合成生物大风起:2024规模破千亿、细分赛道复合增速近64%丨黄金眼

  在全球碳中和背景下,一场生物制造的浪潮——合成生物,将成为持续大风口。

  2022年8月18日,科技部等九部门联合印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022——2030年)》,到2025年实现重点行业和领(域低碳关键核心技术的重大突破,支撑单位国内生产总值(GDP)二氧化碳排放比2020年下降18%,单位GDP能源消耗比2020年下降13.5%。

  到2030年,进一步研究突破一批碳中和前沿和颠覆性技术,支撑单位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上,单位GDP能源消耗持续大幅下降。

  碳中和目标日益紧迫之下,能利用前沿颠覆性低碳技术引领实现产业和经济发展迭代升级的合成生物,被称为实现碳达峰、碳中和目标的主流通道之一,当前热度也日益高涨。

什么是合成生物?

  合成生物学是指在工程学思想指导下,按照特定目标理性设计、改造或者从头重新合成生物体系,简单来说就是通过DNA基因层面的设计通过多组学方法生产想要的各类产物,其涉及生物学、生物信息学、化学、计算机科学等多个学科的交差。

  合成生物学的核心研发思路,在于通过基因编辑技术改造或构建最基础的生物功能执行者——蛋白质,并指导蛋白组装为新的生物功能装置。

  当前合成生物学主要应用方式表现,是通过基因编辑技术改造工程菌等微生物,高效经济地合成产品。在这些产品中,青蒿素前体、大麻素、L-丙氨酸等均受到社会高度关注,在医学、化工原料、生物燃料、消费品及农业领域引起新的生产方式变革。

  通过合成生物学,一些传统方法生产成本高、难以大批量工业化生产、生产过程中碳排放较大的产品痛点正在被逐渐解决。

  合成生物学的长远发展,仍要解决四大主要技术难题。

  第一个就是关键元件(DNA序列)的挖掘/合成,基因设计作为底层技术,是合成生物学发展必需技术。绝大多数具有生物活性的天然产物,决定其生物合成的众多基因元件都不清楚,因此,挖掘出合成途径中的关键基因元件尤为重要。

  之后进行的是底盘细胞优化,即如何选择最适合的菌株,如何改造最适合的菌株。接下来是代谢途径/基因表达途径的构建和产物鉴定,由于产物种类众多,功能鉴定又具有独特性,所以难度最大。最后还要解决分离纯化、放大量产,因为从实验阶段扩大生产也同样是难点。

  当前,合成生物已经在多个领域落地实现初步产业化。

  

信息来源:《合成生物学》,《生命科学》

各应用领域中都见合成生物身影

  合成生物学在基因设计、菌株改造、产物功能性质的鉴定、分离纯化、放大量产等方面存在多学科知识交叉,且多环节都有高技术壁垒,需要企业长时间经验积累,目前国内外尚未出现真正的合成生物学领军者。

  目前可以看到在医药领域,Amyris公司的研发团队在JayD.Keasling教授带领下实现基于合成生物学技术的青蒿素前体合成,大大优化了其合成途径。

  同时,合成生物学科学家还在癌症、遗传、代谢类疾病等领域深耕,部分因基因缺陷或遗传突变的苯丙酮尿症患者,因肝脏中的苯丙胺酸氢化酶缺乏或失活会造成苯丙氨酸难以代谢而持续积累,Synlogic公司正在不断尝试通过经过改造的肠道微生物解决苯丙氨酸的代谢问题,目前该研究进度已进行到三期临床,有望缓解更多病人的痛苦。此外,食品级乳酸菌的合成生物学改造同样被列为有希望的Ⅰ型糖尿病疗法。

  工业领域,凯赛生物利用生物法发酵生产长链二元酸并替代化学法市场,百斯杰则在2014年推出了首个具有自主知识产权的工业酶产品普鲁兰酶,打破了海外公司在工业酶领域的垄断。

  通过工程化、自动化变革,合成生物在医药、工业、消费、农业等多个领域落地实现初步产业化。

  随着政策、资本、技术等多重因素驱动,合成生物正在迎来产业化加速阶段。

  

信息来源:麦肯锡

多因素共振行业进入爆发期

  近年来,关于推进合成生物发展的政策频发。

  合成生物学发展符合我国“双碳”目标的实现,与传统技术路线相比,更环保、成本优势更明显。2020年以来,无论是国家发改委、科技部、工信部还是各主要经济地区,均发布了关于推进合成生物发展的政策。

  2022年5月10日,国家发改委发布的《“十四五”生物经济发展规划》中,明确指出包括合成生物学在内的生物经济,是未来中国经济转型的新动力。

  

图/公开资料整理

与此同时,底层技术成熟带来的成本下行,为合成生物高速发展奠定了基石。

  底层技术的发展成熟为合成生物学的飞速发展提供支持。直观体现在近年来基因测序、编辑及DNA合成、组装技术不断进步所带来的技术成本降低,近20年内DNA合成单碱基的成本降低了百倍以上。

  上游公司通过设计开发高通量平台实现了DNA合成等技术的自动化,基因测序、合成的规模效应为合成生物学技术公司开发产品解决了后顾之忧。同时基因合成技术进步使得合成基因的长度及稳定性都有较大幅度的提升,为合成生物学技术开发提供了更多的方向,越来越多具备新功能的生物元件成功开发。

