一、核心結(jié)論

　�。ㄒ唬┬袠I(yè)綜述

　　合成生物學(xué)作為 21 世紀(jì)生物科技領(lǐng)域的前沿學(xué)科，是一門(mén)匯集生物學(xué)、基因組學(xué)、工程學(xué)和信息學(xué)等多種學(xué)科的交叉學(xué)科，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑是運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)和工程學(xué)原理，以基因組和生化分子合成為基礎(chǔ)，綜合生物化學(xué)、生物物理和生物信息等技術(shù)，旨在設(shè)計(jì)、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過(guò)程，以構(gòu)建具有生命活性的生物元件、系統(tǒng)以及人造細(xì)胞或生物體。該學(xué)科通過(guò)人工設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界不存在的生物系統(tǒng)，來(lái)解決能源、材料、健康和環(huán)境等問(wèn)題，涵蓋生物大分子的合成與模塊化、生物基因組的合成與重構(gòu)、合成代謝網(wǎng)絡(luò)等研究?jī)?nèi)容，被稱為是繼 “DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)”“基因組技術(shù)” 之后的第三次生物科技革命。

　　合成生物學(xué)的起源可追溯到 1911 年，法國(guó)物理化學(xué)家 Stephane Leduc 在其所著的《生命的機(jī)理》一書(shū)中首次提出 “Synthetic biology” 一詞，試圖利用物理學(xué)理論解釋生物起源和進(jìn)化規(guī)律。20 世紀(jì) 60 年代至 90 年代，隨著分子克隆、PCR、自動(dòng) DNA 測(cè)序等技術(shù)的發(fā)展，基因操作在微生物學(xué)研究中逐漸廣泛，為合成生物學(xué)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。21 世紀(jì)初，合成生物學(xué)真正被廣泛關(guān)注，一系列顛覆性成果陸續(xù)發(fā)布，如 2000 年波士頓大學(xué) Collins 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成雙穩(wěn)態(tài)基因網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)，2002 年紐約州立大學(xué)石溪市分校 Wimmer 團(tuán)隊(duì)化學(xué)合成病毒基因組獲得具有感染性的脊髓灰質(zhì)炎病毒，2010 年美國(guó) Venter 團(tuán)隊(duì)宣布首個(gè) “人工合成基因組細(xì)胞” 誕生等。此后，合成生物學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展階段，工程化平臺(tái)的建設(shè)和生物大數(shù)據(jù)的開(kāi)源應(yīng)用相結(jié)合，推動(dòng)生物技術(shù)、生物產(chǎn)業(yè)和生物醫(yī)藥 “民主化” 發(fā)展。

　�。ǘ�）關(guān)鍵結(jié)論

　　近年來(lái)，合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)過(guò)去五年經(jīng)歷了高速增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的 53 億美元增長(zhǎng)到 2023 年的超過(guò) 170 億美元，平均年增長(zhǎng)率達(dá) 27%，預(yù)計(jì)到 2028 年將增長(zhǎng)為體量達(dá)到近 500 億美元的全球型市場(chǎng)。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，醫(yī)藥領(lǐng)域是當(dāng)前合成生物最大的細(xì)分市場(chǎng)，市場(chǎng)規(guī)模接近 56 億美元，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用拓展，化工、能源、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域?qū)�合成生物學(xué)的需求也日益增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到 2027 年全球范圍內(nèi)合成生物市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 387 億美元，其中醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到 103 億美元。

　　全球多個(gè)國(guó)家紛紛出臺(tái)政策推動(dòng)合成生物學(xué)發(fā)展。美國(guó)、英國(guó)、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、新加坡等國(guó)家均有引導(dǎo)扶持合成生物學(xué)發(fā)展的政策，在研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)布局、人才培養(yǎng)等方面給予大力支持。我國(guó)也高度重視合成生物學(xué)發(fā)展，“十四五” 以來(lái)，合成生物學(xué)逐漸在天然產(chǎn)物合成、醫(yī)學(xué)、能源、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，發(fā)改委印發(fā)的《“十四五” 生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確指出要發(fā)展合成生物學(xué)技術(shù)。

　　當(dāng)前，合成生物學(xué)發(fā)展仍面臨一些技術(shù)瓶頸，如基因編輯技術(shù)的精準(zhǔn)性與安全性有待提高、生物元件的標(biāo)準(zhǔn)化程度不足、合成生物系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致難以預(yù)測(cè)其行為等。但隨著科技的不斷進(jìn)步，如人工智能、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)化技術(shù)等與合成生物學(xué)的深度融合，有望逐步突破這些瓶頸。

　　未來(lái)，合成生物學(xué)在醫(yī)藥、化工、能源、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。在醫(yī)藥領(lǐng)域，可用于疾病診斷、疫苗、藥物研發(fā)、基因治療等，有望開(kāi)發(fā)出更精準(zhǔn)、高效的治療方案；在化工領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)生物路線對(duì)化學(xué)路線的逐步替代，生產(chǎn)綠色環(huán)保的化學(xué)品與材料；在能源領(lǐng)域，助力開(kāi)發(fā)新型生物燃料，緩解能源危機(jī)；在食品領(lǐng)域，生產(chǎn)人造肉、人造奶等食品，滿足人們對(duì)可持續(xù)食品的需求；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，用于生物農(nóng)藥、生物肥料、作物改良等，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量與質(zhì)量。

