成生物學也可借由蛋白的定向改造技術,為現有的體外診斷方案提供性能更優的原料(例如酶),推動診斷方案的改進;還可以構建出與人體器官相近的類器官,在藥物的篩選、臨床的伴隨診斷中起到重要作用。

治療階段是合成生物學最重要的醫學應用領域,利用生物合成技術生產的目標生物體能夠直接應用于細胞免疫治療、工程菌靶向治療等治療方式。其中,細胞免疫療法是最能體現合成生物學技術先進應用的領域之一,其核心原理為利用生物合成技術改造細胞,以精準地控制細胞功能,為患者提供長期持續的疾病管理。極具代表性的Car-T療法(Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy,嵌合抗原受體T細胞免疫療法,本文簡稱“Car-T療法”)已經在血液癌治療中取得了可觀成效,Car-T療法是在T細胞表面添加嵌合抗原受體,以增強與腫瘤細胞表面的特異性抗原結合和T細胞激活能力。將嵌合抗原受體添加至不同的免疫細胞,則可分化出Car-NK、Car-M等多種衍生療法。

隨著合成生物學的進步,可以設計出更多的類似于嵌合抗原受體的標準化、模塊化的生物元器件,并排列組合出大量通過感受器接收特定分子信號并通過基因回路處理引發一系列下游反應的高度特異性細胞療法,提升療法的有效性和安全性,為各類療法的進一步發展提供無限可能性。

合成生物學通過系列改造創造特異性的細胞療法[3]

除改造細胞外,合成生物學還可以改造細菌和病毒,生成靶向腫瘤微環境的溶瘤細菌/病毒,起到載藥、募集免疫細胞殺傷癌細胞的作用。例如,經過改造的具有表達腫瘤相關抗凋零抗原的減毒沙門氏菌CVD908ssb-TXSVN,能夠促進細胞毒性T細胞浸潤腫瘤,增強識別與殺傷腫瘤細胞的能力。

在臨床治療方面,由合成生物學支持發酵工程獲得的材料和藥物亦能夠發揮顯著作用,在胰島素、抗生素、激素、免疫抑制物等諸多臨床藥物的生產中,發酵法已實現對天然提取法或化學合成法的替代。合成生物學產生的其他材料,如合成透明質酸和人工眼角膜,以及研發需要的具備生理相容性的粘合劑、靶向遞送藥物的藥物載體等,均在臨床工作中扮演著重要角色。

隨著組織及以上級別合成生物學的發展,我們或可期待在臨床治療中實現更多跨越式的創新應用,例如通過紅細胞改造生產無抗原識別的“代血液”,以克服血型匹配困難并免除輸血反應危險;利用生物打印技術在固定框架中注入細胞形成人造組織乃至形成器官,以解決由衰老、疾病、事故或先天缺陷導致的組織或器官衰竭難題。

合成生物學為綠色能源、能源安全提供支撐

2022年8月18日,科技部等九部門聯合印發了《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》,提出重點研究一批碳中和前沿和顛覆性技術,支持單位GDP二氧化碳排放量和能源消耗的下降。據世界自然基金會(WWF)預估,截至2030年,生物制造每年可減少二氧化碳排放10-25億噸,成為實現碳達峰、碳中和目標的重要方式之一。

合成生物學的生物制造過程兼具綠色環保與降本增效優勢,現階段主要通過發酵工程將可再生生物質轉化為燃料,減少碳排放,創造出綠色能源新選擇,為解決存量燃油機械的環保問題提供方案,并基于其可再生性成為能源安全的新保障。

合成生物學在能源開發領域主要應用于燃料乙醇的生產。燃料乙醇的生產主要可以分為將淀粉發酵轉化為乙醇和將纖維素發酵轉化為乙醇(淀粉和纖維素均為葡萄糖連接成的多糖,連接方式不同)。淀粉多數來源于糧食作物,其發酵難度低,轉化技術已十分成熟,但存在與民爭糧的風險;使用纖維素轉化燃料乙醇則需大量消耗木屑、秸稈等木質作物,雖然原料價優易獲取,但其原始成分木質素成分較為復雜,預處理工序提高了轉化過程的總體成本。

合成生物學為生物燃料的可持續生產提供支持[4]

美國和巴西作為世界農業大國,在燃料乙醇的生產上具有顯著優勢。美國的玉米種植成本較中國低近40%,其燃料乙醇的價格已經較石油具有一定競爭力,美國也由此成為當前世界上最大的車用乙醇汽油生產和消費國。巴西的甘蔗生產量居全球之首,這為燃料乙醇提供了充足的原料,巴西也成為了世界第二大燃料乙醇生產國。

我國目前是世界第三大燃料乙醇生產和應用國。出于對糧食安全問題的考慮,我國的燃料乙醇生產方式正逐步向采用非糧經濟作物和纖維素原料綜合利用方式轉變,當前的主要研究課題為如何借助合成生物學遴選恰當的工程菌,以接近或低于傳統方法生產乙醇的成本,增強綠色能源的市場競爭力。