  

数据来源:BioeconomyCapital

  从学术领域的角度来看,近五年迎来了基础研究的爆发式增长,也一定程度说明了底层技术突破所带来的动力和发展可能。我国合成生物学领域论文数量占比近五年内飞速提升,已占到发文总量的62.1%,越来越多的合成生物学公司在这些基础研究带动下出现了。

  

  资本端的投融资快速增长,更是直观体现出了行业的爆发态势。

  2009-2020年,全球合成生物学初创公司共计获融资额215亿美元,而在2021年达到180亿美元,单年获融资额占过去12年比例超80%,2021年已成为合成生物学投资的重要节点。其中第三季度单季度融资额为61亿元,为历史单季度最高水平。

  同样在国内,2015-2020年间每年的合成生物学领域投融资数量仅有个位数,直到2021年增长到16例;投融资金额方面,2018年金额实现高度增长至26.71亿元;2020年、2021年分别为21.6亿元、22.95亿元。

  

数据来源:Synbiobeta

  此背景下,合成生物行业总规模2024年将超千亿。

  前瞻产业研究院测算,全球合成生物学市场规模至2020年已达到68亿美元,2025年将达到208亿美元,复合增长率28.8%。目前合成生物学在各个领域均保持高速增长的状态,根据BCCResearch预测,医疗领域合成生物学2024年市场规模将达到50.22亿美元,复合增长率18.9%;在各领域中增长最快的是食品和农业领域,2019-2024年期间年复合增长率在64%左右。

产业链相关企业静待市场红利起

  当前阶段,合成生物学产业链由上、中、下游三类公司构成。

  上游企业专注于提供DNA测序、合成、编辑等底层技术服务,随着上游订单服务量的增多,具备底层技术优势的公司在服务研发过程中积累了大量的DNA合成与生物元件设计方面的经验。这些宝贵的经验以数据库的形式搭配“搜索引擎”,为中游及下游企业提供服务时更简便、准确。

  中游是以菌株改造、筛选等生物合成技术和工艺研发为主,并致力于自动化、工业化生产转化的平台型公司。平台型公司与下游企业展开商业化合作,加速合成生物学产品产业化进程。

  下游是利用合成生物学技术生产不同领域产品的产品型公司,旨在对传统合成技术进行补充或替代。在其商业化、规模化过程中需要体现合成生物学合成技术经济高效等核心竞争力,因此选品是否合适对产品型公司至关重要。

  其中,金斯瑞依托了基因合成业务优势,于2013年孵化出南京百斯杰(Bestzyme),正式进军工业酶制剂领域。2014年百斯杰成功开发了具有自主知识产权的首个产品普鲁兰酶,2016年扩充了动物饲料酶/添加剂业务线,2018年将综合产能规模扩大至了15万标吨。

  目前百斯杰在国内工业酶制剂企业内收入增长率位列第一,未来还会往人造肉、医药中间体等领域拓展。

  作为国内酶制剂领域头部企业的诺唯赞,由于合成生物学底层技术相同,所以在使能技术上具备优势,公司合成生物学业务于2022年刚刚起步,目前主要以医美领域的多肽产品为主,后续随投入逐渐增加,将会拓展到化工、医药中间体等领域。

  凯赛生物则是国内合成生物学龙头企业,已经实现了生物法长链二元酸(DC10-DC18)和生物基戊二胺、生物基聚酰胺(泰纶、E-2260、E-1273、E-3300、E-6300)等产品的产业化生产和商业化放量,目前各产品线也在积极扩产当中。

  从行业地位来看,公司在已经成为全球长链二元酸的主要供应商,基本上承担了国外的需求,在国内市场份额约在9成左右。

  华恒生物则是合成生物学丙氨酸龙头企业,主要从事氨基酸及其衍生物产品研发、生产、销售的高新技术企业,主要产品包括丙氨酸系列产品(L-丙氨酸、DL-丙氨酸、β-丙氨酸)、D-泛酸钙和α-熊果苷等,可应用于日化、医药及保健品、食品添加剂、饲料等众多领域。

  经过多年的创新发展,公司已经成为全球领先的通过生物制造方式规模化生产小品种氨基酸产品的企业之一,丙氨酸系列产品生产规模位居国际前列。

  华东医药则是在工业微生物领域不断发力,通过投资并购及企业合资,形成了以珲达作为早期工艺研发,华昌高科(核苷)、九阳生物(高端抗生素原料)、湖北美琪(大健康)作为后期规模化生产的架构,终端应用覆盖ADC毒素、高端原料药/中间体、核苷、营养原料、医美原料等。

  而深耕生物发酵十余年的金城医药,在谷胱甘肽之后,近两年商业化了包括腺苷蛋氨酸、虾青素、PQQ、烟碱和4-AA等在内的合成生物学相关产品,其中腺苷蛋氨酸今年三季度扩产达产、烟碱产能开始爬坡、4-AA产能投放、年底虾青素达产,在研产品十余个。

  随着行业热度不断上行,合成生物相关企业受到资本市场的关注度也将持续提升。

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