生物制造系列报告①：把握合成生物发展趋势，聚焦产业链上下游突破

2024年10月23日 生物制造系列报告①—— 把握合成生物发展趋势，聚焦产业链上下游突破 ■合成生物学：从“格物致知”到“造物致用”，推动产业技术变革和生物经济发展。合成生物学汇聚了多学科发展，基于工程化的设计理念，对生物体进行有目标地设计、改造乃至重新合成，甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”， 推动了从认识生命到设计生命的跨越，正在引领产业技术变革和生物经济发展。合成生物学在医药、化工材料、食品农业以及生物能源等多领域展现了颠覆性、渗透性作用，以其绿色、低碳和循环特点，具备引领“第四次工业革命”潜力。 ■政策与技术发展双轮驱动，伴随下游市场逐步成熟，市场规模快速增长。 《2024年国务院政府工作报告》提出加快发展新质生产力，生物制造作为战略性新兴产业被定义为经济新增长引擎，建设生物制造产业集群已成为多省市工作重点。在底层技术开发方面，低成本高通量测序、DNA合成技术、基因组编辑以及发酵技术等取得重要进展，加快从认识、改造生命向设计、创造生命跨越。在政策以及技术推动下，伴随下游市场逐步成熟，合成生物学迎来高速发展。据麦肯锡分析，预计在2030-2040年，合成生物学每年带来的经济影响将达到1.8至3.6万亿美元。据CBInsights的预测，2019年全球合成生物学市场规模约为53亿美元，到2024年将扩容至约189亿美元，2019-2024CAGR为28.8%。 ■聚焦合成生物产业链，重点关注下游重磅品种突破。合成生物从产业链角度，主要分为原料层、工具层、技术平台层以及下游应用层。原料层：目前正从第一代碳源往二三代碳源升级，农业产业化下秸秆是较有潜力的原料升级方向，远期有望在风能、光能、水能等可再生能源驱动下，以CO₂、甲烷、CO等一碳化合物作为原料，去实现高附加值产品的生物合成。工具层：分散化创新，未形成较为成熟的产业化形态。技术平台层：当前技术平台层仍存在与下游脱离的情况，尚未完全成熟，部分技术平台层企业转型应用开发型。下游应用层：下游在医药、大宗化学品、农业以及生物能源已部分突破，是当前关注的重点。下游市场空间广阔，已形成初步产业化效应，规模化快，具备优秀的产业布局价值。 ■业务机会及风险提示。（本部分有删减，招商银行各行部请联系研究院，或登录“招银智库”查阅）。 方博 行业研究员招商银行研究院 ：0755-83195340 ：fangbo08@cmbchina.com 相关研究报告 敬请参阅尾页之免责声明 目录 一、合成生物：造物致用，推动产业技术变革和生物经济发展1 （一）合成生物学的定义以及战略意义1 （二）合成生物学发展史2 （三）合成生物产业链概况：主要分为原料层、工具层、技术平台层以及应用层3 （四）合成生物应用场景：赋能医药、化工材料、能源以及农业食品等领域发展4 二、政策与技术发展双轮驱动，伴随下游应用逐步成熟，市场规模快速增长6 （一）政策端：碳中和背景下生物制造已成为国家战略6 （二）技术发展：核心技术突破加速催化下游应用成熟7 （三）伴随下游应用逐步成熟，合成生物市场规模快速增长9 三、全产业链分析合成生物产业，重点关注上下游突破11 （一）原料：由第一代碳源往二三代碳源升级，重点关注非粮碳源与合成气体方向11 （二）工具：分散化创新，未形成较为成熟的产业化形态13 （三）技术平台：仍存在与下游脱节问题，部分技术平台层企业转型应用开发型15 （四）应用：从“替代”到“颠覆”，重点关注医药、化工、食品农业以及能源等领域选品与突破16 1、医药医疗：原料药主要为环保与低成本替代，创新疗法仍需关注技术与市场匹配性16 2、化工材料：性能与成本平衡是商业化成功关键因素17 3、消费品领域：聚焦高附加值产品，胶原蛋白、玻尿酸等重磅品种率先落地19 4、农业：技术壁垒较高，国内整体仍处于商业化初期20 5、食品工业：待培育的广阔市场，当前处于科研向商业化转化阶段21 6、生物能源：生物燃料目前开发成本较高，实现规模下的成本优势是商业化成功关键23 四、业务机会及风险提示26 图目录 图1：合成生物学研发及生产过程1 图2：中国制造业转型升级路径2 图3：合成生物学发展史3 图4：合成生物学产业链概况4 图5：合成生物学技术突破路径9 图6：全球合成生物市场风投及私募股权投资活动10 图7：中国合成生物市场风投及私募股权投资活动10 图8：合成生物全球市场规模11 图9：2020-2050合成生物学预计每年直接经济影响（万亿美元）11 图10：2030-2040合成生物学细分领域预计每年直接经济影响（万亿美元）11 图11：合成生物学碳源来源及发展前景分析12 图12：合成气体发酵示意图14 图13：生物基化学产品概况18 图14：合成生物在农业领域应用21 图15：基于合成生物学的未来食品制造22 图16：2023年生物柴油全球产量结构24 图17：2023年生物燃料乙醇产量结构24 表目录 表1：合成生物子行业及其应用场景5 表2：生物制造相关政策7 表3：玉米与秸秆可利用性对比13 表4：合成生物学工具层概况15 表5：合成生物学中游转化平台概况16 表6：医药化工领域合成生物应用概况17 表7：合成生物在化工材料领域应用19 表8：合成生物在消费个护领域应用20 表9：合成生物在食品工业领域应用优势与挑战23 表10：生物燃料技术路径及发展现状25 一、合成生物：造物致用，推动产业技术变革和生物经济发展 （一）合成生物学的定义以及战略意义 合成生物学在生物学研究中汇聚了工程、物理、化学、数学、计算机等学科的进展，基于工程化的设计理念，对生物体进行有目标地设计、改造乃至重新合成，甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”，推动了从认识生命到设计生命的跨越，正在引领产业技术变革和生物经济发展。