　　二、合成生物學(xué)概述

　�。ㄒ唬┒�義與內(nèi)涵

　　合成生物學(xué)是一門(mén)匯聚生物學(xué)、基因組學(xué)、工程學(xué)、信息學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的交叉性新興學(xué)科。它并非傳統(tǒng)生物學(xué)研究的簡(jiǎn)單延續(xù)，而是秉持著全新的理念，旨在通過(guò)工程學(xué)原理與方法，對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行深度設(shè)計(jì)、精細(xì)改造乃至從頭構(gòu)建，從而創(chuàng)造出自然界原本不存在的生物系統(tǒng)，以滿足人類(lèi)在能源、材料、健康、環(huán)境等諸多領(lǐng)域的迫切需求。

　　與傳統(tǒng)生物學(xué)側(cè)重于對(duì)自然生物現(xiàn)象的觀察、描述與解釋有所不同，合成生物學(xué)更強(qiáng)調(diào) “人為創(chuàng)造”。它不拘泥于對(duì)現(xiàn)有生物體系的認(rèn)知，大膽地跨越自然進(jìn)化的緩慢進(jìn)程，主動(dòng)設(shè)計(jì)并搭建具有特定功能的生物模塊、線路及細(xì)胞工廠等。例如，傳統(tǒng)生物學(xué)致力于解析大腸桿菌在自然環(huán)境下的代謝途徑，而合成生物學(xué)則嘗試改造大腸桿菌的基因線路，使其能夠精準(zhǔn)高效地生產(chǎn)胰島素等醫(yī)用蛋白，為糖尿病治療開(kāi)辟新途徑。

　　相較于基因工程，合成生物學(xué)的范疇更為廣闊，立意也更為深遠(yuǎn)�；�因工程主要聚焦于對(duì)現(xiàn)有生物體基因的修飾、重組，以實(shí)現(xiàn)特定性狀的改良或新產(chǎn)品的獲取，常見(jiàn)的如轉(zhuǎn)基因作物提高抗蟲(chóng)性、利用基因工程菌生產(chǎn)工業(yè)酶等。而合成生物學(xué)不僅涵蓋基因?qū)用娴牟僮鳎�更上升到系統(tǒng)構(gòu)建的高度，它著眼于將基因、蛋白質(zhì)、代謝通路等生物元件按照預(yù)定的設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行組裝整合，塑造出全新的生物功能體系。以人工合成基因組細(xì)胞為例，美國(guó) Venter 團(tuán)隊(duì)通過(guò)化學(xué)合成技術(shù)，設(shè)計(jì)并組裝了完整的支原體基因組，移植入受體細(xì)胞后創(chuàng)造出僅由人工合成染色體控制的新細(xì)胞，這一創(chuàng)舉彰顯了合成生物學(xué)從底層重塑生命的強(qiáng)大能力，遠(yuǎn)非傳統(tǒng)基因工程所能企及。 這種對(duì)生物系統(tǒng)的深度干預(yù)與再造，使得合成生物學(xué)在應(yīng)對(duì)全球性挑戰(zhàn)時(shí)展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)革命性突破。

　�。ǘ�）發(fā)展歷程

　　合成生物學(xué)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，其起源可追溯至 20 世紀(jì)初。1911 年，法國(guó)物理化學(xué)家 Stephane Leduc 在《生命的機(jī)理》一書(shū)中率先提出 “Synthetic biology” 一詞，彼時(shí)他試圖借助物理學(xué)理論闡釋生物起源及進(jìn)化規(guī)律，雖未涉及現(xiàn)今合成生物學(xué)的實(shí)操層面，但為這一學(xué)科播下了思想的種子。

　　20 世紀(jì) 60 - 90 年代，分子生物學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，為合成生物學(xué)的崛起筑牢根基。1961 年，弗朗索瓦?雅各布（Francois Jacob）和雅克?莫諾（Jacques Monod）對(duì)大腸桿菌中 lac 操縱子的研究取得重大突破，揭示基因調(diào)控機(jī)制，為后續(xù)人工基因調(diào)控設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵理論支撐；70 年代至 80 年代，分子克隆與 PCR 技術(shù)相繼問(wèn)世，基因操作在微生物學(xué)研究中廣泛普及，讓科學(xué)家得以精準(zhǔn)操控基因片段；至 90 年代中期，自動(dòng) DNA 測(cè)序技術(shù)與先進(jìn)計(jì)算工具助力微生物基因組測(cè)序全面展開(kāi)，高通量技術(shù)用于測(cè)量細(xì)胞內(nèi)各類(lèi)分子及其相互作用，催生系統(tǒng)生物學(xué)，也為合成生物學(xué)積累海量數(shù)據(jù)與技術(shù)方法，促使生物學(xué)家與計(jì)算機(jī)科學(xué)家攜手，開(kāi)啟細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)反向工程探索之旅。

　　邁入 21 世紀(jì)，合成生物學(xué)迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。2000 年，波士頓大學(xué) Collins 團(tuán)隊(duì)受噬菌體 λ 開(kāi)關(guān)與藍(lán)藻晝夜節(jié)律振蕩器啟發(fā)，成功設(shè)計(jì)合成雙穩(wěn)態(tài)基因網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)；同年，普林斯頓大學(xué) Elowitz 和 Leibler 基于負(fù)反饋調(diào)控原理構(gòu)建基因振蕩網(wǎng)絡(luò)，這些成果標(biāo)志著合成生物學(xué)在基因線路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大跨越，開(kāi)啟構(gòu)建復(fù)雜人工基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的新篇章。2002 年，紐約州立大學(xué)石溪市分校 Wimmer 團(tuán)隊(duì)化學(xué)合成脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組，獲得具感染性的病毒，這是人類(lèi)首次人工合成生命體，震撼全球科學(xué)界，證明化學(xué)合成手段可構(gòu)建完整病毒基因組，為后續(xù)合成更復(fù)雜生命形式帶來(lái)曙光。2010 年，美國(guó) Venter 團(tuán)隊(duì)再創(chuàng)里程碑，宣布首個(gè) “人工合成基因組細(xì)胞” 誕生，他們精心設(shè)計(jì)、合成并組裝 1.08Mb 的支原體基因組，植入山羊支原體受體細(xì)胞，孕育出全新支原體細(xì)胞，由人工合成染色體主控，此成果將合成生物學(xué)從基因線路設(shè)計(jì)推向基因組層面操控，引發(fā)全球?qū)θ嗽焐�命的廣泛關(guān)注與深入探討。

