合成生物学产品及行业格局梳理（一）：小品种氨基酸、尼龙、长链不饱和脂肪酸

证券研究报告|2023年08月15日 合成生物学产品及行业格局梳理（一） 小品种氨基酸、尼龙、长链不饱和脂肪酸 行业研究·专题报告基础化工·合成生物学 证券分析师：杨林 010-88005379 yanglin6@guosen.com.cnS0980520120002 证券分析师：张玮航 021-61761041 zhangweihang@guosen.com.cnS0980522010001 国信化工观点： 1）合成生物学是一门发展迅速的前沿交叉学科，被誉为第三次生物技术革命，其下游应用广泛，需求正在不断扩张。合成生物学是一门融合了生物学、信息学、基因组学、化学等多学科的交叉学科，在学习自然生命系统的基础上建立出人工生物，并制造出满足人类需求产品。合成生物学通过设计和构建细胞工厂，能够使细胞以淀粉、纤维素、CO2等可再生碳为原料，生产重要的化工产品、天然药物、食品、生物能源等产品，合成生物学相可以实现更高的转化效率、更低的成本，更友好的路线。 2）我国大品种氨基酸产能充沛，小品种氨基酸如丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、等亟需扩大产能、降低成本，通过合成生物学的手段，可有效降低小品种氨基酸生产成本。丙氨酸在食品、医药日化等领域具有广泛应用，丙氨酸生产的化工流程温度高、压力大、酸碱强，环境污染严重。目前，工业化生产丙氨酸采用发酵法和微生物酶法代替了原有的化学合成法丙氨酸，华恒生物利用合成生物方法改造微生物突破厌氧发酵技术，使丙氨酸的生产成本较酶法降低50%；缬氨酸可以改善母猪生产性能，提高动物免疫力，在饲料行业的需求快速增长，由于缬氨酸的合成途径属于丙氨酸衍生物类型，华恒生物在具备丙氨酸厌氧发酵技术后又突破了低成本缬氨酸生物发酵技术；通过人工合成酶对丙烯酸定向加氨形成了β-丙氨酸，较传统天冬氨酸脱羧法极大的降低了产品成本。全球丙氨酸市场自2016年3.5万吨增长至2019年5万吨，年化复合增长率为13%，预计丙氨酸市场在未来四年内继续保持稳定增长，在2023年将达到8万吨，同比2019年5.1万吨增长57%；近年来全球缬氨酸市场规模保持着迅猛增长态势，全球需求量从2016年的0.73万吨增长到2019年的3.25万吨，年复合增长率高达65%。 3）尼龙66重要上游原材料己二腈等目前国内化率仍在提升中，生物基戊二胺可实现替代法生产，长链尼龙作为具有优异的耐磨性和耐低温性，其重要的上游原材长链二元酸（DC12及DC10）可通过合成生物学实现低成本制备。PA66主要应用领域为工程塑料和工业纤维，在汽车轻量化的趋势下其市场潜力较大，但PA66的上游原材料己二腈生产技术壁垒很高，差能由欧、美、日控制，国内仅能实现小部分生产，且成本高昂。合成生物学可通过利用赖氨酸脱羧的方式生产戊二胺，通过尼龙56对尼龙66实现替代。长链尼龙的重要原料长链双元脂肪酸传统合成方法为化学合成法或由蓖麻油分解制备，凯赛生物通过合成生物学利用简单的烷烃经过发酵即可廉价制备DC12及DC10，在全球市场占据了较高份额。 4）营养素市场空间广阔，合成生物学大有可为。长链不饱和脂肪酸DHA及ARA对婴幼儿记忆力、思维能力及视网膜发育具有重要作用，广泛应用与婴幼儿配方奶粉及保健品，随着人们健康意识的提高，对DHA及ARA的需求不断增加。DHA的主要生产来源为深海鱼类，但随着海洋污染加剧，鱼油DHA存在食品安全风险，且鱼油含有大量EPA，限制了其使用范围，通过生物发酵法生产的DHA有效规避了这些分险，在DHA市场中的市占率不断提高。 相关标的：“双碳”背景下合成生物学有望在未来5-10年保持高速增长，我们看好合成生物学在低成本替代现有材料及制备新材料的潜力，具备技术及成本优势的合成生物学企业将 有望充分获得竞争优势。相关标的为华恒生物、凯赛生物、嘉必优等企业。 