天天新消息丨【原】合成生物學(xué)，實(shí)現(xiàn)原料“自由”？

近幾年，合成生物學(xué)異?；馃?。據(jù)美國(guó)合成生物學(xué)媒體SynBioBeta統(tǒng)計(jì)，2021年，全球合成生物學(xué)投融資金額達(dá)到180億美元，相當(dāng)于過(guò)去12年的總和。此外國(guó)內(nèi)首個(gè)合成生物學(xué)基金也在6月3日正式成立，該基金由華熙生物與賦遠(yuǎn)投資聯(lián)合成立。

其實(shí)早在2011年，我國(guó)科技部便開(kāi)始對(duì)合成生物學(xué)進(jìn)行支持，啟動(dòng)了973計(jì)劃重大項(xiàng)目“人工合成細(xì)胞工廠”，但是由于缺乏“造風(fēng)者”，合成生物學(xué)在早些年一直不溫不火。

(資料圖片)

“年輕”的合成生物學(xué)

相比較于其他學(xué)科，合成生物學(xué)還很年輕。1980年，“合成生物學(xué)”的名詞出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，Barbara Hobom用它來(lái)描述使用重組DNA技術(shù)進(jìn)行基因工程改造的細(xì)菌，當(dāng)時(shí)，合成生物學(xué)很大程度上等同于“生物工程”。2000年，Eric Kool等人在舊金山舉行的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上再次引入“合成生物學(xué)”一詞，在這里，該術(shù)語(yǔ)已被用來(lái)指代“重新設(shè)計(jì)生命”。

合成生物學(xué)可以對(duì)現(xiàn)有的生命形式進(jìn)行重建，同時(shí)也可以創(chuàng)造新的生命形式，并且往往會(huì)顛覆一般的認(rèn)知，比如利用二氧化碳和氫氣來(lái)生產(chǎn)蛋白、通過(guò)酵母發(fā)酵生產(chǎn)人參皂苷等。麥肯錫報(bào)告顯示，未來(lái)60%的產(chǎn)品都可以通過(guò)合成生物生產(chǎn)制造。

合成生物學(xué)通過(guò)構(gòu)建高效的細(xì)胞工廠來(lái)實(shí)現(xiàn)生命制造，其核心是生物設(shè)計(jì)，應(yīng)用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和特征化/抽象的工程原理來(lái)提高編程和構(gòu)建生物系統(tǒng)的實(shí)際能力，以產(chǎn)生具有可預(yù)測(cè)屬性和功能的特定人類設(shè)計(jì)輸出。其中底盤細(xì)胞的選擇和優(yōu)化是核心的核心，底盤細(xì)胞是指為了某些功能需要其基因組或基因通路被改造后的細(xì)胞。通過(guò)在底盤細(xì)胞中置入功能化生物系統(tǒng)模塊，使人工細(xì)胞能夠具備人類所需要的特殊功能。

合成生物學(xué)中常用的技術(shù)/圖源：參考文獻(xiàn)2

資本瘋狂，融資不斷

合成生物學(xué)的融資在這幾年呈現(xiàn)瘋狂狀態(tài)，據(jù)美國(guó)合成生物學(xué)媒體SynBioBeta統(tǒng)計(jì)，2020年，全球合成生物學(xué)領(lǐng)域企業(yè)獲得投融資78億美元，是2019年的2.5倍，2021年，全球合成生物學(xué)投融資金額達(dá)到180億美元，相當(dāng)于過(guò)去12年的總和。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年有超百家合成生物企業(yè)完成了新的融資。其中涉及食品領(lǐng)域的超30家，主要聚焦在植物肉、細(xì)胞培養(yǎng)肉、替代蛋白和功能性原料領(lǐng)域。

2022年獲得融資的食品企業(yè)/根據(jù)華安證券研究所、DeepTech等資料進(jìn)行整理

今年，全球合成生物學(xué)的投資逐漸回歸理性。中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所研究員熊燕介紹，“2023年全球合成生物學(xué)方面投融資呈下降趨勢(shì)，體現(xiàn)了投資走向理性、精準(zhǔn)之路。2023年第一季度，全球合成生物學(xué)領(lǐng)域的初創(chuàng)公司籌集了約28億美元，是過(guò)去三年來(lái)同期最少的一個(gè)季度”。

食品，合成生物學(xué)的高速增長(zhǎng)領(lǐng)域

據(jù)CB Insight數(shù)據(jù)，2019年全球合成生物學(xué)的市場(chǎng)規(guī)模為53億美元，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到189億美元，2019年至2024年期間年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá)28.8%，其中食品和飲料行業(yè)將迎來(lái)64.6%的高速增長(zhǎng)，遙遙領(lǐng)先于醫(yī)療健康（18.9%）、科研（21.7%）、工業(yè)化學(xué)品（27.5%）和消費(fèi)品方向（43.9%），預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到25.7億美元。此外據(jù)波士頓咨詢（BCG）預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2026年，食品飲料行業(yè)全球合成生物市場(chǎng)規(guī)模將超57億美元。