　　此后，合成生物學(xué)持續(xù)高歌猛進(jìn)。2013 年，青蒿素的生物合成生產(chǎn)取得成功，利用合成生物學(xué)技術(shù)改造微生物，使其高效生產(chǎn)抗瘧藥物青蒿素前體，為解決青蒿素供應(yīng)難題提供創(chuàng)新方案，彰顯合成生物學(xué)在藥物合成領(lǐng)域的巨大潛力。2014 年，拓展遺傳密碼子入選 Science 年度十大科學(xué)突破，美國(guó) Scripps 研究所 Romesberg 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成非天然堿基配對(duì)，擴(kuò)充遺傳密碼子庫(kù)，理論上為生命形式多樣化開(kāi)啟無(wú)限可能，為創(chuàng)造全新生物功能與特性奠定分子基礎(chǔ)。2016 年，Nielsen 等人研發(fā)的 Cello 問(wèn)世，這一卓越的端到端計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)專為大腸桿菌邏輯構(gòu)造打造，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、表征與自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)諸多生物學(xué)工程功能，極大提升合成生物學(xué)設(shè)計(jì)效率，加速科研成果轉(zhuǎn)化落地。

　　近年來(lái)，合成生物學(xué)在多領(lǐng)域多點(diǎn)開(kāi)花。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，用于疾病診斷的快速生物傳感器、個(gè)性化基因治療方案、腫瘤免疫治療新策略等成果頻出；化工領(lǐng)域，生物基可降解塑料、綠色生物燃料等生物制造產(chǎn)品逐步走向市場(chǎng)，替代傳統(tǒng)石化產(chǎn)品，助力可持續(xù)發(fā)展；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，兼具抗逆與高產(chǎn)特性的智能作物、精準(zhǔn)靶向的生物農(nóng)藥不斷涌現(xiàn)，保障糧食安全同時(shí)降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。隨著工程化平臺(tái)日臻完善、生物大數(shù)據(jù)開(kāi)源共享，合成生物學(xué)正全方位滲透至各行各業(yè)，推動(dòng)生物技術(shù)、生物產(chǎn)業(yè)乃至生物醫(yī)藥邁向 “民主化” 發(fā)展新階段，成為全球科技創(chuàng)新的核心驅(qū)動(dòng)力之一，未來(lái)有望重塑人類(lèi)生產(chǎn)生活模式，開(kāi)啟全新生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代。

　�。ㄈ�）技術(shù)原理

　　合成生物學(xué)的底層技術(shù)架構(gòu)涵蓋多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，這些技術(shù)相互交織、協(xié)同發(fā)力，支撐起構(gòu)建人造生物系統(tǒng)的宏偉大廈。

　　基因編輯技術(shù)處于核心地位，它宛如精密的分子剪刀，能夠精準(zhǔn)地對(duì) DNA 序列進(jìn)行切割、插入、替換等操作，實(shí)現(xiàn)基因的定向改造。以 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)為例，其憑借向?qū)?RNA 精準(zhǔn)定位目標(biāo)基因位點(diǎn)，Cas9 核酸酶進(jìn)行切割，廣泛應(yīng)用于基因敲除、基因敲入、基因修復(fù)等場(chǎng)景。在作物育種中，可通過(guò)編輯水稻基因，增強(qiáng)其抗病蟲(chóng)能力、提升產(chǎn)量與品質(zhì)；在基因治療領(lǐng)域，用于修正患者體內(nèi)致病基因突變，為遺傳疾病治療帶來(lái)曙光。

　　基因合成技術(shù)則賦予科學(xué)家從頭構(gòu)建 DNA 序列的能力，按照預(yù)定設(shè)計(jì)，化學(xué)合成寡核苷酸片段，并通過(guò)拼接組裝成長(zhǎng)鏈 DNA。這項(xiàng)技術(shù)打破天然基因序列的限制，可定制具有全新功能的基因元件。例如，為使微生物生產(chǎn)特定藥用蛋白，人工合成優(yōu)化后的基因序列，導(dǎo)入底盤(pán)細(xì)胞，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞高效表達(dá)目標(biāo)蛋白，滿足醫(yī)藥研發(fā)與生產(chǎn)需求。

　　基因線路設(shè)計(jì)是合成生物學(xué)的 “智慧大腦”，它借鑒電子電路設(shè)計(jì)理念，將不同基因元件視為電子元件，通過(guò)合理組合與調(diào)控，構(gòu)建復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞行為的精確編程。如設(shè)計(jì)基因開(kāi)關(guān)，可按需啟動(dòng)或關(guān)閉特定基因表達(dá)；構(gòu)建邏輯門(mén)線路，讓細(xì)胞像微型計(jì)算機(jī)一樣，依據(jù)環(huán)境信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷與響應(yīng)，執(zhí)行特定任務(wù)，如檢測(cè)環(huán)境污染物并啟動(dòng)降解程序。

