2023中国合成生物学发展研究报告

2023中国合成生物学发展研究报告 亿欧智库https://www.iyiou.com/researchCopyrightreservedtoEOIntelligence,May2023 01 合成生物学概念定义与社会价值 合成生物学掀起第三次生物技术革命 目录 CONTENTS 合成生物学全球发展历程及驱动因素解析 02 合成生物学产业驶入发展快车道 03 合成生物学产业链及应用场景 开启合成生物学“造万物”时代 04 合成生物学行业发展洞察 合成生物学发展的产业沉浮启示 合成生物学概念定义与社会价值 合成生物学掀起第三次生物技术革命 概念及定义：由于合成生物学是一门新兴学科，所以，现阶段合成生物学的定义仍然处于开放、探索的阶段。我们可以通过以下描述做整体了解：合成生物学借鉴了工程学概念，运用基因技术，通过构建生物功能元件、装置和系统，来有目标的重新设计和合成新的生物体系或改造已有的生物体系，使其拥有满足人类需求的生物功能。 合成生物学这一名词最早被提出可追溯到1910年，是指利用物理和化学方法合成类生物体系来模拟生命过程,了解生命机制，但当时的概念跟目前人们理解的合成生物学有较大差距。2000年,在美国化学学会年会上,斯坦福大学EricKool在基因组学和系统生物学基础上，引入工程学概念，重新定义了“合成生物学”。标志着这一学科的出现。 亿欧智库：合成生物学概念及发展历程 自上而下 传统生物学 与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同； 合成生物学的研究方向完全相反，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件，最终合成“新生命”。 合成生物学 自下而上 人类的造物梦想：人类在不断地认识自然，同时也有着改造乃至创造自然的梦想，在成功实现从无机物到有机物的合成后，人类也在试图合成生命，合成生物学就是人类合成生命的最新尝试，是用理性设计的方法来创造或者改造生命体，为人类服务。 1828年徳国科学家维勒人工合成尿素，把无机物变成有机物。 “人类造物”大事记 2010年，美国科学家用合成基因组合成第一个人造细胞——支持存活的原核生物。 2002年，美国科学家制造了历史上第一个人工合成的病毒——脊髓灰质炎病毒。 1965年中国科研人员在世界上第一次人工合成了含51种氨基酸的蛋白质一一牛胰岛素。 格物致知 建物致知 建物致用 遗传工程也称基因工程，合成生物学是直接建立在基因工程之上的，但由于合成生物学的方法包括从头设计和建造生物体系，而基因工程主要是聚焦于自然生物体系的改造，所以合成生物学可以看作遗传工程的进一步发展。相对于基因工程来说，合成生物学具有方法更加灵活、规模更加庞大的典型特点。 与基因工程 交叉学科：合成生物学是在分子生物学、系统生物学等众多学科发展到一定阶段的基础上诞生的，在现代生物学和系统科学以及合成科学基础上发展起来、融入工程学思想和策略，融合了生物学、化学、物理学、数学、信息科学、工程科学、计算机科学等相关学科的新兴交叉学科。其概念经常与基因工程和发酵工程混淆：人类利用微生物发酵生产食品已有几千年的历史，但是早前的人们尚未完全认识发酵过程，此时期的发酵生产活动全凭经验，多为非纯种培养，发酵产品极易被杂菌污染，这属于自然发酵时期。 合成生物学是直接建立在基因工程之上的，基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，在原有遗传特性基础上增加新的特性，获得新的品种，生产新的产品。 多学科交叉 生物学 材料学 工程学 合成生物学 计算机学 物理学 生物信息学 化学 亿欧智库：合成生物学多学科交叉 与分子生物学 合成生物学与分子生物学密不可分。分子生物学主要是在分子水平上对生命现象运行进行研究。合成生物学的发展，通过对现有生物元件的改造或者重新构建新的生物元件，从而构建出新的遗传系统，对于研究生命的起源与基因的编码功能等具有重要意义。 