合成生物學(xué)的發(fā)展正在改變食品行業(yè)。食品行業(yè)與合成生物學(xué)的有效結(jié)合，不僅是解決現(xiàn)有食品安全和營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題的重要技術(shù)，也是克服傳統(tǒng)食品技術(shù)相關(guān)的不可持續(xù)性問(wèn)題的重要方法。合成生物學(xué)主要通過(guò)三種方式引導(dǎo)當(dāng)前和未來(lái)的食品革命：首先，合成生物學(xué)可以改善傳統(tǒng)食品的生產(chǎn)和制造；其次，合成生物學(xué)可以改善食物營(yíng)養(yǎng)或增加新功能；第三，合成生物學(xué)可以通過(guò)使用工程微生物群落來(lái)改變傳統(tǒng)的發(fā)酵食品生產(chǎn)方式。

合成生物學(xué)在食品飲料領(lǐng)域的應(yīng)用主要聚焦在四個(gè)類別：替代蛋白、食品添加劑、新食品原料和功能性食品原料。

圖源：DeepTech

麥肯錫和Deeptech預(yù)測(cè)了合成生物學(xué)在食品各應(yīng)用領(lǐng)域的爆發(fā)加速點(diǎn)，目前加速點(diǎn)集中在食品添加劑生產(chǎn)、基因工程作物和食品溯源追蹤；預(yù)測(cè)2023年-2030年會(huì)向替代蛋白、基于微藻的產(chǎn)品和微生物組應(yīng)用轉(zhuǎn)變；2030年-2040年之間，主要集中在功能性營(yíng)養(yǎng)組分、細(xì)胞培養(yǎng)肉、食品品質(zhì)控制和減少碳排放；2040年之后，將重點(diǎn)集中在增強(qiáng)光合作用作物。

食品領(lǐng)域代表企業(yè)及產(chǎn)品

在食品領(lǐng)域，有很多企業(yè)涉及合成生物，通過(guò)合成生物生產(chǎn)相對(duì)稀缺的原料，以期通過(guò)合生生物提高產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)原料端的降本增效。

華熙生物在2019年的財(cái)報(bào)上提及合成生物，并在2022年將合成生物作為重要戰(zhàn)略目標(biāo)，主攻原料有透明質(zhì)酸、膠原蛋白、NMN、GABA等，目前透明質(zhì)酸發(fā)酵產(chǎn)率已經(jīng)達(dá)到12-14g/L，是行業(yè)一般平均水平的2倍。嘉必優(yōu)是國(guó)內(nèi)最早從事生物合成法，生產(chǎn)多不飽和脂肪酸和脂溶性營(yíng)養(yǎng)素的企業(yè)之一，主要產(chǎn)品包括花生四稀酸（ARA）、二十二碳六烯酸（DHA）和唾液酸等，2022年，嘉必優(yōu)宣布合成生物學(xué)平臺(tái)開(kāi)始著手母乳低聚糖（HMOs）、OPO結(jié)構(gòu)脂、番茄紅素、蝦青素等新原料的研發(fā)。

食品領(lǐng)域合成生物學(xué)的代表企業(yè)及產(chǎn)品/食研匯根據(jù)DeepTech整理

合成生物學(xué)，實(shí)現(xiàn)原料“自由”？

學(xué)術(shù)研究方面，已有多人實(shí)現(xiàn)了通過(guò)合成生物學(xué)來(lái)提高原料的產(chǎn)量。Ma等人將蝦青素的產(chǎn)量從12.9 mg/L增加到432.82 mg/L；Kang等人將番茄紅素的滴定度提高到2300 mg/L；Cui等人將維生素K2 （MK-7）的滴定度從9 mg/L提高到360 mg/L；Deng等人將2’-FL的滴定度從24.7 mg/L提高到674 mg/L。

同時(shí)商業(yè)層面上，也有企業(yè)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)原料的大規(guī)模量產(chǎn)，比如巨子生物實(shí)現(xiàn)了五種高純度稀有人參皂苷--Rk3、Rh4、Rk1、Rg5 及 CK百公斤級(jí)規(guī)模量產(chǎn)。嘉必優(yōu)實(shí)現(xiàn)了ARA、藻油DHA的產(chǎn)業(yè)化，2021年，公司藻油DHA的收入達(dá)0.57億元，占比16.11%。