　　底盤(pán)細(xì)胞構(gòu)建為人工生物系統(tǒng)提供運(yùn)行 “載體”，選取合適的微生物（如大腸桿菌、酵母等）或真核細(xì)胞，去除冗余基因，優(yōu)化代謝通路，使其成為穩(wěn)定高效表達(dá)外源基因、執(zhí)行預(yù)設(shè)功能的平臺(tái)。以大腸桿菌為例，經(jīng)改造后的工程菌廣泛用于生產(chǎn)氨基酸、維生素、生物燃料等生物基產(chǎn)品，憑借生長(zhǎng)迅速、遺傳操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，成為合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)化的主力軍。

　　這些技術(shù)彼此配合，遵循 “設(shè)計(jì) - 構(gòu)建 - 測(cè)試 - 學(xué)習(xí)”（DBTL）循環(huán)模式。首先在設(shè)計(jì)階段，依據(jù)目標(biāo)功能，利用生物元件庫(kù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件等規(guī)劃基因線路與底盤(pán)細(xì)胞架構(gòu)；接著在構(gòu)建環(huán)節(jié)，運(yùn)用基因編輯、合成與細(xì)胞工程技術(shù)將設(shè)計(jì)藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為實(shí)體；隨后測(cè)試階段，通過(guò)多種分析手段評(píng)估構(gòu)建系統(tǒng)的性能表現(xiàn)；最后學(xué)習(xí)階段，總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如此往復(fù)，螺旋上升，推動(dòng)合成生物學(xué)不斷向縱深發(fā)展，解鎖更多生物制造潛能，創(chuàng)造出滿足人類(lèi)多元需求的生物系統(tǒng)與產(chǎn)品。

　　三、全球市場(chǎng)洞察

　　(一）市場(chǎng)規(guī)模與增長(zhǎng)趨勢(shì)

　　近年來(lái)，全球合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)出迅猛擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)。據(jù)《中國(guó)合成生物產(chǎn)業(yè)白皮書(shū) 2024》揭示，全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)在過(guò)去五年經(jīng)歷了高速增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的 53 億美元增長(zhǎng)到 2023 年的超過(guò) 170 億美元，平均年增長(zhǎng)率達(dá) 27%。這一增長(zhǎng)勢(shì)頭得益于多方面因素，一方面，生物技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，如基因編輯技術(shù)愈發(fā)精準(zhǔn)高效、基因合成成本不斷降低，為合成生物學(xué)的發(fā)展筑牢根基；另一方面，以 AI 為代表的信息技術(shù)飛躍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物大數(shù)據(jù)的深度挖掘與精準(zhǔn)分析，大幅提升合成生物學(xué)的研發(fā)效率，加速成果轉(zhuǎn)化落地。

　　從細(xì)分領(lǐng)域來(lái)看，醫(yī)藥領(lǐng)域作為當(dāng)前合成生物最大的細(xì)分市場(chǎng)，2023 年市場(chǎng)規(guī)模接近 56 億美元，憑借合成生物學(xué)技術(shù)在藥物研發(fā)、疫苗生產(chǎn)、基因治療等環(huán)節(jié)的深度滲透，持續(xù)推動(dòng)市場(chǎng)擴(kuò)容。隨著技術(shù)的精進(jìn)與應(yīng)用邊界拓展，化工、能源、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域?qū)�合成生物學(xué)的需求也日益增長(zhǎng)，市場(chǎng)潛力逐步釋放。預(yù)計(jì)到 2028 年，全球合成生物市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至近 500 億美元，2023 - 2028 年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率約為 24%；至本世紀(jì)末，合成生物有望廣泛應(yīng)用于占全球產(chǎn)出 1/3 以上的制造業(yè)，創(chuàng)造價(jià)值達(dá) 30 萬(wàn)億美元，成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

　　圖表：全球合成生物市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

　　數(shù)據(jù)來(lái)源：中投產(chǎn)業(yè)研究院

　�。ǘ�） 區(qū)域發(fā)展格局

　　全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出區(qū)域集聚的顯著特征，美國(guó)、中國(guó)、歐洲等地區(qū)依托各自優(yōu)勢(shì)，在這場(chǎng)科技浪潮中脫穎而出，構(gòu)筑起多極化的競(jìng)爭(zhēng)格局。

　　美國(guó)作為合成生物學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)者，憑借深厚的科研底蘊(yùn)、充裕的資本注入與前瞻性的政策布局，占據(jù)行業(yè)領(lǐng)先地位。2021 年，美國(guó)以近 42% 的份額成為全球合成生物學(xué)最大的區(qū)域市場(chǎng)。在科研層面，頂尖高校與科研機(jī)構(gòu)林立，如麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)等，持續(xù)孕育前沿技術(shù)與創(chuàng)新理念；產(chǎn)業(yè)端，匯聚 Ginkgo Bioworks、Amyris 等一批獨(dú)角獸企業(yè)，它們橫跨生物制藥、生物能源、生物材料等多元領(lǐng)域，構(gòu)建起龐大產(chǎn)業(yè)生態(tài)。政策上，美國(guó)國(guó)防部創(chuàng)立 BioMADE 協(xié)調(diào)工業(yè)規(guī)模生物制造，DARPA 啟動(dòng)生物制造 Switch 計(jì)劃打造可重編程合成生物平臺(tái)，NIST 制定系列標(biāo)準(zhǔn)框架，國(guó)會(huì)任命企業(yè)高管主導(dǎo)新興生物技術(shù)國(guó)家安全審查，全方位護(hù)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　中國(guó)近年來(lái)在合成生物學(xué)領(lǐng)域奮起直追，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)能。中央與地方協(xié)同發(fā)力，構(gòu)建起完善政策扶持體系，科技部在多期規(guī)劃中錨定合成生物學(xué)發(fā)展方向，地方政府紛紛設(shè)立產(chǎn)業(yè)基金、出臺(tái)專項(xiàng)政策，為企業(yè)成長(zhǎng)注入資金 “活水”。產(chǎn)業(yè)集群加速成型，京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)等地成為創(chuàng)新高地，北京昌平匯聚微元合成等 70 余家企業(yè)，上海張江坐擁凱賽生物等龍頭，深圳光明吸引近半生物制造初創(chuàng)企業(yè)扎根，產(chǎn)學(xué)研用深度融合，推動(dòng)合成生物學(xué)在醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，部分成果已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，成為全球合成生物學(xué)發(fā)展的重要一極。

