华安证券-合成生物研究深度报告

合成生物深度系列报告一：以生物造万物，构建 AI+新质生产力新业态

合成生物学是一门基于工程化的设计理念，结合生物学、化学、医学、农学、工程学、计算机与数据科学等交叉学科技术，旨在设计和构建新的生物系统，以实现特定的功能。合成生物学本质是让细胞为人类工作生产想要的物质，秉持系统生物学“自上而下”的“分析”理念设计细胞工厂，结合“自下而上”的“建造”理念构建细胞工厂，形成闭环的正向工程 。针对特定需求，合成生物学将运用微生物细胞工厂构建技术、微生物高效合成化学品的代谢调控机制、无细胞合成技术等主要技术工具，设计构建元器件或模块，通过这些元器件对现有自然生物体系进行改造和优化，或者设计合成全新可控运行的人工生物体系，最终满足需求。在实际生产路径上，合成生物学工艺主要包括以生物酶催化为核心的体外合成生物学法、以微生物细胞工厂为核心的体内合成生物学法，以及利用合成生物学技术优化部分原路径的化学合成法。

1.1 合成生物学与传统发酵工程、基因编辑技术的区别

合成生物学和发酵工程的区别在于合成生物学可以对细胞进行定向性干预，将被动筛选转为主动设计，大幅提升细胞工厂代谢效率、更高效地生产目标物质。发酵反应是通过对微生物（或动植物细胞）进行大规模的生长培养，使之发生化学变化和生理变化，从而产生和积累大量所需要的代谢产物的过程。与传统的微生物发酵相比，合成生物学技术加入后的进步之处在于它可以使代谢过程从反向工程优化到正向工程，不再培养大量菌种并筛选、以期获得高效生产细胞工厂，而是从需求入手，通过对代谢路径的重塑和工程化，直接改造细胞工厂，使底盘生物实现其特定的生物学功能。

合成生物学为传统发酵提供了工程化、模块化、标准化的工具，提高了传统发酵的能力圈。在传统的发酵过程中，人们对细胞的认识比较有限、通过细胞功能确定生产产品，后续产品优化则主要来源于对菌种进行改造或大量筛选，进而研究 DNA、蛋白和代谢物对提升产品性能的影响。合成生物学出现后，人们可以对生物元件进行定性和定量，以此为基础重新组装元件，创造新功能。合成生物学的引入大大提高了传统发酵的能力圈，不仅可以利用相对简单的方法提高产品的质量和生产效率，还能生产原本不能生产或原本效率低下的产品。

合成生物学的主要工具包括微生物细胞工厂构建技术、微生物高效合成化学品的代谢调控机制、无细胞合成技术。微生物细胞工厂（microbial cell factories，MCFs）是绿色生物制造的核心环节，也是合成生物学重要的产业化工具。利用微生物强大且多样的生化反应网络，通过对代谢路径的重塑和工程化，可以将微生物细胞改造为能够以低价值可再生资源为原料生产各类产品的微生物细胞工厂，使底盘生物实现其特定的生物学功能。利用合成生物学方法对自然界中微生物进行改造可以提高其利用可再生生物质资源合成不同化学品的能力。也正因为这一特性，微生物细胞工厂适用于生产细胞代谢工程中的各类物质。

合成生物学与基因编辑技术包含范围不同，基因编辑技术是合成生物学改造微生物过程中使用到的技术工具之一。在生物化工产业链中，微生物细胞工厂是主要的反应单元。在改造或创制这些微生物的过程中，需要对底盘生物基因组进行“读-改-写”，使用基因“测序-编辑-合成”技术，精简、插入或重构底盘生物基因组。传统的基因编辑方法如同源重组，存在打靶效率低、操作时间长和操作繁琐等问题。为了解决这些问题，基因编辑技术从第一代锌指核酸酶(ZFN)、第二代转录激活样效应因子核酸酶(TAL effector) 发展到目前的第三代 CRISPR-Cas 技术。目前广泛使用的 CRISPR-Cas 技术具有效率高、操作快捷、效果准确等优点，是目前基因编辑的主流技术，已在多种生物体系中得到广泛应用。CRISPR 技术的出现，大大提高了基因组编辑的效率，同时降低了成本，使合成生物学的盈利成为可能。

1.2 应用前景：部分替代传统化工+创造新增长空间

生物制造是传统化工的有机补充，一方面可以替代部分长流程传统生产路径，另一方面也为部分优化到极限的化学工程法打开新的研究方向，使进一步降本增效变为可能；此外，合成生物学作为新技术也在各个领域有创新性的应用场景，亟待探索。广义上而言，合成生物学产业可被界定为以生物基材料替代化石基材料、以生物技术路线替代传统化工技术路线的科技产业，是传统化工的有机补充。目前化学工程法中许多产品的工业放大装置、降本已经到达极限，市场空间平稳增长，产业急需高效低成本优质产品。未来，低碳低成本是工业发展的重要方向，合成生物学高效、低能耗、低碳、产品优质、原料可循环再生的优势符合这一趋势。目前生物制造还无法颠覆性替代传统化工，但在部分场景可以替代传统化工，尤其是一些集约程度高的长流程化学流程以及在生物代谢中能找到对应路径的产品。