合成生物学受益于基因测序、合成以及编辑等领域内的长足进步，逐渐发展成了以“设计-构建-测试-学习”（DBTL循环）为核心的研发模式和发酵为主导的放大生产模式。合成生物学由于存在多学科交叉、对技术、成本控制、研发人员要求高，具有强壁垒属性。根据麦肯锡研究，生物制造的产品可以覆盖60%化学制造的产品，有望对未来医药、化工、食品、能源、材料、农业等传统行业带来巨大影响。 图1：合成生物学研发及生产过程 资料来源：《从全球专利分析看合成生物学发展趋势》，招商银行研究院 合成生物学具备至关重要的战略和商业意义。主要体现在两大方面：一是推动了从认知生命到设计生命的跨越，揭开了“造物致用”的产业前景的“帷幕”；二是合成生物本身具备绿色低碳循环的特点，在双碳减排成为产业发展主旋律的当下，有望助力中国制造业向绿色化转型。合成生物与纳米材料、人工智能、大数据科学等交汇融合，开辟了全新的生物技术世界，正在加速向绿色制造、健康诊疗、农业生产、环境保护、生物安全等领域渗透和应用，为培育打造绿色工业经济、破解疾病和衰老难题、保障粮食有效供给、保护绿色生态环境和构建国家安全体系等提供重要解决方案，引领产业技术变革方向，重塑世界产业格局，推动引发生产方式、社会模式的深刻变化。同时，一系列使能技术的突破加快了合成生物学的工程化应用，开创了以构建分子机器(体外催化)和细胞工厂(体内催化)为代表的合成生物制造的新兴生物工程领域，揭开了合成生物学“造物致用”的产业前景的“帷幕”。 合成生物具有绿色低碳循环的特点，有望助力中国制造业向绿色化转型。“双碳”目标下国家迫切需要系统性转型升级以前的工业体系，通过技术进步的方式解决重污染、重能耗的部分。中国由制造业大国向强国升级的过程中，已经将以生物制造为核心的生物经济纳入国家战略，国家《十四五”生物经济 发展规划》明确提出要稳步发展生物能源、替代传统化学原料的生物基材料，构建生物质循环利用技术体系，生物制造从源头降低碳排放，促进产业绿色转型升级，重构产业体系。以合成生物为核心的生物制造主要从减排（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，将可再生能源和大气中的二氧化碳转化为燃料和化学物质，已有部分商业化案例。 图2：中国制造业转型升级路径 资料来源：公开资料，招商银行研究院 （二）合成生物学发展史 梳理合成生物学发展史，合成生物学的发展大致分为四个阶段，在技术突破以及应用领域拓展过程中逐渐完成DBTL循环为核心的研发模式。创建时期 （2004年以前）：产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因 线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。扩张和发展期（2004-2007年）：领域有扩大趋势，但工程技术进步比较缓慢。技术突破上，实现了RNA调控装置的开发，整个 领域的设计范围开始从以转录调控为主，扩大到转录后和翻译调控；应用开发上，2006年首次实现利用工程化改造的大肠杆菌侵入癌细胞，成为工程化活 体疗法的先驱。快速创新和应用转化期（2008-2014年）：基础研究快速发展， 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。同时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、 图3：合成生物学发展史 环境监测等诸多领域。新发展阶段（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。 资料来源：《从全球专利分析看合成生物学发展趋势》，招商银行研究院 （三）合成生物产业链概况：主要分为原料层、工具层、技术平台层以及应用层 合成生物学产业链可分为原料层、工具层、技术平台层以及应用层四个环节。原料层主要为微生物代谢所需的可再生原料。包括以植物油、废弃食用油为原料的第一代碳源；非粮食类生物质包括谷物秸秆、甘蔗渣等为原料的第二代碳源以及在风能、光能、水能等可再生能源驱动下，以CO₂、甲烷、CO等一碳化合物做为原料的第三代碳源。工具层主要聚焦使能技术的开发包括读—写—编—学、自动化/高通量化和生物制造等，关注底层技术颠覆及提效降本。技术平台层是通过算法、模型、机器学习等手段来预测合成效果，模拟代谢路径等对生物系统和生物体进行设计、开发的技术平台，与下游企业相比，更强调技术平台的通用性。应用层则通过这些片段DNA来合成或者改造微生物， 并得到合成产物的应用研究，具体涉及衣食住行多方面的应用开发以及产品落地。核心技术在于大规模生产的成本、批间差及良品率等的把控，与中游企业相比，更强调应用领域的聚焦、产品的精细打磨及商业化放量。中下游企业之间并无明确界限，现阶段行业整体尚处在产业发展早期，不少生物技术公司实质上为中下游一体化布局。 图4：合成生物学产业链概况 资料来源：BCG咨询，招商银行研究院 （四）合成生物应用场景：赋能医药、化工材料、能源以及农业食品等领域发展 合成生物学作为赋能型技术，就像20世纪初蓬勃发展的石油工业一样，有潜力在未来的一个世纪发展成为人类的工业基础之一，并将触角延伸到人类生活的方方面面。合成生物学正在推动一场制造业革命，探索替代原料和原有生产工艺，并进一步延伸到性能更好的产品开发。 当前合成生物学主要以成本、创新以及循环为制造业赋能。成本方面主要是替代原有制造路线（化学合成或者天然提取），提高生产效率和经济效益；创新方面主要是创造疗效更