　　歐洲地區(qū)同樣是生物技術(shù)創(chuàng)新的核心地帶，雖在術(shù)語(yǔ)使用上較為審慎，但憑借悠久生物技術(shù)傳統(tǒng)與雄厚產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，在合成生物學(xué)領(lǐng)域穩(wěn)扎穩(wěn)打。英國(guó)率先將合成生物學(xué)納入國(guó)家政策，建立 SynbiCITE 推動(dòng)中試轉(zhuǎn)化與商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，發(fā)布路線圖明晰產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑；歐盟各國(guó)注重發(fā)揮企業(yè)主體作用，諸多研究創(chuàng)新受私人基金會(huì)資助，企業(yè)聚焦合成生物技術(shù)商業(yè)落地，在生物制藥、生物材料等細(xì)分賽道精耕細(xì)作，打造出一批高附加值產(chǎn)品與服務(wù)，持續(xù)提升歐洲在全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)的話語(yǔ)權(quán)。

　　圖表：全球合成生物學(xué)區(qū)域發(fā)展格局占比

　　數(shù)據(jù)來(lái)源：中投產(chǎn)業(yè)研究院

　�。ㄈ�）重點(diǎn)企業(yè)剖析

　　在全球合成生物學(xué)蓬勃發(fā)展的浪潮中，一批領(lǐng)軍企業(yè)脫穎而出，它們憑借獨(dú)特的商業(yè)模式、深厚的技術(shù)儲(chǔ)備與前瞻的戰(zhàn)略布局，成為推動(dòng)行業(yè)前進(jìn)的核心力量。

　　Amyris 作為合成生物學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)上市公司，其發(fā)展歷程跌宕起伏，為行業(yè)提供諸多寶貴經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。公司創(chuàng)立之初聚焦生物燃油研發(fā)，憑借對(duì)酵母細(xì)胞基因工程改造，成功開(kāi)發(fā)出以蔗糖為原料的法尼烯，用于航空燃料、化妝品等多元領(lǐng)域，一度備受矚目。但因技術(shù)放大生產(chǎn)瓶頸、油價(jià)下滑成本劣勢(shì)，生物燃油商業(yè)化受挫。此后，Amyris 果斷轉(zhuǎn)型美妝領(lǐng)域，依托生物合成角鯊?fù)樵�料�?yōu)勢(shì)，推出 Biossance 等 9 個(gè)消費(fèi)品牌，覆蓋美容個(gè)護(hù)多細(xì)分市場(chǎng)，通過(guò)內(nèi)生外延雙輪驅(qū)動(dòng)、全渠道布局，實(shí)現(xiàn)品牌業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)。同時(shí)，構(gòu)建 Lab - to - Market?平臺(tái)，融合機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)化技術(shù)，開(kāi)發(fā)新成分、推動(dòng)量產(chǎn)商業(yè)化，已實(shí)現(xiàn) 14 種成分工業(yè)化量產(chǎn)，彰顯技術(shù)與商業(yè)轉(zhuǎn)化實(shí)力，雖近期面臨重整困境，但研發(fā)管線仍具潛力。

　　Ginkgo Bioworks 是平臺(tái)型合成生物學(xué)龍頭企業(yè)，由麻省理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立，構(gòu)建起獨(dú)特 “代碼庫(kù) + 細(xì)胞鑄造工廠” 雙核心架構(gòu)。代碼庫(kù)積累超 20 億基因信息，為細(xì)胞設(shè)計(jì)提供海量數(shù)據(jù)支撐；細(xì)胞鑄造工廠運(yùn)用自動(dòng)化、高通量技術(shù)，高效改造細(xì)胞、合成生物分子。其商業(yè)模式聚焦與各行業(yè)巨頭合作，為制藥、化工、食品等企業(yè)提供定制化生物工程解決方案，客戶涵蓋拜耳、杜邦等知名企業(yè)，憑借強(qiáng)大技術(shù)服務(wù)能力，在多領(lǐng)域催生創(chuàng)新成果，如助力藥物研發(fā)、優(yōu)化化工合成路線、開(kāi)發(fā)新型食品原料等，持續(xù)拓寬合成生物學(xué)商業(yè)邊界，鞏固行業(yè)領(lǐng)軍地位。

　　Zymergen 曾與 Ginkgo Bioworks、Amyris 并列合成生物學(xué)三巨頭，專注于利用合成生物學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)新型材料與生物基產(chǎn)品。公司基于對(duì)微生物基因編輯、代謝通路改造，挖掘自然界生物合成潛能，研發(fā)出可降解生物材料、高性能工業(yè)酶等創(chuàng)新產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于電子、紡織、環(huán)保等領(lǐng)域。雖在發(fā)展進(jìn)程中遭遇商業(yè)化節(jié)奏、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等挑戰(zhàn)，被 Zymergen 收購(gòu)后，憑借雙方技術(shù)融合、資源整合，有望重拾發(fā)展勢(shì)頭，為行業(yè)帶來(lái)更多材料領(lǐng)域突破性成果，持續(xù)賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型。 這些龍頭企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)拓展、產(chǎn)業(yè)協(xié)作等方面的探索實(shí)踐，不僅塑造各自競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，更為全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展點(diǎn)亮前行之路，引領(lǐng)行業(yè)邁向更廣闊天地。