但是合成生物學(xué)界不缺量產(chǎn)失敗的案例，曾以生物燃料為重要方向的國(guó)外合成生物學(xué)巨頭Amyris，在量產(chǎn)過(guò)程中，遭遇酵母大量死亡的重大事故。十幾年之后，另一個(gè)頭部企業(yè)Zymergen也遭遇了同樣的問(wèn)題，量產(chǎn)時(shí)發(fā)酵罐內(nèi)出現(xiàn)了大量死亡的菌株。這些在其他領(lǐng)域的失敗案例同樣也會(huì)發(fā)生在食品領(lǐng)域。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，目前大多數(shù)公司還停留在研發(fā)階段，進(jìn)入到大規(guī)模生產(chǎn)的公司并不多，合成生物學(xué)從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化生產(chǎn)，還有很長(zhǎng)的一段路要走。

1）規(guī)律難尋，經(jīng)驗(yàn)積累難

影響量產(chǎn)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是下游的發(fā)酵生產(chǎn)環(huán)節(jié)。中科院微生物所微生物生理與代謝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陶勇在接受經(jīng)緯創(chuàng)投采訪時(shí)指出，發(fā)酵生產(chǎn)和菌種設(shè)計(jì)不一樣，發(fā)酵過(guò)程中碰到的工藝條件實(shí)現(xiàn)和控制等問(wèn)題，很多是靠經(jīng)驗(yàn)積累來(lái)解決的，這些經(jīng)驗(yàn)的積累需要更多的時(shí)間。

陶主任認(rèn)為，“微生物是生命體，我們至今還沒(méi)有完全掌握生產(chǎn)環(huán)節(jié)很多變化背后的邏輯。當(dāng)我們選擇不同底盤細(xì)胞時(shí)，它對(duì)不同環(huán)境的反應(yīng)是不一樣的”，所以企圖通過(guò)一套通用模型來(lái)預(yù)測(cè)，是不太現(xiàn)實(shí)的。不過(guò)陶主任認(rèn)為AI技術(shù)或許可以幫助解決工藝放大的問(wèn)題，AI可以從海量的數(shù)據(jù)里尋找規(guī)律，但是前提是我們要有足夠的數(shù)據(jù)量，去支持AI尋找最佳邏輯。

2）人才緊缺

合成生物學(xué)融合了生物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科，所以對(duì)專業(yè)性人才的綜合能力要求極高。合成生物學(xué)需要的復(fù)合型人才既要懂研發(fā)，又要懂生產(chǎn)。

2022年，國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)了《“十四五生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，《規(guī)劃》明確，要著力做大做強(qiáng)生物經(jīng)濟(jì)，到2025年生物經(jīng)濟(jì)成為推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。該《規(guī)劃》的發(fā)布，讓合成生物學(xué)人才極度緊缺。

圖源：新浪圖數(shù)室

為了應(yīng)對(duì)人才緊缺的現(xiàn)狀，近兩年陸續(xù)有高校新增合成生物相關(guān)專業(yè)或課程。

食研匯整理

小結(jié)

毋庸置疑，被稱為“第三次生物科技革命”的合成生物學(xué)具有巨大的發(fā)展前景和市場(chǎng)潛力。但我們希望合成生物學(xué)并不僅僅只是資本的狂歡，當(dāng)資本的熱情褪去，合成生物學(xué)依舊能夠挺立前行，真正的實(shí)現(xiàn)原料“自由”。

參考文獻(xiàn)：

1、華安證券--合成生物學(xué)周報(bào)：四所大學(xué)已開(kāi)設(shè)合成生物學(xué)專業(yè)學(xué)科，PPS高端制造獲得突破

2、Xueqin Lv, Yaokang Wu, Mengyue Gong, Jieying Deng, Yang Gu, Yanfeng Liu, Jianghua Li, Guocheng Du, Rodrigo Ledesma-Amaro, Long Liu, Jian Chen,Synthetic biology for future food: Research progress and future directions,

Future Foods,Volume 3,2021,100025,ISSN 2666-8335,/10.1016/j.fufo.2021.100025.

3、生物工程學(xué)報(bào)中國(guó)“合成生物學(xué)”973 項(xiàng)目研究進(jìn)展

4、Developing synthetic biology for industrial biotechnology applications

5、DEEPTECH--拓展食物邊界、合成生物推動(dòng)新食品加速創(chuàng)新--2023合成生物學(xué)在食品微生物制造中的應(yīng)用于前景研究

6、2021透明質(zhì)酸行業(yè)報(bào)告出爐 華熙生物占全球原料市場(chǎng)半壁江山

7、以合成生物學(xué)技術(shù)立身，嘉必優(yōu)：前瞻布局動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)、個(gè)護(hù)美妝領(lǐng)域

8、用細(xì)菌生產(chǎn)一切，合成生物學(xué)的衰落與崛起

9、合成生物學(xué)：全世界都在推動(dòng)的第三次生物技術(shù)革命

10、與中科院陶勇，聊聊合成生物學(xué)的選品、量產(chǎn)與技術(shù)突破

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