總體來說,通過合成生物學生產乙醇仍面臨成本較高、與人爭糧、與糧爭地的問題。但隨著合成生物學的不斷發展,科學家們正在研究新的菌類和藻類,尋求以更多形式生產可持續、環境友好的生物燃料的途徑,如通過定制工程菌生產異丁醇、氫氣和甲烷,以及將甲烷等氣態燃氣轉化為燃料,但進入產業化生產還尚需時日。

合成生物學或將顛覆農業和食品面貌

合成生物學在農業和食品領域具有極大的發揮空間。植物生長發育需要大量的營養元素,主要包括碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣等,營養元素的不足會導致植物遭遇長勢衰弱、病蟲害頻發、品質低下、產量減少等諸多問題,而合成生物學能夠重建相關問題的解決方案。

合成生物學能夠通過物種性能的優化實現植物性能的增強,在植物種植、食品生產、生態循環等多個環節構建新的想象。

例如使用代謝工程的相關技術能夠研究植物的代謝途徑,通過增強合成途徑、減少呼吸等消耗途徑,提升固碳能力,幫助作物合成更多淀粉,增加糧食作物的產量;還能夠定制固氮共生菌,使原本不具備固氮能力的植物可以通過共生關系從空氣中獲取氮元素,以減少對土壤中氮元素的依賴,從而增加土壤肥力。

合成生物學還能夠將活性物質在植物中進行表達,優化不同營養元素的配比,提高植物的成長效率,減少肥料的使用;或在農產品中增加新物質,例如在大米中添加胡蘿卜素,提高食物的營養價值。植物抗逆性的提升亦可以借助植物合成生物學來實現,通過構建并導入高效的抗逆元器件,植物的抗倒伏、抗蟲抗病害能力得到提升,農藥使用量隨之減少,同時為農業操作提供有利條件。

合成生物學在營養學和農業中的應用前景[5]

合成生物學還能夠借助生物發酵技術改變糧食的生產形式。在“人造肉”領域,用以制作大眾熟知的“素肉”所需的大豆蛋白即可使用酵母菌生產;而通過培養肌肉細胞等方式生產“實質性肉類”的應用,尚處于研究階段,且其成本近乎“天價”,在短期內或難以降低。目前“人造肉”生產主要通過酵母菌和動物細胞培養完成,通過光自養生物等制造動植物蛋白是產業未來的發展方向,尚處于理論研究階段。

光自養生物是指某種能夠利用陽光的能量將二氧化碳轉換成淀粉、并作為其他植物或動物食物的植物,可以理解為有光合作用能力的底盤細胞。培養此種細胞構建食物工廠,取代占地面積較大、單位產值較低、環境變化較大的農田,能夠進一步加強對糧食安全的保障。

使用生物發酵技術生產的產品還能夠為農業和下游提供和處理材料,如提供農用塑料膜等農業材料、食品添加劑等食品飲料成分,或協助處理污水、秸稈等農業廢棄物。

由于合成生物學仍處于發展階段,學界及大眾對其潛力和風險尚未完全了解,其應用面臨著科學、倫理等多方面的爭議,故其在農業和食品領域的大規模應用尚需時日。

合成生物學企業的三種商業模式

隨著合成生物學研究的拓展和深入,產業中聚集的企業數量不斷攀升。依據其業務類型,合成生物學企業可以劃分為三類,分別是以生物體或化學產品為目標產品的產品導向型企業、基于自有通用設計平臺提供生物體改造服務的服務型企業以及針對合成生物學專項技術研發的研發型企業。

產品導向型企業大多為高新制造業或新型生物醫藥技術企業,是目前合成生物學賽道的主流玩家,其更加專注于產品所在市場的專項研究,并在尋求產品性能改良和生產成本降低的過程中引入合成生物學技術。此類企業的價值本質上由其核心產品的主要研發技術決定,而合成生物學則作為對產品增益的價值提升工具存在。

與前者不同,服務型企業的核心競爭力在于其自有的合成生物學資源和技術,如豐富的基因庫和細胞資源庫,以及設計和高通量篩選適用于不同產品生產的底盤細胞能力。服務型企業通常由產品導向型企業轉化而成,其核心業務逐步過渡為向后者提供服務,以規避大規模生產和銷售特定產品帶來的商業風險。這類企業與賽默飛(Thermo Fisher Scientific,全球科學服務領域巨頭)等同樣具有合成生物學所需各項技術和試劑科研巨頭的核心差別,是能否將合成生物學各項技術有機地結合起來,并形成設計生物體的通用平臺的能力。服務型企業的成長發展與合成生物學產業的發展休戚相關,目前占據領先地位的多為國外企業,我國僅有部分企業尚處于轉型階段。

