2024年中国合成生物行业洞察报告

mo.com o.co yanbadjyanba o.comdj o.com o.comdjyanba djyanba m .como.como.co djyanba djyanba m nbao.co nbao.com djyanbao.com djyanba 进入DJyanbao.com，阅读3,500,000篇行业报告 djya djyanbao.com nbao 扫码关注公众号，解锁百篇免费报告 nbao.com 引言 djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com •2023年，哈佛团队在合成生物领域实现了一项重要进展，成功以全人工形式合成了克雷霉素，这种新型抗生素显示出对抗多重耐药性细菌的潜力。在当前抗生素广泛使用背景下，细菌耐药性问题逐渐成为全球性挑战。哈佛团队的成果体现了合成生物技术在医药领域的应用潜力，并可能为全球公共卫生问题提供新的解决途径。随着合成生物学技术的逐步成熟，其在各方面的应用前景正在逐步展开。 djyanbao.com djyanbao.com 合成生物是什么：生物合成就像是将生物体作为“工厂”，通过基因改造和精心设计，让它们能够生产出我们想要的任何东西，而且这种方法通常更高效、环保、可持续的。以基于细胞的技术路径为例，底盘细胞通过采用DBTL工程策略，经过基因编辑与代谢工程改造等步骤，进一步筛选优化为适宜生产的人工菌株。经优化的人工菌株以玉米、甘蔗等作物为原料，能够实现生物物质的大规模生产。 djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com 合成生物发展潜力：合成生物学在理论研究和实验室探索方面已取得一系列成果，其影响力正逐步扩展至实际应用领域，现已应用于医药、化工、食品和能源等领域，为社会和经济带来了积极效益。2024年，中国合成生物行业市场规模预计将达到105.16亿元。随着技术的持续进步，预计合成生物学将在生物制造行业引发变革，促进基础研究与产业应用之间的有效连接。无论是在新药开发、绿色化学品生产，还是在环保领域的创新应用，合成生物学都将发挥越来越重要的作用，成为应对21世纪全球挑战的重要科技力量。 nbao.com 2 nbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com ……………… 01 djyanbao.com djyanbao.com 合成生物行业概况 02 djyanbao.com 合成生物市场情况 03 djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com 合成生物应用与展望 nbao.com ……………… djyanbao.com nbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com nbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com •合成生物学（SyntheticBiology）是一门结合工程学原理（如计算机、数据科学等）与生物技术的交叉科学，专注于系统地设计、改造甚至从头构建生物体，以赋予其超越自然界现有功能的新功能。合成生物策略主要包含“自上而下”地“改造生命”和“自下而上”地“创造生命”。这一领域的发展，将对医药、化工、食品、能源等多个行业产生革命性的影响。 o.co djyanbao.com m djyanba 合成生物学策略对比 释义 特点 图示 主流技术路径 “自上而下”——基于现有的细胞或有机体，通过基因编辑、代谢工程和合成基因网络等技术，实现对生命系统的精确控制 优点：1、利用现有生物系统，减少构建工作量；2、技术相对成熟；3、天然生物系统复杂，干扰因素多，调控难度大。缺点：1、生物系统中的网络和路径复杂，修改一个部分可能会对其他部分产生不可预测的影响；2、需要依赖活性细胞，可能受到生物体固有特性的限制。 自上而下 细菌 生命有机体 细胞 剔除或更换基因组 基于细胞的合成生物学 （有细胞膜体系） 优点：1、从基础元件逐步构建，能够精确控制，减少不可 人工合成细胞 “自下而上”——从基础的非生命 预测性；2、可以通过模块化设计，实现系统的灵活组装和功能扩展；3、能够创造出自然界不存在的全新生物功能和体系，拓展应用范围。缺点：1、从基础元件构建复杂生物系统，技术难度大，涉及多学科交叉；2、由于缺乏天然细胞的自我复制和自我修 组成部分（如纯化的酶、核酸、脂质等）出发，逐步构建人工细胞或合成生命体系，以实现特定 自下而上 组装 无细胞合成生物学（无细胞膜体系） 功能。 DNA 非生命组成 脂质体 复能力，生产效率通常较低，成本较高。 djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com •合成生物学中的“设计-构建-测试-学习”（DBTL）循环是一个系统的工程策略，用于管理和优化生物系统的设计过程。该策略体现了将工程学原理应用于生物技术的创新，DBTL循环通过设计、构建、测试和学习的不断循环，使得生物领域在理论和技术层面具备了前所未有的创新能力，从而可以将生命科学研究中的物质与信息转化为产业化应用。 djyanbao.com nbao.com djyanbao.com nbao.com DBTL循环图示 DBTL循环作用及意义 Design设计 Build构建 •利用计算机辅助设计和生物元件库，按预定规则理性设计基因或代谢 通路。 •通过DNA合成和基因编辑技术，实际构建设计 的生物系统。 DBTL 循环 Learn学习 Test测试 •基于测试结果，应用数据分析和机器学习技术 来优化未来的设计。 •使用技术如微流控和酶活性测定来验证构建系 统的功能和效率。 