合成生物学行业专题系列一-建物致知-建物致用-合成生物赋能未来

2023年12月31日 医药 合成生物学行业专题系列一：建物致知，建物致用，合成生物赋能未来 首选股票目标价（元）评级 行业专题 证券研究报告投资评级领先大市-A维持评级 合成生物学：引领第三次生物技术革命，相比化学合成及传统发酵优势明显。合成生物学侧重创造自然界中尚不存在的人工生命系统，广义上可分为“基于细胞的合成生物学”和“无细胞合 成生物学”，前者的核心在于微生物细胞工厂（MCFs）的构建，后 医药 沪深300 35% 25% 15% 5% -5% -15% 2023-012023-052023-082023-12 行业表现 者跳脱细胞膜限制，使得系统设计自由度显著提升。合成生物学相比传统化学合成、生物发酵具备明显优势，相对传统化学合成的优势主要表现为产品成本低、反应条件温和、对环境污染较小等；与传统发酵技术相比，基于MCFs理性设计策略的合成生物学 技术效率显然更高。以青蒿素生产为例，根据国家发改委数据，使用可控的100立方米工业发酵罐，可以替代5万亩的传统农业种植生产青蒿素，显著降低生产成本。 合成生物学：引领第三次生物技术革命，相比化学合成及传统发酵优势明显。合成生物学侧重创造自然界中尚不存在的人工生命系统，广义上可分为“基于细胞的合成生物学”和“无细胞合 成生物学”，前者的核心在于微生物细胞工厂（MCFs）的构建，后 者跳脱细胞膜限制，使得系统设计自由度显著提升。合成生物学相比传统化学合成、生物发酵具备明显优势，相对传统化学合成的优势主要表现为产品成本低、反应条件温和、对环境污染较小 资料来源：Wind资讯 升幅% 相对收益 1M -2.1 3M 7.0 12M 4.0 绝对收益 -3.7 -0.1 -7.1 马帅 分析师 SAC执业证书编号：S1450518120001mashuai@essence.com.cn 等；与传统发酵技术相比，基于MCFs理性设计策略的合成生物学 相关报告 技术效率显然更高。以青蒿素生产为例，根据国家发改委数据，使用可控的100立方米工业发酵罐，可以替代5万亩的传统农业种植生产青蒿素，显著降低生产成本。 新药周观点：国产ADC海外授权梳理，2023年约13起海外授权交易落地 2023-12-24 新药周观点：ADC海外授权 2023-12-17 合成生物技术加速产业化，众多企业纷至沓来。合成生物学应 迎来收获期，看好后续多个 国产ADC海外授权新药周观点：外科手术止血 2023-12-10 领域重磅合作落地，重组人凝血酶放量可期医药2024年度策略：迎接医 2023-12-05 药新周期，新“四化建设”引领未来新药周观点：看好国产ADC 2023-12-03 海外授权潜力，ADC领域又一重磅交易诞生 用涵盖医药、化工、能源、食品及农业等众多领域，据麦肯锡预测，预计未来10-20年，合成生物学应用可能对全球每年产生2- 4万亿美元的直接经济影响，其中医药与健康领域占比达到35% （约0.5-1.3万亿美元）。产业链角度，合成生物学可分为上、中、下游三个环节，分别对应工具、平台、产品型企业。工具型代表企业包括聚焦基因测序领域的华大智造，基因合成领域的金斯瑞生物科技以及基因编辑领域的百奥赛图；平台型及产品型企业数量众多，选品思路、研发及产业化能力是其核心竞争力，其中，凯赛生物、川宁生物、华东医药、华熙生物及华恒生物等企业的研发平台及产业化布局较为领先，制药企业如金城医药、普利制药等正在加速特色合成生物学品种产业化创造新增长点，众 多生物医药企业进军合成生物学赛道，借力合成生物技术降本增效，实现产业升级。 多重利好因素助力行业规模持续扩张，医药领域是最重要应用场景。根据不同分析报告统计数据，全球合成生物学市场规模有望保持20%-30%的年复合增速，在未来几年达到数百亿美元规模， 其中，生物医药在各场景中占据首位。国内方面，根据DeepTech数据，2016年中国合成生物学市场规模9亿美元，2021年进一步达到64亿美元。