　　四、國(guó)內(nèi)行業(yè)全景

　�。ㄒ唬┱�策東風(fēng)

　　我國(guó)對(duì)合成生物學(xué)的政策扶持由來(lái)已久，自 “八五” 計(jì)劃至 “十四五” 規(guī)劃期間，國(guó)家對(duì)合成生物學(xué)領(lǐng)域的引導(dǎo)逐步深化，歷經(jīng)生物行業(yè)頂層設(shè)計(jì)、細(xì)分領(lǐng)域引導(dǎo)以及下游應(yīng)用促進(jìn)三大階段。早期，“八五” 至 “十五” 計(jì)劃階段，雖 “合成生物學(xué)” 概念未普及，但國(guó)家聚焦生物技術(shù)發(fā)展，為后續(xù)奠基；“十一五” 至 “十二五”，細(xì)分領(lǐng)域技術(shù)規(guī)劃悄然布局，為應(yīng)用蓄勢(shì)。直至 “十三五” 至今，合成生物學(xué)迎來(lái)高速發(fā)展期，正式步入下游應(yīng)用的深度滲透階段。

　　國(guó)家多部門(mén)協(xié)同發(fā)力，出臺(tái)系列支持政策。發(fā)改委印發(fā)的《“十四五” 生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》著重強(qiáng)調(diào)推動(dòng)合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，明確要求突破生物制造菌種計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量篩選、高效表達(dá)、精準(zhǔn)調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，為產(chǎn)業(yè)技術(shù)攻堅(jiān)指明方向；工信部、科技部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等也紛紛響應(yīng)，在基因測(cè)序、生物育種、農(nóng)業(yè)科技等多領(lǐng)域出臺(tái)相關(guān)政策，全方位促進(jìn)合成生物學(xué)與各行業(yè)融合發(fā)展。

　　地方層面同樣積極作為，“十四五” 以來(lái)，上海、廣東、河南、山東等省市緊密?chē)�繞國(guó)家戰(zhàn)略，結(jié)合區(qū)域特色，出臺(tái)多項(xiàng)針對(duì)性政策。上海出臺(tái)《上海市加快合成生物創(chuàng)新策源 - 打造高端生物制造產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)方案（2023－2025 年）》，聚焦高端生物制造，力求打造產(chǎn)業(yè)集群；廣東深圳光明區(qū)印發(fā)《深圳市光明區(qū)關(guān)于支持合成生物創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展的若干措施》，從創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈融合角度給予支持；浙江杭州發(fā)布《支持合成生物產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干措施》，為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航。這些政策涵蓋生物醫(yī)藥、高端生物制造、生物基材料、產(chǎn)業(yè)集群構(gòu)建等多元領(lǐng)域，為地方合成生物學(xué)發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力，形成全國(guó)上下聯(lián)動(dòng)、協(xié)同發(fā)展的良好局面，推動(dòng)合成生物學(xué)在我國(guó)從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用穩(wěn)步邁進(jìn)。

　�。ǘ�）市場(chǎng)表現(xiàn)

　　近年來(lái)，中國(guó)合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模呈爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022 年中國(guó)合成生物市場(chǎng)規(guī)模約為 103 億元，2018 - 2022 年年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 43.3%，遠(yuǎn)超全球同期增速，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)能與巨大潛力。隨著技術(shù)持續(xù)突破、應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展以及政策利好加持，預(yù)計(jì)未來(lái)數(shù)年仍將維持高速增長(zhǎng)，至 2029 年，市場(chǎng)規(guī)模有望攀升至 40 億美元，成為全球合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵增長(zhǎng)極。

　　從產(chǎn)業(yè)鏈角度剖析，上下游協(xié)同效應(yīng)日益顯著。上游，華大智造、金斯瑞生物科技等使能技術(shù)型企業(yè)專注于基因測(cè)序、基因合成、基因編輯等核心技術(shù)研發(fā)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)底座；中游，弈柯萊、藍(lán)晶微生物等平臺(tái)型企業(yè)立足工藝改進(jìn)、酶工程平臺(tái)搭建，加速科技成果轉(zhuǎn)化；下游，凱賽生物、華恒生物等產(chǎn)品型企業(yè)聚焦生物基材料、氨基酸及其衍生物等產(chǎn)品生產(chǎn)，將技術(shù)創(chuàng)新落地為市場(chǎng)終端產(chǎn)品。各環(huán)節(jié)緊密配合，推動(dòng)合成生物學(xué)在醫(yī)藥、化工、能源、食品、農(nóng)業(yè)等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如醫(yī)藥領(lǐng)域用于創(chuàng)新藥物研發(fā)、疾病診斷，化工領(lǐng)域助力綠色生物基材料替代傳統(tǒng)石化產(chǎn)品，能源領(lǐng)域探索新型生物燃料開(kāi)發(fā)，食品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)人造肉、功能性食品生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推動(dòng)生物農(nóng)藥、生物肥料應(yīng)用，全方位賦能產(chǎn)業(yè)升級(jí)，拓展市場(chǎng)邊界，催生廣闊市場(chǎng)空間。

　�。ㄈ�）企業(yè)生態(tài)

　　我國(guó)合成生物學(xué)企業(yè)生態(tài)豐富多元，涵蓋平臺(tái)型、產(chǎn)品型等多種模式，各展其長(zhǎng)，協(xié)同共進(jìn)。