与系统生物学 合成生物学与系统生物学有着非常紧密的关系，系统生物学通过定量分析、数学模拟、建模等方法对系统或系统中的各个组件进行解核后所得到的数据，可以经合成生物学的解耦将系统分解为生物元件。这也是合成生物学的重要持性之一，即合成生物学的关键是将生物元件模块化与标准化，它是一种从头合成复杂生命系统的技术。 合成生物学从21世纪初被关注开始,后来产生的一系列颠覆性成果连续入选Science期刊年度十大科学突破。 亿欧智库：合成生物学第三次生物技术革命 合成生物学 第三次生物革命 第二次 生物革命 第一次生物革命 21世纪初，科学家们将工程科学的研究理念融入现代生命科学，发展出以合成生物学为代表的“会聚”研究，促成了生命科学的第三次革命。合成生物学被称为继DNA双螺旋结构发现和“人类基因组计划”之后的第三次生物技术革命。从21世纪初被关注开始,后来产生的一系列颠覆性成果连续入选Science期刊年度十大科学突破。 人类基因组计划 至20世纪末，人类基因组计划带来了第二次革命，实现了基因组的全面“解读”，人类对生物体组成和生命规律的认识达到了前所未有的系统生物学的深度和定量生物学的精度。2010年，科学家合成约100万碱基的支原体基因组，并将其转入另一种支原体细胞中，获得可正常生长和分裂的“人造生命”，实现了“撰写”基因组的梦想。此后，科学家又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸；采用“编辑”基因组的手段，创建出人造单染色体真核细胞……掌握了“读”“写”“编”基因组的技术手段，获得了设计与合成生命的能力，200年前盛行于世的“生命力”学说被完全克服。 发现DNA结构和中心法则 20世纪中叶，随着DNA双螺旋结构的发现，分子生物学“中心法则”的确立，人类开始找到生命现象的“密码本”。在同一时代，DNA测序技术的建立，实现了人类“读基因”的梦想；DNA重组技术的建立，实现了人类“写基因”的梦想；再加上在基因定向突变与敲除基础上的“编基因”梦想的实现，分子生物学及基因工程技术在上世纪80年代，将生命科学推向了历史上第一次革命的顶峰。 以合成生物学为指导，设计有机化学品的高效合成路线和人工生物体系，逐渐从天然生物的轻度修饰向全人工合成的生物或生命过度，不仅可能高效利用原来不能利用的生物质资源，也有可能高效合成原来不能生物合成、或者原来生物合成效率很低的产品。这将为突破自然生物体合成功能与范围的局限，打通传统化学品的生物合成通道，为发展先进生物制造技术、促进可持续经济体系形成与发展，提供重大机遇。 亿欧智库：合成生物学产业价值 产业价值 效率提升成本降低低碳减排原料再生 传统的化学合成在制造复杂分子方面往往需要通过大量的中间体步骤才能生产出最后的目标分子。合成生物学技术可通过构建高性能酶或者设计底盘细胞内的代谢通路直接获得目标产物，简化了工艺步骤、提高了生产效率。 生物合成设备相较化工投资额低，可柔性生产，轻资产优势显著；微生物体内代谢过程中的酶作为高效催化剂能大幅降低反应能耗，高选择性可提高目标产物收益率，最大化利用原料进而降低生产成本。 基因组设计、合成 太阳能捕获、光合固碳 等功能元器件改造与模块组装 与使用石油基原材料的化学合成相比，合成生物学技术实现了大气中部分碳元素的闭环循环，减少了大气循环外部的碳元素释放，有利于“碳中和”目标在工业生产中的实现。 底盘细胞 体外生物合成体系 天然与非天然化合物途径 传统化学合成的原料主要来自石油、煤炭等石油基物质，而合成生物学技术所使用的原料以生物基物质为主，生物基物质数量巨大、价格低廉。 全人工 人工途径创建和替换多基因途径模块的替换 单一基因元器件替换 生物基产品 合成组装非自然元件 一批重大生物基产品 全天然 生物基产品 轻度修饰 人工生物 生物基产品 中度修饰 人工生物 重度修饰 人工生物 人造生物与人造生命 合成生物学全球发展历程及驱动因素解析 合成生物学产业驶入发展快车道 围绕基因层面“施工”：很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”，即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞或病毒。