多重利好因素助力下，行业正在渐入高速发展时 期。1）工具技术层面：AI技术蓬勃发展，基因测序、基因合成、 基因编辑技术快速升级迭代、成本下降趋势下，全球合成生物技术研发有望取得持续突破。2）政策层面：英美首先将合成生物学置于国家战略层面之上，我国“十四五”规划明确将合成生物学列为重点方向。3）学术层面：根据《从入选中国科学十大进展看合成生物学的发展》数据，生物医药在各国的合成生物学研究领 域中均占首位，其中，中国生物医药合成生物学相关研究文献发表量全球第二，具体到2019-2021年，各国发表相关论文数基本 占2010-2021年的30%左右，中国占比34%，位居第一。4）投融资层面：根据SynbioBeta数据，2021年全球合成生物学初创公司共计筹集218亿美元，融资金额达到顶峰，此后受全球风投低 迷影响，行业融资额大幅回调，然而，2021年后风投低迷并不仅仅影响合成生物学赛道，其他领域亦快速下滑。从SynbioBeta的数据分析角度来看，2020-2021年融资的基数极高，是相对异常值，22年相比19年增幅十分显著，合成生物学未来仍然具备较强增长动力。此外，从行业投融资热度来看，医药领域依然是国内外最重要的应用场景。 建议关注标的：合成生物技术的核心竞争力在于相比传统化学合成及生物发酵具备降本增效、绿色环保优势，我们认为对平台型及产品型合成生物学企业而言，研发能力、选品思路及产业化能力是其核心竞争力，建议关注合成生物学领域研发能力突出、 选品思路清晰、产业化实力强劲的企业如川宁生物、凯赛生物、华恒生物，以及通过合成生物学技术赋能医药产业的企业如金城医药、普利制药、富祥药业。 风险提示：行业发展不及预期；研发失败的风险；选品壁垒较低导致行业竞争加剧及商业化不及预期的风险。 内容目录 1.合成生物学：创造人工生命系统的第三次生物技术革命5 2.合成生物技术路径丰富，具备化学及传统发酵法不可及优势7 2.1.技术路径：“基于细胞的合成生物学”+“无细胞合成生物学”7 2.2.合成生物学优势明显，颠覆化学合成及传统发酵格局10 2.3.应用领域十分广泛，体内合成及体外酶法合成广泛实现产业化12 3.行业规模及发展驱动因素分析16 3.1.行业规模快速增长，医药领域占比遥遥领先16 3.2.工具技术快速发展，助推合成生物技术产业化17 3.3.政策加持有望助力行业高速发展19 3.4.学术领域成果丰厚，生物合成技术有望持续突破23 3.5.全球投融资进程持续推进，医药健康赛道最为热门24 4.建议关注标的27 5.风险提示29 图表目录 图1.合成生物学的“下上而下”及“自下而上”策略5 图2.合成生物系统层级化结构示意图5 图3.合成生物学的研究内容6 图4.21世纪以来合成生物学的发展历程及代表性成果进展6 图5.基于细胞的合成生物学”和“无细胞合成生物学”示意图7 图6.微生物细胞工厂（MCFs）设计和构建发展历程及展望7 图7.微生物细胞工厂设计和构建策略效率以及性能对比8 图8.通过“设计-构建-测试-学习”的工程化设计原理建立代谢网络及微生物细胞工厂示 意图8 图9.基于细胞提取物的无细胞系统基本制备和操作流程9 图10.合成生物学技术生产青蒿酸的发展历程11 图11.在大肠杆菌中构建的青蒿酸异源生物合成途径11 图12.合成生物学未来的潜在直接经济影响（万亿美元）13 图13.合成生物学对细分领域的直接经济影响（万亿美元）13 图14.合成生物学重点细分应用领域介绍13 图15.合成生物学的典型工业化应用13 图16.体内合成生物学及体外合成生物学示意图13 图17.合成生物学产业谱图14 图18.2018-2027E全球合成生物学行业规模（亿美元）16 图19.2017-2024E合成生物学区域规模（百万美元）17 图20.2019年全球合成生物学区域占比17 图21.2017-2024E合成生物学各领域规模（百万美元）17 图22.2019年合成生物学各领域市场格局17 图23.