　　平臺(tái)型企業(yè)中，金斯瑞生物科技堪稱典范。作為全球最大基因供應(yīng)商之一，深耕生命科學(xué)服務(wù)近 20 載，依托深厚 DNA 合成技術(shù)積淀，構(gòu)筑起涵蓋生命科學(xué)服務(wù)及產(chǎn)品、生物制劑合約開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)（CDMO）、工業(yè)合成產(chǎn)品、綜合性全球細(xì)胞療法的多元業(yè)務(wù)矩陣，為全球科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)提供一站式合成生物學(xué)解決方案，從基因序列設(shè)計(jì)到生物分子合成，全方位助力客戶突破技術(shù)瓶頸，加速研發(fā)進(jìn)程，其強(qiáng)大的技術(shù)集成與服務(wù)能力，鑄就行業(yè)領(lǐng)軍地位。

　　弈柯萊生物科技同樣表現(xiàn)不俗，自 2015 年創(chuàng)立以來(lái)，專注合成生物學(xué)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用轉(zhuǎn)化，搭建規(guī)模宏大的生物資源工程庫(kù)平臺(tái)，手握超 20,000 種酶及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)，貫通從基因工程到產(chǎn)品規(guī)�；�生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈條，精準(zhǔn)賦能生物醫(yī)藥、綠色農(nóng)業(yè)、營(yíng)養(yǎng)健康等領(lǐng)域，憑借高效的技術(shù)轉(zhuǎn)化效率與廣泛的應(yīng)用拓展，在平臺(tái)型企業(yè)中脫穎而出。

　　產(chǎn)品型企業(yè)領(lǐng)域，凱賽生物獨(dú)占鰲頭，聚焦生物基聚酰胺產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，以長(zhǎng)鏈二元酸、生物基戊二胺等拳頭產(chǎn)品領(lǐng)航市場(chǎng)。依托卓越技術(shù)研發(fā)實(shí)力，構(gòu)建綠色生物制造體系，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于紡織、汽車(chē)、電子等諸多高端制造領(lǐng)域，以高性能、環(huán)保優(yōu)勢(shì)重塑材料產(chǎn)業(yè)格局，彰顯強(qiáng)大市場(chǎng)統(tǒng)治力。

　　華恒生物則專注氨基酸及其衍生物研發(fā)生產(chǎn)，丙氨酸產(chǎn)量位居全球前列。憑借先進(jìn)合成生物技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低成本，產(chǎn)品暢銷(xiāo)全球食品、飼料、日化等市場(chǎng)，以品質(zhì)與性價(jià)比贏得客戶信賴，穩(wěn)固行業(yè)地位，為我國(guó)合成生物學(xué)產(chǎn)品型企業(yè)發(fā)展樹(shù)立標(biāo)桿，攜手推動(dòng)產(chǎn)業(yè)邁向新高度。

　　五、多領(lǐng)域應(yīng)用探秘

　�。ㄒ唬┽t(yī)療健康革新

　　1.藥物研發(fā)新范式

　　合成生物學(xué)在藥物研發(fā)領(lǐng)域正掀起一場(chǎng)前所未有的變革，為攻克諸多醫(yī)學(xué)難題開(kāi)辟嶄新路徑。傳統(tǒng)藥物研發(fā)往往依賴于對(duì)天然產(chǎn)物的篩選或化學(xué)合成，過(guò)程漫長(zhǎng)且成本高昂，猶如大海撈針。而合成生物學(xué)借助基因編輯、生物合成等前沿技術(shù)，能夠深度挖掘生物體內(nèi)潛在的藥用分子合成途徑，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)并構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠，實(shí)現(xiàn)藥物活性成分的定向生產(chǎn)。

　　以胰島素為例，過(guò)去從動(dòng)物胰腺提取胰島素，產(chǎn)量受限且易引發(fā)免疫反應(yīng)。如今，通過(guò)合成生物學(xué)手段，對(duì)大腸桿菌或酵母細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造，使其攜帶人胰島素基因，這些經(jīng)過(guò)改造的 “工程菌” 如同微型制藥工廠，能夠按照預(yù)設(shè)程序大量合成與人體天然胰島素結(jié)構(gòu)和功能高度一致的重組胰島素，不僅極大提高產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本超 90%，還顯著提升藥物純度與安全性，讓全球數(shù)億糖尿病患者受益。

　　再如青蒿素，作為瘧疾治療的特效藥物，其天然提取受植物生長(zhǎng)周期、地域環(huán)境等因素制約，供應(yīng)極不穩(wěn)定。合成生物學(xué)成功破解這一困境，科學(xué)家將青蒿素生物合成途徑中的關(guān)鍵基因?qū)�入酵母菌，重�?gòu)其代謝通路，實(shí)現(xiàn)青蒿素前體物質(zhì)在酵母細(xì)胞內(nèi)的高效合成，為規(guī)�；�、穩(wěn)定化生產(chǎn)青蒿素提供可靠保障，有力推動(dòng)瘧疾防治進(jìn)程。

　　2.精準(zhǔn)診斷前沿

　　在疾病診斷環(huán)節(jié)，合成生物學(xué)同樣展現(xiàn)出巨大潛力，助力精準(zhǔn)醫(yī)療邁向新高度�；�于基因編輯技術(shù)，如 CRISPR - Cas 系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出一系列高靈敏度、高特異性的分子診斷工具，能夠在疾病早期甚至無(wú)癥狀階段精準(zhǔn)探測(cè)到病原體或基因突變蹤跡。