而实际上，合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。所以合成生物学的核心集中在基因层面。 基因相关的技术进步是推动合成生物学的基础。20世纪50年代，随着DNA双螺旋结构的发现、遗传密码的破译、限制性内切酶的发现、PCR技术的发明等一系列重大分子生物学成就,催生了基因工程技术。德国学者Hobom称“基因手术正在开启合成生物学的大门”。合成生物学对于DNA等遗传物质的合成、组装和编辑等操作有着巨大的需求，因此基因组编辑技术在合成生物学中有着广泛的应用，并加速了合成生物学的发展。DNA合成技术则是人类探索生命奥秘过程中的必要工具，大规模基因组DNA设计和合成赋予我们改造细胞功能甚至创造人工生命的能力。 亿欧智库：催生合成生物学诞生的重要技术和节点 1953年 Watson和Click提出了DNA双螺旋结构模型，从此开辟 了分子生物学研究领域。人类得以从分子层面认识生命。 1958年 Click提出了分子生物学中心法则，给出了生命的基本过程和性质。工程化生物法则是合成生物学最核心的研究内容之一。 1961年 法国科学家莫诺与雅可布发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学说，开创了基因调控的研究。 1970年 美国分子生物学家、遗传学家史密斯分离出了II型限制性内切酶。DNA限制酶与DNA连接酶联合应用，诞生了合成生物学常用手段之一——DNA重组技术。 同一时期，F.Jacob和J.Monod提出了调节基因表达的操纵子模型，F.Jacob认为细胞的行为是通过目的性的调控实现的，而他的这一思想被认为是合成生物学主要研究内容之一遗传/基因线路的雏形。 1978年 Szybalski指出“DNA限制酶的工作不仅提供了重组DNA的工具，而且引领我们进入了新的”合成生物学“领域，由此提出了富有现代内涵的合成生物学思想。 1990年 人类基因组计划的启动和模式生物基因组计划的快速实施，使合成生物学术语在学术刊物和互联网上逐渐涌现。 2000年 EricKool重新定义了“合成生物学”是基于系统生物学的遗传工程，标志着这一学科的出现。 2000～2008年 合成生物学已由“声明”阶段进入研究程序和快速发展时期。现在，合成生物学已成为一门多学科交叉、各种技术集成的工程学科。从概念进入到应用阶段。 合成生物学的技术发展经历了四个阶段。第一阶段（2005年以前）：以基因线路在代谢工程领域的应用为代表，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。第二阶段（2005-2011年）：基础研究快速发展，年度的专利申请量较之前并未有显著增加，合成生物学研究开发总体上处于工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段，体现出“工程生物学”的早期发展特点。第三阶段 （2011-2015年）：基因组编辑的效率大幅提升，合成生物学技术开发和应用不断拓展，其应用领域从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、药物和疫苗开发、作物育种、环境监测等诸多领域。第四阶段（2015年以后）：合成生物学的“设计—构建—测试”循环扩展至“设计—构 建—测试—学习”，“半导体合成生物学”、“工程生物学”等理念或学科的提出，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。 实现生物界之间细胞- 亿欧智库：合成生物学发展阶段 在DNA中高效储 构建只需61个密码子的大 实现一氧化碳一 合成细菌双稳态开关 合成阻遏振荡器 美国麻省理工学院 (MIT)学生们根据 实现了可编程模式，基因网络噪 声传播的分析， 细胞通讯实现基于RNA干扰(RNAi)和阻 遏蛋白的开关实现基 实现基因组在生物界的转移，从原核细 在大