研發型企業則常見于科技高度發達的學術集群,企業業務重心在于技術創新,其研究方向大多專注于合成生物學的某一個技術環節。此類企業通常小而精,公司經營成敗完全取決于技術研發成敗,但也因其技術精深,企業常常獲得產業巨頭青睞,易于獲得收購。

結語

合成生物學是一個新的概念,卻并不是一個全新的領域。合成生物學結合運用的諸多技術早已在各個領域有廣泛的應用,但合成生物學通過結合工程學思想,對生物學已有技術進行了重新定義,大大增強了對生物體的改造能力。因此,不同于基因編輯等賽道是由特定核心技術驅動開創出全新領域的突變模式,合成生物學是隨著大量支持技術性能提升和成本降低、逐步進入商業實踐去更好滿足現有需求的由量變到質變的漸變過程。

我們認為更應該從需求端而非供給側去思考合成生物學賽道的投資機會,重點關注當前的高需求賽道中,有哪些合成生物學企業具備以低成本滿足現有需求的能力,而非由具有某些合成生物學產品供給能力的企業為出發點,去尋找其產品的可應用方向。

引用:

[1] Here's What Fruits and Vegetables Looked Like Before We Domesticated Them. Science alert, https://www.sciencealert.com/fruits-vegetables-before-domestication-photos-genetically-modified-food-natural

[2] Verhamme DT, Arents JC, Postma PW, Crielaard W, Hellingwerf KJ. Investigation of in vivo cross-talk between key two-component systems of Escherichia coli. Microbiology. 2002;148(Pt 1):69-78. doi: 10.1099/00221287-148-1-69.

[3] Kitada T, DiAndreth B, Teague B, et al. Programming gene and engineered-cell therapies with synthetic biology[J]. Science, 2018, 359(6376): eaad1067.

[4] 16 Important Pros and Cons of Biofuels to Know, Our Endangered World, https://www.ourendangeredworld.com/energy/pros-and-cons-of-biofuels/

[5] Roell M S, Zurbriggen M D. The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2020, 61: 102-109.

注:文章僅為作者個人觀點,不代表公司立場,不涉及任何投資建議。市場有風險,投資需謹慎。

作者簡介:

夏椰,光谷創投高級分析師

中國科學院動物研究所博士,有豐富的科研經驗,承擔或參與過國家重點研究計劃子項目及面上項目的研發工作,發表過高水平論文(IF=17),關注行業前沿發展,對合成生物學、核酸生物學與核酸藥物、細胞治療與基因編輯等領域有深入研究。

本文為轉載內容,授權事宜請聯系原著作權人。

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合成生物學,這個尖端的復合學科,或將重塑這世界上大多數物質的生產方式,重塑經濟與產業的運作形式,重塑人們的生活,并且帶來極其可觀的經濟利益。

文|融中財經

2022年5月,國家發改委發布《“十四五”生物經濟發展規劃》,提出“十四五”期間,要推動生物技術和信息技術融合,加快發展生物醫藥、生物育種、生物材料、生物能源等產業,做大做強生物經濟。合成生物學以工程學思想高度整合了生物技術、基因工程、分子工程、系統生物學等多領域的技術和解決方案,已經催生了諸多的新業態和巨大的市場機會。

據麥肯錫預測,全球經濟活動中60%的實物投入能夠使用生物技術生產獲得,其中1/3為天然生物材料,2/3為可被替代的非生物材料;在2030-2040年間,合成生物學將每年為全球帶來2-4萬億美元的直接經濟效益。

合成生物學,這個尖端的復合學科,或將重塑這世界上大多數物質的生產方式,重塑經濟與產業的運作形式,重塑人們的生活,并且帶來極其可觀的經濟利益。合成生物學的產業應用正在逐步探索中,發酵工程、醫療健康、綠色能源、農業及食品等諸多領域,或可期待在不久的未來,迎來畫龍點睛的一筆。

合成生物學如何改變世界

如果說人類發展的本質,就是對自然環境的利用和改造,那么生物資源可謂是自然環境中最大的主體,也是我們謀求未來發展的最大寶藏。遠古時代,茹毛飲血以果腹,鉆木取火以求生;而后萬年,古代農業長足發展,發現中草藥,使用抗生素,以轉基因技術、太空輻射育種,石油、煤炭成為現代能源化工行業的基石……人類直接或間接地利用生物資源,然后對其進行不斷地改造,使生物體更加符合人類的發展需要。

野生香蕉與野生玉米[1]

我們食用的水果和糧食,經過數千年的培育,其樣貌早已距最初有了天翻地覆的變化。再比如青霉素,經過不斷選育,其產量已較初期40單位/ml提高了2500倍,從價比黃金到廣泛應用于臨床。過往的生物體改造取得了巨大的成就,但這些改造往往是漸進的、孤立的,僅局限于增強生物產物,而欠缺于創造出具有全新功能的生物體。

