2024合成生物学中国市场前景及产业链上中下游投资机会分析报告

2024年深度行业分析研究报告 主要内容 1.合成生物学：产业级别的投资机会 2.中国市场：三重关键&有利因素，共推产业从1至N迸发 3.上游：专业性强，把握技术创新周期和 国产替代机遇 4.下游：产业化初期，医药、消费、能源领域进度领先 5.相关标的及风险提示 3 理论层面：合成生物学创新生命科学研究范式，从“格物致知”到“造物致知” •合成生物使用工程学方法认识和设计生命系统：（1）“自下而上”，设计、构造新的生物元件、组件至系统；（2）“自上而下”，对现有的、天然的生物系统进行优化和改造。 应用层面：合成生物学“造物致用”，为生物经济发展提供底层支撑 •一方面，合成生物升级原有的生物技术至系统化、标准化高度，推动生物技术的平台化发展。另一方面，在学科交叉和技术整合的基础上孕育技术创新的飞跃。 VS其他生产方式，合成生物是补充或颠覆性技术，在助力化工原料生产、改进传统发 酵工艺、开发新型分子材料方面作用积极 图：合成生物学理论及产业意义图：合成生物技术优势 资料来源：波士顿咨询《中国合成生物学产业白皮书2024》，申万宏源研究资料来源：曾艳等《合成生物学工业应用的现状和展 望》，申万宏源研究 合成生物产品制造流程：正向循环、紧密相连、系统性工程 •①基于工程化平台（DBTL循环）确定合成生物解决方案。分细胞工厂、多酶级联体系、无细胞/类生命平台三种路线，后两者均为体外合成；②规模化生产，分生物发酵、酶催化两大工艺；③商业化落地。商业化能否成功的关键在于选准产品赛道，即在产品立项阶段充分考虑市场需求，全局规划。 •从工作全流程看，合成生物产品制造统筹考虑技术、设备、工艺、市场等维度，系统性强。 图：合成生物产品制造过程 产业链分工明确、逐步细化： •支持型：工具层面的技术型公司，为研发设计提供基础设施，包括专业软件、仪器设备、自动化/智能化服务。 •技术服务型：整合相应技术、数据和资源提供高效且可复用的技术平台，侧重模拟设计、菌株 构建、高通量测试、智能反馈，类比CRO模式，先发优势可以向竞争壁垒转换。 •产品型：利用合成生物学技术取代现有工艺或开拓新产品。现阶段，因菌株筛选、原料供给、产能和纯化能力等存在卡点，多数企业聚焦单品做重点开发。在技术创新持续和技术服务模式兴起的基础上，多管线布局企业增多。 •服务+产品型：一类是技术服务型企业孵化自有管线；另一类是产品型企业搭建使能平台。打 通全产业链意味着打造合成生物“大平台”，构筑综合能力壁垒，有利于中长期可持续成长。 表：合成生物产业主要参与主体 产业链位置 上游 中游 下游 中游+下游 企业类型 支持型 技术服务型 产品型 服务+产品型 服务内容 为研发设计提供基础设施 提供高效且可复用的技术 平台 生产产品 技术服务+生产产品 竞争要点 技术创新 卡位+先发优势 多管线布局 综合能力 国外代表企业 Bokebioscience、 CRISPRTherapeutics GinkgoBioworks、 Zymergen BoltThreads、 ImpossibleFoods Amyris 国内代表企业 华大智造、芯宿科技 奕柯莱生物、森瑞斯、凯 莱英 凯赛生物、华恒生物、锦 波生物、昌进生物 蓝晶微生物、态创生物、 辉文生物 资料来源：波士顿咨询《中国合成生物学产业白皮书2024》，申万宏源研究。注：未穷尽列举。 使能技术是DBTL循环的基石，技术革新驱动非线性降本 基因“读-改-写”技术持续迭代，菌株筛选技术发展相对缓慢 •“读”：基因测序技术超50年发展历史，从第一代基于双脱氧链终止法为原理的测序技术发展至可实现单分子测序与实时测序的第三代测序技术，推动测序成本超“摩尔定律”下降，测试长度、速度指数级提升； •“改”：CRISPRCas系统是革命性的基因编辑技术，大幅提升编辑效率，除特定场景外，已取代ZFNs和TALENs方法。