djyanbao.com •多维度解决方案空间的缩小： djyanbao.com 通过每次DBTL循环后生成新的知识，并将这些知识反馈到后续的循环中，采用替代方法、重新定义问题或为未来设计提供前瞻性的规范。这样可以逐步缩小初始问题的多维度解决方案空间，从而减少最优选项的数量。 •工程化试错实验，提高效果： 由于生命系统具有高度的复杂性，人工设计的基因线路需要大量的工程化试错实验。通过DBTL循环不断进行，可以积累大量的数据和经验 djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com ，从而提高学习阶段的效果。 •更为合适的底盘选择： DBTL循环的成功核心在于选择合适的底盘，这是测试生物设计的环境 。成功的底盘必须满足各种标准，从而促进对新候选底盘的持续研究 。通过不断优化和选择合适的底盘，可以有效提高学习阶段的效率。 djyanbao.com djyanbao.com •基于细胞的合成生物学是在细胞内进行生物合成途径的组装，利用底盘细胞来合成目标产物。 1.1核心技术：微生物细胞工厂（MCFs）的构建 djyanbao.com •早期方法：通过天然微生物的筛选和诱变育种方式获得高产菌种，使用传统发 酵工程生产目标产品。这种方法基于非理性策略，效率较低。 anbao.com •现代方法：科学家们现在可以更精确地设计和修改微生物的代谢途径，从分子到基因组层次进行优化。这种方法提高了效率，但仍偏重“自上而下”的设计策略。当前的理想目标是实现全基因组定制化的微生物细胞工厂，这一技术还在发展中。 djy 基于细胞的合成生物学构建生物细胞工厂流程 1.2核心技术：合成基因网络 djyanbao.com •合成基因网络是合成生物学的核心技术之一，通过设计和构建人工基因回路，实现对基因表达的精准调控，优化细胞代谢路径，并增强细胞对环境变化的响应能力。这项技术不仅能够提升目标产物的生产效率，还可实现多基因协同表达和复杂的逻辑控制与计算。合成基因网络的广泛应用推动了生物制造、生物医药、环境监测等领域的发展，为生物技术行业带来了巨大的创新潜力和商业机会。 自上而下与自下而上的策略及其在代谢优化中的应用 1.基因编辑和改造 （基因元件的设计与构建） 2.代谢工程 （细胞代谢路径的优化） 3.系统生物学 （全细胞水平的调控与优化） 4.细胞工厂 （工业化生产） djyanbao.co •过程：使用CRISPR-Cas9等基因编辑工具对目标细胞进行基因编辑，插入或删除特定基因序列，设计合成基因回路。 •目标：优化细胞的基因元件，使其能够高效表达目标基因。 •结果：改造后的细胞具备生产目标产物的基础能力。 •过程：通过代谢工程优化细胞内的代谢通路，提高目标产物的产量，包括酶工程、代谢通路设计和改造。 m djyanbao.com •目标：增强目标代谢通路的效率，减少副产物生成。 •结果：优化后的细胞代谢路径更加高效，有利于目标产物的生成。 •过程：利用全基因组测序和多组学整合分析，对细胞进行系统生物学研究，构建细胞的计算机模型，进行仿真和优化。 •目标：全面了解和优化细胞的生物学状态和代谢活动。 •结果：细胞在各种条件下的表现得到系统优化，功能更加稳定。 •过程：通过高密度发酵技术和连续生产工艺，实现细胞的高效培养和目标产物的大规模生产，并进行下游处理和纯化。 o.com o.com nbadjyanba o.com djya •目标：建立高效的生物细胞工厂，实现目标产物的工业化生产。 •结果：生产流程得到优化，目标产物的产量和纯度达到工业化要求。 djyanbao.com nbao.com nba 资料来源：《微生物细胞工厂的设计构建:从诱变育种到全基因组定制化创制》，蔻享学术，CSDN，洞见研报分析整理 djyanbao.com nbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com nbao.com djyanbao.com djyanbao.com djyanbao.com •无细胞合成生物学摒弃了对活细胞的依赖，利用细胞提取物、纯化体系和多酶体系等技术，实现高效且精准的生物产品合成。它不仅提高了生产效率和灵活性，还简化了下游处理，降低了成本，加速了从实验室到商业化的过程。无细胞技术因此成为推动现代生物技术创新和实用化的关键力量，为生物制造和医药研究领域带来前所未有的可能性。 1、基于细胞提取物体系 •基于细胞提取物体系在无细胞合成生物学中占有重要地位。 该系统使用来自微生物、动植物细胞的粗裂解提取物，含有必需的生物分子以实施基因表达和蛋白质合成。 优点 •效率高：直接控制环境和酶，有效转化底物，减少代谢副产物和能量损失。 •灵活性强：自由组合酶和路径，实现特定化学反应。 •简化下游处理：缺少细胞杂质，目标产物纯化更简单。缺点 •复杂性高：细胞提取物制备过程复杂且费时。 •成本高：提取和纯化细胞成分的成本较高。 •稳定性低：提取物中的成分在体外环境下稳定性较低，容易失活。 2、钝化体系 •纯化体系是无细胞合成生物学中一种使用精选且纯化的生物分子（如酶、核酸、代谢中间体等）构建生物化学路径的方法。它允许科学家准确控制合成环境和反应过程，以 及细致地调整和优化合成路径。 优点 •精确控制：能够精确控制合成过程中的各种条件和反应组分，提高产品的质量和一致性。 •避免杂质干扰：由于使用的是纯化的组分，可以有效避免未知杂质的干扰，提高反应的可重复性。 缺点 •功能受限：由于钝化处理，部分细胞功能可能受损，导致合成效率下降。 •优化难度大：钝化体系需要精细优化反应条件，以维持其功能性。 3、多酶体系 •通过有选择地组合多种酶，可以模拟或甚至优化自然界中的代谢途径，从而在无需完整细胞结构的情况下实现复杂的化学反应。这样不仅能够提高目标产物的产量，还可以实现一些在传统生物体中难以进行的化学反应，开