合成生物學,或許是能夠解決這個巨大痛點的最有效方式。合成生物學并不是某一種里程碑式的新技術,而是一個高度交叉融合的新領域,它綜合了生物技術、基因工程、分子工程、系統生物學等多個領域的技術方法,并將工程學的標準化、去耦合和模塊化的思想融入到生物改造中,在諸多領域中的現有技術上不斷突破。

對合成生物學的常見誤區是將其等同于生物合成或者說發酵工程。顧名思義,合成生物學即是合成出生物體,而生物合成,則是以生物體去合成其他物質,因而合成生物學更多是為生物合成或發酵工程提供定制化的生物體。合成生物學的目標是“定制”合成生物元器件、生物體、生物系統等目標產物,并且將其過程標準化。

合成生物的兩種途徑[2]

總體來說,合成生物有兩種途徑,Top-Down(自上而下)和Bottom-Up(自下而上),前者向現有細胞中引入新功能,后者則是直接創建新的生物元器件,并通過搭建元器件形成更為復雜的生物系統,直至創造人工細胞和人工多細胞生命體。而合成過程的標準化,類似排列組合搭積木。將設計好的具有特定功能的生物元件,用工程學的的思路,輔以DNA合成、DNA組裝、基因編輯等技術手段,共同完成一套生物體系的定制合成。

就合成的不同級別而言,合成生物學可以分為分子級別、亞細胞級別、細胞級別、組織乃至以上級別。分子級別的合成是改造一切生物體的基礎,而細胞級別的合成,則是為目前在發酵(底盤細胞改造)、醫學(各類免疫細胞療法、溶瘤病毒)等各個領域的應用直接提供材料。

在分子級別的層面,應用最為廣泛的方法是通過生化手段合成寡核苷酸、肽段、甚至全基因。在亞細胞層面上,主要開展的是關于人造細胞器的研究,比如人工合成葉綠體、線粒體、染色體,以實現特定功能。目前最受關注的是細胞級別的合成,通過改造細胞,既可以生產長鏈二元酸、角鯊烯、法尼烯等特定物質,也可以在細胞或病毒的現有基礎上構建特殊功能。最具代表性的技術是改造免疫細胞,在免疫細胞上增加嵌合抗原結構,以形成對腫瘤識別能力更強的Car-T技術。

就組織及以上級別而言,合成技術目前尚處于研究階段,研究方向包括生物打印技術、依托支架形成人工組織等等。類器官是目前研究進度較快的方向,通俗來講,就是在患者體外構建一個類似體內的器官環境,形成患處器官的“替身”,在“替身”上針對性給藥,從而更加精準地篩選藥劑并確定劑量,最后轉移至患者身上完成實際治療。

以上,我們初步揭開了合成生物學的神秘面紗。我們傾向于將合成生物學稱為一種能量巨大的“新路徑”,其標準化定制合成模式的應用范圍遠遠不限于特定物質的制造,而是廣泛地觸及醫療、能源、農業、環境等多個產業。合成生物學,既是開啟未來經濟和產業新格局的鑰匙,也是重塑人們未來生活新面貌的畫筆。

合成生物學與部分學科的交叉關聯關系

合成生物學是發酵工程升級換代的“催化劑”

在合成生物學眾多的應用領域中,發酵工程是目前最主流、最受關注的領域。發酵是人類利用微生物最早的典型案例。現代通過發酵工程生產的產品眾多,傳統產品如酒精和醋酸,醫藥產品如胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗,農業產品如殺蟲劑、發酵肥料、生物除草劑,化工產品如氨基酸、香料、酶、維生素、各類蛋白質和其他生物高分子等等。

合成生物學在發酵工程中的應用,主要是通過使用生物體生產維生素、氨基酸、聚合物材料等目標產物,或為生物合成、生物發酵等提供符合特定條件、滿足特定功能的菌株,最終通過消耗生物完成合成。根據McKinsey(麥肯錫,全球管理咨詢公司)的統計數據,人類目前所使用的約70%的材料可以通過發酵工程產出,而使用合成生物學創造的生物體作為原材料,能夠極大地增強發酵工程的速度和質量。

合成生物學在發酵工程中應用的核心技術問題是對代謝途徑的掌控。如果目標產物的某些基因不適合大規模培養,那我們就可以將其引入到易于培養的底盤細胞中,進而以通用、節能、環境友好的微生物發酵工廠代替大型養殖場、農場和需要特殊條件的微生物培養器,此類操作被稱為天然合成途徑在培養友好生物體中進行的異源表達。

要實現對代謝途徑的精細操控,則需要進一步對代謝通路鏈條進行精確動態調整,使通路中的各種酶及中間產物的活性和表達量恰好等于最佳代謝通量,從而避免酶和中間產物的不足或過度累積影響最終產物的產出量。此外,還需要將合成生物學設計的基因回路,在特定時間、環境條件下進行切換,使不同的基因回路在合宜的情況下轉換為代謝通路,以實現菌體生長和生產的動態平衡,達到生產效率的最大化。