风险提示：原材料价格大幅波动风险；产品需求不及预期的风险；生产成本降低不及预期的风险；产品品类扩张不及预期的风险；在建项目进度不及预期的风险等。 1合成生物学概述 2 小品种氨基酸 3生物基尼龙 4 保健品类 5相关上市公司介绍 末页风险提示及免责声明 1 合成生物学概述 返回目录 合成生物学是一门融合了生物学、信息学、基因组学、化学等多学科的交叉学科，在学习自然生命系统的基础上，建立人工生物，制造出满足人类需求产品。合成生物学由于实现了从“认识生命”到“设计生命”的跨越，被学界誉为第三次生物技术革命。合成生物学的核心在于经改造的底盘细胞通过其自身代谢，表达植入的特定基因从而获得目标产品，因此选择合适的底盘细胞并通过基因线路设计获得正确的代谢途径至关重要。随着代谢科学的不断发展，结合量子化学计算、AI辅助分子设计等技术通过对底盘细胞的“设计-构建-测试-学习”循环改进，实现对生物性状的定向构建与优化，满足产业化应用。合成生物学的重要原则包括标准化、去耦合和模块化。 目前产业中合成生物学多指用生物质通过微生物细胞工厂生产氨基酸、有机酸、抗生素等有价细胞代谢产物。合成生物学通过设计和构建细胞工厂，能够使细胞以淀粉、纤维素、CO2等可再生碳为原料，生产重要的化工产品、天然药物、食品、生物能源以及生物材料等产品。合成生物学可以实现更高的转化效率、更低的成本，更友好的路线。 图：DBTL循环是合成生物学的核心图：产业中的合成生物学主要指利用生物质发酵产生各种有价产品 资料来源：RespectMrevealedmetabolicheterogeneitypowersdeeplearningforreshapingtheDBTL cycle.，国信证券经济研究所整理资料来源：刘虎虎,田云.走进合成生物学[J].科学,2023,75(02):30-34+69.，国信证券经济研究所整理 合成生物学原理：以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成。设计改造生命系统，合成具有成本规模优势的产品。 核心原理：用工程思维解释合成生物学，将生命系统模块化和标准化。模块化：找到“基因元件”来认识和重构生物学功能。标准化：汤姆-奈特和德鲁-安迪建立了标准生物学组件登记库。 计算机模拟生命：“基因元件”重构的精准度极高，计算机模拟和人工智能可以提高合成生命的精准度，有效缩短生产周期。 合成新生命的方法：1.加速筛选：丘奇教授发明的MAGE（MultipleAutomatedGenomeEngineering）方法可以加速生命进化，把一些随机的DNA片段和大肠杆菌混合培养，大肠杆菌有可能吃掉这些DNA片段，整合进自己的基因组，以20分钟繁殖一代的速度创造数目巨大的基因组。2.创建突变开关：采用酵母基因组（酵母有16条染色体，1400万对碱基），在基因组里插入5000个特殊的DNA序列，遇到催化酶后，形成极端性状。3.定向进化蛋白质：深入基因元件内部修改其结构。DeepMind采用人工智能的方法对蛋白质进行预测，用几千种已知的蛋白质结构训练神经网络算法，2周时间内预测一个蛋白质结构。 图：人工基因组的设计、合成与应用 原核生物 真核生物 组装、重组与替换 寡核苷氨酸人工DNA人工基因组 资料来源：CNKI，国信证券经济研究所整理 基因组精简密码子扩展 遗传系统进行演化 能源化学品 医药 从实验室到应用 发酵工艺 生物基产品 纯化分离 合成生物学的核心在于经改造的底盘细胞通过其自身代谢，表达植入的特定基因从而获得目标产品，因此选择合适的底盘细胞并通过基因线路设计获得正确的代谢途径至关重要。随着代谢科学的不断发展，结合量子化学计算、AI辅助分子设计等技术通过对底盘细胞的“设计-构建-测试-学习”循环改进，实现对生物性状的定向构建与优化，满足产业化应用。 细胞筛选 细胞培养 基因编辑 图：合成生物学驱动生物制造的典型过程示意 底盘 细胞 生物设计 生物 网络 线路 原件 基因组 通用植物底盘 原核细胞 真核细胞 DBTL 循环 天然产物 精细化学品 聚合物单体 功能性食品 医药中间体 维生素 氨基酸 资料来源：杨永富,耿碧男,宋皓月等.