目前CRISPR工具箱仍在扩大，增强CRISPR技术的多功能性和精确性； •“写”：基因合成技术超60年发展历史，目前，基因合成的平均成本已经下降到最初成本的 1%甚至更低。酶促DNA合成技术处于起步阶段，有望进一步提高单步合成效率。 •菌种筛选技术：主要通过人工驯化、诱变筛选、定向进化等方式提高生物系统鲁棒性，非工程化导向。也有业内领先企业搭建微生物资源库，储备具有特殊代谢能力或特定生产特性的菌株。 图：国内外建立微生物资源库的代表性企业 企业名称微生物资源库 中科欣扬 自有菌株实体库和资源软体库，存储来自冰川、热泉、深海等极端环境中分离的海量菌种，具有嗜冷、耐热、耐酸碱、耐盐等特性，为合成生物学开发提供大量稀有、独特元器件 GinkgoBioworks 自有生物代码库，整合来自自然界的生物资产和来自铸造厂实验的工程资产和数据，是一个超过4.4亿个额外序列的专有数据集 资料来源：生辉咨询网站，申万宏源研究 使能技术+实验数据+菌株资源组成使能平台，推升技术服务需求 •DBTL循环大批量测试元件、线路和底盘组合，产生大量实验数据；数据资产进一步指导工程优化与理性设计，形成飞轮效应，铸就使能平台价值。 引入加速技术构建生物铸造工厂，通常由中游技术服务型公司搭建 •加速技术包括自动化技术和机器学习技术。针对人工实验操繁琐、耗时、易错、难以规模化等问题,通过提升合成生物实验对象、方法、技术的标准化和模块化水平,实现DBTL闭环的自动化运行。因生物铸造工厂涉及大量的非标准化软硬件投入、持续的基础设施维护费用及运营人员费用，中游企业是平台建设主力。 图：合成生物铸造工程工作流程 菌种体系大规模量产的难点在于发酵工艺，多酶催化体系存在技术瓶颈 •发酵工艺：由于细胞中代谢网络复杂，许多代谢调控还不成熟，现阶段主要通过经验摸索优化生产工艺，主要涉及发酵工艺，通过多级发酵、串联反应、模块化设计等提高发酵规模。理想情况，一旦掌握微生物在大规模发酵中的生长代谢状态，即能颠覆现有发酵工业逻辑，转为“自下而上”理性设计。 •多酶级联催化：体外构建多酶催化体系的复杂程度低，反应条件易于控制，通常可以获得一些纯度更高的产物，目前主要用于生产高附加值的精细化学品、医药中间体。因人工系统中多酶反应的兼容性和协同性存在卡点，尚无法用于大规模生产。 图：智能精密发酵控制表：基于酶级联催化生产的原料药及其市场 原料药 应用 酶级联催化 性能 目前生产方式 市场规模 HIV药物islatravir HIV治疗9种酶51%产率 化学合成 2020年有3770万人感染HIV； 2020年HIV药物市场：287.9亿美元 莫努匹拉韦COVID-196种酶69%产率化学，10步合 确诊COVID-19病例409万例 青蒿素前体紫 治疗 ~100%转化率， 小细胞肺癌(SCLC) 抗癌药GSK-和急性髓 2879552 性白血病 (AML)治 疗 5克规模，产率 2种酶48.3%，99.5%e.e.化学合成和97.9%纯度 小细胞肺癌(SCLC):2020年264,813-331,016例 急性髓性白血病(AML):2019年预计21,450例 2019年全球肿瘤药物市场：1413.3 亿美元 抗疟药7种酶 成 合成生产 植物提取，半 2020年疟疾病例241,000；销售 穗槐-4,11-二烯 生产率：~5.7μmolL-1h-1 ACTs:>3.5亿 制药、食 肌醇品、饲料、4种酶化妆品 产品浓度：95g/L， 在125g/L麦芽糊精化学去磷酸化 （DE~10）反应48植酸小时后，20,000升 每年15,000吨；2020年约6,000万美元 资料来源：态创生物官网，申万宏源研究 资料来源：多特蒙德工业大学KatrinRosenthal等人《IndustriallyRelevantEnzymeCascad9esforDrugSynthesisandTheirEcologicalAssessment》，申万宏源研究 为“技术”匹配“市场“，找准产品赛道是商业化成功关键 •首先，合成生物产品开发周期长（立项至商业化通常5年及以上），且涉及生产设备的一次性投入，优选行业天花板高or产品单价高的领域进入； •其次，公司技术能力决定产品替代存量or拓展增量。