合成生物學還可以為發酵工程增加各類功能,以降低培養要求和成本,加強代謝能力。例如,在好氧培養中,我們可以在底盤細胞中增加表達氧氣運輸的相關蛋白,使細胞獲取氧氣的能力更強,提升培養密度,降低對培養環境的需求。

合成生物學在發酵工程中的應用,可以概括為“升級換代”,往往是以新的生物代謝途徑生產已形成一定市場格局的材料。

以紫杉醇的生產為例。紫杉醇提取自紅豆杉屬的植物樹皮組織,是第一個在天然植物中提取的化療藥物,它的問世被譽為1990年代國際抗癌藥物的三大成就之一。紫杉醇至今仍然是腫瘤化療治療中的常見藥物之一,它可以通過穩定和增強微管蛋白的聚合能力來抑制微管解聚,進而抑制細胞的有絲分裂,輔助達到化療效果。

歐洲紅豆杉/SiGarb攝,發布于Wikimedia Commons

紫杉醇的主要來源是紅豆杉,但天然紅豆杉的生長周期長達100-250年,僅就紅豆杉成材而言,也需要15-20年時間。紅豆杉樹皮中,紫杉醇的含量僅有萬分之一至萬分之六,砍伐一棵天然紅豆杉僅能提取不足1克的紫杉醇。

1990年,中國人均GDP約為1700元人民幣,但1克紫杉醇的最高售價已經達到了2000美元。面對如此昂貴的成本,病人難以負擔,盜挖紅豆杉現象猖獗。云南省擁有中國80%、世界50%的野生紅豆杉,2002年云南省森林公安的抽樣調查顯示,92.5%的紅豆杉被剝皮或被伐,云南紅豆杉遭遇了毀滅性的破壞。

因此,科學家們不斷探索人工生產紫杉醇的方式,化學合成/半合成途徑較早打通,但因步驟多、收率低而無法實現商業化,仍然難以擺脫對紅豆杉資源的依賴。但現在,通過合成生物學技術的不斷發展迭代,同時拯救腫瘤患者與野生紅豆杉已成為可能。

最初合成生物學是通過直接大規模培養紅豆杉細胞來生產紫杉醇,此種方法雖然大大減少了對空間的占用,但依然存在種種問題,例如紅豆杉細胞的生長速度較為緩慢,紫杉醇對細胞的毒性會遏制細胞的有絲分裂,褐化現象難以克服等,因此這種組織培養方案難以實現大規模產業化。因此,尋找一種生長更快速、對紫杉醇耐受性更高的底盤細胞,將異源的紫杉醇的代謝途徑轉入底盤細胞,就成為了新的研究熱點。

紫杉醇的代謝途徑是一個復雜的代謝網絡,而非簡單的線性途徑。其代謝需要經歷三個部分的反應,每個部分的反應都十分復雜,且其中第二部分的機制尚未明確,對其中可能涉及多種代謝途徑的P450羥化酶的研究尚待發展。即便目前還面臨諸多困難,但借助合成生物學,科學家們已經能夠通過大腸桿菌或酵母等生物材料生產出紫杉醇的前體物質,此類前體物質能夠在生物合成過程中結合到紫杉醇分子中,從而較大提高紫杉醇的產量。紫杉二烯是目前產量較高的紫杉醇前體物質,其產量已經可以達到1g/L,較自然提取的產量已實現了巨大的進步。結合時間周期來看,通過合成生物學生產紫杉醇,其發酵周期通常不到一個月,也就是說,一個1L培養罐的單月產出的前體物質經處理后得到的紫杉醇,就相當于一棵15-20年紅豆杉的提取量。

盡管合成生物學對紫杉醇代謝方式的掌握未臻化境,尚未繞過前體物質,實現一步到位直接產出紫杉醇,但即便不計物價水平因素,紫杉醇價格也已經從上世紀90年代初的每克最高2000美金,降低至如今每克約300元人民幣。合成生物學在紫杉醇生產上的應用,已使得更多病人能夠享受到更好的藥物,并使得紅豆杉的植物種群開始逐漸恢復。

由此可見,合成生物學能夠放大生物代謝的優勢,使生產過程變得更加高效和環保,并獲得更低的生產成本和環境成本,形成更大的市場競爭優勢。對于企業來說,擁有能夠與大規模生產過程高度結合的生物改造技術,將成為建立和鞏固核心競爭優勢的關鍵,企業所選擇的目標產物和現有市場格局,也會成為影響企業發展的重要因素。

合成生物學全方位優化醫療產業

醫療產業發展高度依賴新技術的研發突破,其中,生物材料研究對生物相容性的要求較高,即需要使材料在進入生物組織后能夠在機體特地部位引起恰當的反應,兩者循環作用直至達到特定目標。對比合成生物學的底層邏輯可見,生物相容性是與之高度契合的重要研究主題。