合成生物学时代基于非模式细菌的工业底盘细胞研究现状与展望[J].生物工程学报,2021,37(03):874-910，国信证券经济研究所整理 合成生物学最初由HobomB.于1980年提出来表述基因重组技术，随着分子系统生物学的发展，2000年E.Kool在美国化学年会上重新定义了 “合成生物学”概念，这标志着合成生物学的正式出现，之后学科迅速发展。 合成生物学20余年的发展历程大致可以分为4个阶段：（1）合成生物学的萌芽（2000—2005年），该时期产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及在代谢工程中的成功运用：（2）基础研究起步期（2005—2011年），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；（3）快速创新和应用转化时期（2011—2015年），这个时期涌现出了大量新技术和新工程手段，特别是人工合成基因组能力的提升，以及基因组编辑技术的突破等，从而使合成生物学的研究与应用领域大为拓展；（4）飞速发展新时期（2015年至今），合成生物学的“设计—构建—测试-学习”等概念提出，多学科融合程度加深，叠加资本市场加速入场，行业产业化飞速发展。 图：合成生物学各主要发展阶段 资料来源：合成生物学发展[J].中国科技信息,2022,No.687(22):2-3..，国信证券经济研究所整理 图：合成生物学科产品可覆盖医药、能源、化工、食品等诸多领域 资料来源：王晓梅,杨小薇,李辉尚等.全球合成生物学发展现状及对我国的启示[J].生物技术通报,2023,39(02):292-302.DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2022-0352.国信证券研究所整理 工业化学品产品将占合成生物学市场规模的19.8%。据BCCResearch数据，2019年，全球合成 生物市场规模达到53.19亿美元，预计在2024年将成长至188.85亿美元，2019-2024年CAGR达 24%。从下游行业应用来看，医疗健康、科研和工业化学品为合成生物学的三大应用行业，其 图：2017-2024年合成生物学市场规模及预测（亿美元） 200 亿美元医疗健康科研工业化学品 中医疗健康是最大的细分市场，2024年市场规模有望达到50.22亿美元，将占整体合成生物市场规模的26.6%；科研、工业化工产品则将分别占到21.0%、19.8%。据BCG预计，到2026年，2021年的三大应用方向将继续领跑，三大应用方向的全球市场规模都将超过60亿美元。 从细分赛道增速方面来看，由于食品和饮料以及消费品有低客单价和高频的特征，预计是未来几年增速最快的两个细分赛道，2024年市场规模分别为25.75亿美元和13.46亿美元；医疗健康和科研尽管是占比最大的两个细分赛道，增速却是最慢的。食品饮料、农业和消费产品将迎来大幅提升，并且CAGR将远超过医疗健康、科研和工业化工，迎来超过40%的高增长率。 图：2017-2024年全球合成生物学各领域市场规模的年复合增速预测 61.2% 55.8% 35.4% 23.6% 17.9% 16.7% 70.0% 180 160 140 120 100 80 60 40 20 食品与饮料农业消费品 8.509.6511.10 12.5115.1514.82 17.05 13.46 22.33 25.75 37.47 39.61 50.22 60.0% 50.0% 40.0% 0 消费品农业 2017 1.61 1.00 18.97 2018 1.73 1.49 21.09 2019 2.18 1.87 2024E 13.46 22.33 30.0% 20.0% 10.0% 0.0% 食品与饮料农业 消费品工业化学品科研医疗健康 食品与饮料工业