人工智能技术应用于合成生物学的代表性进展18 图24.测序技术发展促进基因组测序成本降低的同时速度提升18 图25.基因测序技术介绍19 图26.全球合成生物学领域发展和战略布局演进路径20 图27.美国合成生物学十年计划21 图28.英国2012-2030年合成生物学发展路线图21 图29.2010-2021年全球发表合成生物学和药物论文排名前十的国家（篇）23 图30.2019-2021年各国合成生物学文献数量及其在2010-2021年发表文献总量中的占比 .............................................................................23 图31.全球合成生物学初创公司历年融资规模（亿美元）24 图32.合成生物学领域与全球所有行业的风险投资趋势（亿美元）24 图33.2021年全球合成生物学细分赛道融资次数（个）25 图34.2023Q1全球合成生物学各领域风险投资分布25 图35.2023Q1全球合成生物学应用领域的风险投资分布25 图36.2018-2022年国内平台和应用型企业融资情况26 图37.2018-2022年国内合成生物学企业融资轮次分布26 图38.2018-2022年国内合成生物学细分企业融资情况26 图39.2018-2022年国内合成生物学融资应用层情况26 表1：不同提取物无细胞合成系统比较9 表2：基于细胞提取物体系、纯化体系及多酶体系对比10 表3：传统化学合成法和体内及体外合成生物学对比10 表4：合成生物学法优化青蒿素合成中间体紫穗槐二烯的发酵产率12 表5：合成生物学法优化青蒿素合成中间体青蒿酸的发酵产率12 表6：合成生物学上游的典型上市公司业务布局15 表7：典型的产品层及平台层上市公司合成生物学布局15 表8：基因合成技术介绍19 表9：基因编辑技术介绍19 表10：中国合成生物学领域重点国家政策梳理22 1.合成生物学：创造人工生命系统的第三次生物技术革命 合成生物学（syntheticbiology）是以工程学思想为指导，对天然生物系统进行重新设计与改造，同时设计并合成新的生物元件、组件和系统的学科。其研究策略包括两个方面：一是 “自上而下”的逆向工程，即通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使之增添新的功能；二是“自下而上”的正向工程，即通过设计和构建新的生物元件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统。简而言之，二者为“发现”与“发明”的关系。 “自上而下”策略是对已有生物系统进行修改，存在诸多限制，而合成生物学本质上更加侧重“自下而上”的理念。“自下而上”的合成生物系统的构建分为生物元件、生物装置、生物系统三个层次，这一特点充分体现了合成生物学工程化的本质。其中，生物元件是具有一定功能的DNA序列，也是最简单且最基本的生物积块，而具有不同功能的生物元件可按照一定的物理和逻辑关系相互连接组成复杂的生物装置，具备不同功能的生物装置协同运作即可构成更为复杂的生物系统，这些生物系统彼此间互相通信、协调可以进一步构成更加复杂的多细胞或细胞群体生物系统。 图1.合成生物学的“下上而下”及“自下而上”策略图2.合成生物系统层级化结构示意图 资料来源：赵国屏.合成生物学:开启生命科学"会聚"研究新时代[J]. 中国科学院院刊,2018,33(11):1135-1149.DOI:10.16418/j.issn.1000- 3045.2018.11.001.，安信证券研究中心 资料来源：严伟,信丰学,董维亮,等.合成生物学及其研究进展[J].生物 学杂志,2020,37(5):1-9.DOI:10.3969/j.issn.2095- 1736.2020.05.001.，安信证券研究中心 合成生物学的研究内容包括元件工程、遗传线路工程、代谢工程及基因组