合成生物學在醫療中的應用主要包含三個方面,分別是醫療預防、診斷和治療。

在醫療預防方面,合成生物學主要通過優化疫苗或提供核酸疫苗發揮作用。相較于滅活疫苗,減毒活疫苗的作用時間更長、免疫力更強,已經成為部分傳染病最簡單有效的長效疫苗,但目前多數傳染病尚未研有成熟的低毒性疫苗。合成生物學的密碼子優化技術能夠對病毒基因組進行負優化,如通過大規模同義突變重設病毒基因組,在不了解病毒功能的前提下降低病毒毒性,快速生成減毒毒株。該項技術已經在部分疫苗的I期臨床中得到應用,具體包括CodaVax-H1N(甲型H1N1流感的減活疫苗)、CodaVax-RSV(抗呼吸道合胞病毒活疫苗)、CDX-005(SARS-CoV-2減活疫苗)等。

除優化減活疫苗外,合成生物學也是制造DNA和RNA疫苗的基礎。合成生物學能夠利用相關技術直接合成核酸分子,將編碼病毒成分的DNA或RNA通過疫苗引入人體細胞,進而實現與自然感染相同的病毒抗原誘導細胞免疫和體液免疫過程。此種疫苗制造方法具有設計速度快、生產過程簡單、可選擇靶點范圍廣的優勢,能夠為疫苗的研發提供更大空間;同時,其免疫反應強,能夠提升疾病預防效果。

在醫療診斷方面,利用生物合成技術設計具有特定分子相互作用的生物組件,可以實現實時高效、高敏感性、高特異性的非侵入式檢測,其適用范圍涵蓋癌癥細胞、代謝產物、感染因子、毒素等,該種解決方案已在部分非傳染性癌癥、冠狀動脈疾病、傳染性疾病(如埃博拉、寨卡、結核病、瘧疾、艾滋病、新型冠狀肺炎等)以及其他診斷中(如血常規定量分析等)推進臨床前研究。

此種檢測方式的設計思路可以概括為構建感應器(Sensor)、處理器(Processor)和報告器(Reporter)。感應器負責感應體內或體外環境的目標信號,處理器負責將感應器收集的信號根據醫學標準分類為臨床類型,最終由報告器將分析結果以易于檢驗的形式輸出。除構建新結構外,合成生物學也可借由蛋白的定向改造技術,為現有的體外診斷方案提供性能更優的原料(例如酶),推動診斷方案的改進;還可以構建出與人體器官相近的類器官,在藥物的篩選、臨床的伴隨診斷中起到重要作用。

治療階段是合成生物學最重要的醫學應用領域,利用生物合成技術生產的目標生物體能夠直接應用于細胞免疫治療、工程菌靶向治療等治療方式。其中,細胞免疫療法是最能體現合成生物學技術先進應用的領域之一,其核心原理為利用生物合成技術改造細胞,以精準地控制細胞功能,為患者提供長期持續的疾病管理。極具代表性的Car-T療法(Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy,嵌合抗原受體T細胞免疫療法,本文簡稱“Car-T療法”)已經在血液癌治療中取得了可觀成效,Car-T療法是在T細胞表面添加嵌合抗原受體,以增強與腫瘤細胞表面的特異性抗原結合和T細胞激活能力。將嵌合抗原受體添加至不同的免疫細胞,則可分化出Car-NK、Car-M等多種衍生療法。

隨著合成生物學的進步,可以設計出更多的類似于嵌合抗原受體的標準化、模塊化的生物元器件,并排列組合出大量通過感受器接收特定分子信號并通過基因回路處理引發一系列下游反應的高度特異性細胞療法,提升療法的有效性和安全性,為各類療法的進一步發展提供無限可能性。

合成生物學通過系列改造創造特異性的細胞療法[3]

除改造細胞外,合成生物學還可以改造細菌和病毒,生成靶向腫瘤微環境的溶瘤細菌/病毒,起到載藥、募集免疫細胞殺傷癌細胞的作用。例如,經過改造的具有表達腫瘤相關抗凋零抗原的減毒沙門氏菌CVD908ssb-TXSVN,能夠促進細胞毒性T細胞浸潤腫瘤,增強識別與殺傷腫瘤細胞的能力。

在臨床治療方面,由合成生物學支持發酵工程獲得的材料和藥物亦能夠發揮顯著作用,在胰島素、抗生素、激素、免疫抑制物等諸多臨床藥物的生產中,發酵法已實現對天然提取法或化學合成法的替代。合成生物學產生的其他材料,如合成透明質酸和人工眼角膜,以及研發需要的具備生理相容性的粘合劑、靶向遞送藥物的藥物載體等,均在臨床工作中扮演著重要角色。