对于增量市场，技术传播度、营销能力等 重于成本竞争；对于存量市场，注重产品接入产业链的能力和成本； •再者，部分行业可能长期面临严监管环境，如“转基因食品”，需要提前规避可能存在伦理道德问题的应用方向。 产品类型 子赛道 细分领域 高产品单价、低需求量 •需求类型：存量替代+增量拓展，以增量为主•商业化门槛：通过临床试验；通过GMP生产要求 生物医药 生产原料/中间体 细菌工程化改造 人工病毒/噬菌体 可控细胞与基因治疗 中产品单价、中需求量 •需求类型：存量替代+增量拓展，可开发产品多、选品困难•商业化门槛：需要配备高通量筛选设备；发酵产能有限；中国监管较严，新材料可能难以获批；需要市场营销 农业 育种 化肥 农药 光自养平台 食品与营养 替代蛋白 营养添加剂 香精香料 甜味剂/防腐剂 消费个护 功能性蛋白/多肽 功能性小分子 耐用生物皮革 环境友好家具 高性能材料 新型聚合材料 高性能蛋白 活体功能饮料 低产品单价、高需求量 •需求类型：存量替代为主•商业化门槛：较难进行行业可行性预测，如可用生物替代品取代的产品类别、生物合成能否成本占优等；生物基碳源数量有限且对纯 化要求高；可能存在污染物排放，对选址和污水处理要求高 大宗化学品能源 传统化工替代碳源优化 工艺效能提升新生物能源形式 图：合成生物产品赛道划分、子赛道及细分领域 资料来源：波士顿咨询《中国合成生物学产业白皮书2024》，申万宏源研究。注：未穷尽列举 2018-2023年全球合成生物产业规模CAGR达27% 预计至2028年市场体量近500亿美元，23-28年CAGR为24%，来自前期各领域先发探索话题的散点突破 •生物医药：创新细胞、基因疗法、原料药合成；食品和农业：食品添加剂、植物蛋白、发酵蛋 白；化学工业：部分基础化学品、聚合物；消费品：部分功能性小分子、重组胶原蛋白技术。 远期看（超过十年），理论技术与应用实践螺旋式发展，当前尚处科研早期或被技术“卡脖子”的领域有望陆续跑通产业化 •据麦肯锡McKinsey发布的报告《TheBioRevolution》，原则上全球60%的产品可以采用生物法生产，到2030~2040年，全球合成生物学产业每年可产生约2~4万亿美元的直接经济影响。图：合成生物全球市场规模（单位：十亿美元） 13.3 12.7 6.4 2.0 9.9 3.6 201.13 0.2 1.6 30.47 4.4 10.5 5.3 17.1 49.8 60.060.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 20182023估2028估 专业科研消费品化学工业食品与农业医疗健康 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 主要内容 1.合成生物学：产业级别的投资机会 2.中国市场：三重关键&有利因素，共推产业从1至N迸发 3.上游：专业性强，把握技术创新周期和 国产替代机遇 4.下游：产业化初期，医药、消费、能源领域进度领先 5.相关标的及风险提示 12 合成生物从减排（重点方向）、固碳、减碳三方面助力国家“双碳”目标 •碳减排瞄准重点行业。国内来自能源、工业的碳排放量占比最高，分别约40%、38%。其中，能源替代方案主要为电力结构转型；工业替代方案主要为原材料替代和绿色生产。合成生物在化石原料的替代、高能耗高物耗高排放工艺路线的替代及传统产业升级方面发挥重要作用。据KefengHuang等发表的论文统计，多种生物基材料减排比例超60%，最高超90%。 •固碳：合成生物通过改良自然的碳代谢路径，增强植物和微生物的固碳能力； •减碳：第三代生物能源技术利用微生物细胞工厂，将可再生能