隨著組織及以上級別合成生物學的發展,我們或可期待在臨床治療中實現更多跨越式的創新應用,例如通過紅細胞改造生產無抗原識別的“代血液”,以克服血型匹配困難并免除輸血反應危險;利用生物打印技術在固定框架中注入細胞形成人造組織乃至形成器官,以解決由衰老、疾病、事故或先天缺陷導致的組織或器官衰竭難題。

合成生物學為綠色能源、能源安全提供支撐

2022年8月18日,科技部等九部門聯合印發了《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》,提出重點研究一批碳中和前沿和顛覆性技術,支持單位GDP二氧化碳排放量和能源消耗的下降。據世界自然基金會(WWF)預估,截至2030年,生物制造每年可減少二氧化碳排放10-25億噸,成為實現碳達峰、碳中和目標的重要方式之一。

合成生物學的生物制造過程兼具綠色環保與降本增效優勢,現階段主要通過發酵工程將可再生生物質轉化為燃料,減少碳排放,創造出綠色能源新選擇,為解決存量燃油機械的環保問題提供方案,并基于其可再生性成為能源安全的新保障。

合成生物學在能源開發領域主要應用于燃料乙醇的生產。燃料乙醇的生產主要可以分為將淀粉發酵轉化為乙醇和將纖維素發酵轉化為乙醇(淀粉和纖維素均為葡萄糖連接成的多糖,連接方式不同)。淀粉多數來源于糧食作物,其發酵難度低,轉化技術已十分成熟,但存在與民爭糧的風險;使用纖維素轉化燃料乙醇則需大量消耗木屑、秸稈等木質作物,雖然原料價優易獲取,但其原始成分木質素成分較為復雜,預處理工序提高了轉化過程的總體成本。

合成生物學為生物燃料的可持續生產提供支持[4]

美國和巴西作為世界農業大國,在燃料乙醇的生產上具有顯著優勢。美國的玉米種植成本較中國低近40%,其燃料乙醇的價格已經較石油具有一定競爭力,美國也由此成為當前世界上最大的車用乙醇汽油生產和消費國。巴西的甘蔗生產量居全球之首,這為燃料乙醇提供了充足的原料,巴西也成為了世界第二大燃料乙醇生產國。

我國目前是世界第三大燃料乙醇生產和應用國。出于對糧食安全問題的考慮,我國的燃料乙醇生產方式正逐步向采用非糧經濟作物和纖維素原料綜合利用方式轉變,當前的主要研究課題為如何借助合成生物學遴選恰當的工程菌,以接近或低于傳統方法生產乙醇的成本,增強綠色能源的市場競爭力。

總體來說,通過合成生物學生產乙醇仍面臨成本較高、與人爭糧、與糧爭地的問題。但隨著合成生物學的不斷發展,科學家們正在研究新的菌類和藻類,尋求以更多形式生產可持續、環境友好的生物燃料的途徑,如通過定制工程菌生產異丁醇、氫氣和甲烷,以及將甲烷等氣態燃氣轉化為燃料,但進入產業化生產還尚需時日。

合成生物學或將顛覆農業和食品面貌

合成生物學在農業和食品領域具有極大的發揮空間。植物生長發育需要大量的營養元素,主要包括碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣等,營養元素的不足會導致植物遭遇長勢衰弱、病蟲害頻發、品質低下、產量減少等諸多問題,而合成生物學能夠重建相關問題的解決方案。

合成生物學能夠通過物種性能的優化實現植物性能的增強,在植物種植、食品生產、生態循環等多個環節構建新的想象。

例如使用代謝工程的相關技術能夠研究植物的代謝途徑,通過增強合成途徑、減少呼吸等消耗途徑,提升固碳能力,幫助作物合成更多淀粉,增加糧食作物的產量;還能夠定制固氮共生菌,使原本不具備固氮能力的植物可以通過共生關系從空氣中獲取氮元素,以減少對土壤中氮元素的依賴,從而增加土壤肥力。

合成生物學還能夠將活性物質在植物中進行表達,優化不同營養元素的配比,提高植物的成長效率,減少肥料的使用;或在農產品中增加新物質,例如在大米中添加胡蘿卜素,提高食物的營養價值。植物抗逆性的提升亦可以借助植物合成生物學來實現,通過構建并導入高效的抗逆元器件,植物的抗倒伏、抗蟲抗病害能力得到提升,農藥使用量隨之減少,同時為農業操作提供有利條件。

合成生物學在營養學和農業中的應用前景[5]

合成生物學還能夠借助生物發酵技術改變糧食的生產形式。在“人造肉”領域,用以制作大眾熟知的“素肉”所需的大豆蛋白即可使用酵母菌生產;而通過培養肌肉細胞等方式生產“實質性肉類”的應用,尚處于研究階段,且其成本近乎“天價”,在短期內或難以降低。目前“人造肉”生產主要通過酵母菌和動物細胞培養完成,通過光自養生物等制造動植物蛋白是產業未來的發展方向,尚處于理論研究階段。

光自養生物是指某種能夠利用陽光的能量將二氧化碳轉換成淀粉、并作為其他植物或動物食物的植物,可以理解為有光合作用能力的底盤細胞。培養此種細胞構建食物工廠,取代占地面積較大、單位產值較低、環境變化較大的農田,能夠進一步加強對糧食安全的保障。

使用生物發酵技術生產的產品還能夠為農業和下游提供和處理材料,如提供農用塑料膜等農業材料、食品添加劑等食品飲料成分,或協助處理污水、秸稈等農業廢棄物。

由于合成生物學仍處于發展階段,學界及大眾對其潛力和風險尚未完全了解,其應用面臨著科學、倫理等多方面的爭議,故其在農業和食品領域的大規模應用尚需時日。

合成生物學企業的三種商業模式

隨著合成生物學研究的拓展和深入,產業中聚集的企業數量不斷攀升。依據其業務類型,合成生物學企業可以劃分為三類,分別是以生物體或化學產品為目標產品的產品導向型企業、基于自有通用設計平臺提供生物體改造服務的服務型企業以及針對合成生物學專項技術研發的研發型企業。

產品導向型企業大多為高新制造業或新型生物醫藥技術企業,是目前合成生物學賽道的主流玩家,其更加專注于產品所在市場的專項研究,并在尋求產品性能改良和生產成本降低的過程中引入合成生物學技術。此類企業的價值本質上由其核心產品的主要研發技術決定,而合成生物學則作為對產品增益的價值提升工具存在。

與前者不同,服務型企業的核心競爭力在于其自有的合成生物學資源和技術,如豐富的基因庫和細胞資源庫,以及設計和高通量篩選適用于不同產品生產的底盤細胞能力。服務型企業通常由產品導向型企業轉化而成,其核心業務逐步過渡為向后者提供服務,以規避大規模生產和銷售特定產品帶來的商業風險。這類企業與賽默飛(Thermo Fisher Scientific,全球科學服務領域巨頭)等同樣具有合成生物學所需各項技術和試劑科研巨頭的核心差別,是能否將合成生物學各項技術有機地結合起來,并形成設計生物體的通用平臺的能力。服務型企業的成長發展與合成生物學產業的發展休戚相關,目前占據領先地位的多為國外企業,我國僅有部分企業尚處于轉型階段。

研發型企業則常見于科技高度發達的學術集群,企業業務重心在于技術創新,其研究方向大多專注于合成生物學的某一個技術環節。此類企業通常小而精,公司經營成敗完全取決于技術研發成敗,但也因其技術精深,企業常常獲得產業巨頭青睞,易于獲得收購。

結語

合成生物學是一個新的概念,卻并不是一個全新的領域。合成生物學結合運用的諸多技術早已在各個領域有廣泛的應用,但合成生物學通過結合工程學思想,對生物學已有技術進行了重新定義,大大增強了對生物體的改造能力。因此,不同于基因編輯等賽道是由特定核心技術驅動開創出全新領域的突變模式,合成生物學是隨著大量支持技術性能提升和成本降低、逐步進入商業實踐去更好滿足現有需求的由量變到質變的漸變過程。

我們認為更應該從需求端而非供給側去思考合成生物學賽道的投資機會,重點關注當前的高需求賽道中,有哪些合成生物學企業具備以低成本滿足現有需求的能力,而非由具有某些合成生物學產品供給能力的企業為出發點,去尋找其產品的可應用方向。

引用:

[1] Here's What Fruits and Vegetables Looked Like Before We Domesticated Them. Science alert, https://www.sciencealert.com/fruits-vegetables-before-domestication-photos-genetically-modified-food-natural

[2] Verhamme DT, Arents JC, Postma PW, Crielaard W, Hellingwerf KJ. Investigation of in vivo cross-talk between key two-component systems of Escherichia coli. Microbiology. 2002;148(Pt 1):69-78. doi: 10.1099/00221287-148-1-69.

[3] Kitada T, DiAndreth B, Teague B, et al. Programming gene and engineered-cell therapies with synthetic biology[J]. Science, 2018, 359(6376): eaad1067.

[4] 16 Important Pros and Cons of Biofuels to Know, Our Endangered World, https://www.ourendangeredworld.com/energy/pros-and-cons-of-biofuels/

[5] Roell M S, Zurbriggen M D. The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2020, 61: 102-109.

注:文章僅為作者個人觀點,不代表公司立場,不涉及任何投資建議。市場有風險,投資需謹慎。

作者簡介:

夏椰,光谷創投高級分析師

中國科學院動物研究所博士,有豐富的科研經驗,承擔或參與過國家重點研究計劃子項目及面上項目的研發工作,發表過高水平論文(IF=17),關注行業前沿發展,對合成生物學、核酸生物學與核酸藥物、細胞治療與基因編輯等領域有深入研究。

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