　　以新冠疫情防控為例，CRISPR - Cas13a 技術(shù)被巧妙應(yīng)用于開(kāi)發(fā)快速核酸檢測(cè)試劑，它能夠特異性識(shí)別新冠病毒 RNA 序列，一旦檢測(cè)到靶標(biāo)，立即啟動(dòng)酶切反應(yīng)，釋放可被檢測(cè)的信號(hào)，整個(gè)過(guò)程在 30 分鐘內(nèi)即可完成，相較于傳統(tǒng) PCR 檢測(cè)大幅縮短時(shí)間，且無(wú)需復(fù)雜儀器設(shè)備，可在基層醫(yī)療單位、機(jī)場(chǎng)海關(guān)等現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)，有效提升疫情防控效率，筑起疫情防控第一道防線。

　　此外，合成生物學(xué)驅(qū)動(dòng)的生物傳感器領(lǐng)域亦成果斐然。通過(guò)將生物識(shí)別元件（如抗體、核酸適配體）與納米材料、微流控芯片等先進(jìn)技術(shù)融合，構(gòu)建微型化、智能化生物傳感平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體血液、尿液等樣本中的生物標(biāo)志物變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥、心血管疾病、糖尿病等慢性疾病的早期預(yù)警與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。如針對(duì)腫瘤標(biāo)志物的電化學(xué)傳感器，可精準(zhǔn)捕捉血液中極其微量的癌胚抗原等蛋白分子，為癌癥早期診斷提供關(guān)鍵線索，顯著提高患者生存率。

　　3.細(xì)胞與基因治療突破

　　細(xì)胞與基因治療作為醫(yī)療領(lǐng)域最具前景的前沿方向之一，與合成生物學(xué)深度融合，為治愈眾多疑難雜癥燃起希望之光。CAR - T 細(xì)胞療法是其中的典型代表，該療法通過(guò)基因編輯技術(shù)，將患者自身的 T 淋巴細(xì)胞改造為 “抗癌特種兵”，即嵌合抗原受體 T 細(xì)胞（CAR - T）。在體外，利用合成生物學(xué)構(gòu)建的病毒載體或非病毒轉(zhuǎn)染系統(tǒng)，將識(shí)別腫瘤特異性抗原的 CAR 基因精準(zhǔn)導(dǎo)入 T 細(xì)胞基因組，使其表面表達(dá) CAR 蛋白，賦予 T 細(xì)胞精準(zhǔn)識(shí)別并高效殺傷腫瘤細(xì)胞的能力。

　　全球首個(gè)獲批上市的 CAR - T 產(chǎn)品 Kymriah，用于治療兒童和年輕成人急性淋巴細(xì)胞白血病，臨床試驗(yàn)中展現(xiàn)出驚人療效，患者完全緩解率高達(dá) 83%，開(kāi)啟血液腫瘤治療新紀(jì)元。此后，CAR - T 技術(shù)不斷迭代升級(jí)，針對(duì)實(shí)體瘤的 CAR - T 研發(fā)蓬勃發(fā)展，通過(guò)合成生物學(xué)優(yōu)化 CAR 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、篩選更具特異性腫瘤抗原、克服腫瘤微環(huán)境免疫抑制等策略，有望攻克肺癌、肝癌、胰腺癌等實(shí)體瘤難題。

　　CRISPR - Cas9 基因編輯技術(shù)在基因治療領(lǐng)域更是大放異彩，為糾正遺傳性疾病致病基因突變提供強(qiáng)大武器。鐮刀型細(xì)胞貧血癥由 β - 珠蛋白基因突變所致，科學(xué)家利用 CRISPR - Cas9 系統(tǒng)對(duì)患者造血干細(xì)胞中的突變基因進(jìn)行精準(zhǔn)修復(fù)，使其恢復(fù)正常功能，再將改造后的干細(xì)胞回輸患者體內(nèi)，有望從根源上治愈疾病。盡管基因治療仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如脫靶效應(yīng)、免疫原性等，但合成生物學(xué)持續(xù)賦能技術(shù)改進(jìn)，推動(dòng)其向臨床廣泛應(yīng)用穩(wěn)步邁進(jìn)，為人類(lèi)健康福祉帶來(lái)革命性飛躍。

　�。ǘ�）綠色化工轉(zhuǎn)型

　　1. 生物基材料崛起

　　在應(yīng)對(duì)全球塑料污染危機(jī)與推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中，合成生物學(xué)驅(qū)動(dòng)的生物基材料成為炙手可熱的焦點(diǎn)領(lǐng)域，正逐步顛覆傳統(tǒng)石化材料主導(dǎo)的市場(chǎng)格局。聚乳酸（PLA）作為生物基材料的明星產(chǎn)品，以其優(yōu)異的生物可降解性、良好機(jī)械性能與熱穩(wěn)定性脫穎而出。

　　PLA 通常由玉米、木薯等富含淀粉的農(nóng)作物經(jīng)微生物發(fā)酵獲取乳酸單體，再通過(guò)化學(xué)聚合工藝制備而成。與傳統(tǒng)聚乙烯、聚丙烯等塑料相比，PLA 在自然環(huán)境或堆肥條件下，可被微生物分解為二氧化碳和水，有效避免白色污染困擾。全球 PLA 產(chǎn)能持續(xù)攀升，美國(guó) Natureworks 和荷蘭 TCP 合計(jì)占據(jù)全球 73% 的 PLA 產(chǎn)能，中國(guó)企業(yè)亦奮起直追，豐原生物、海正生物等在建產(chǎn)能已超 250 萬(wàn)噸，廣泛應(yīng)用于包裝、紡織、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，如 3D 打印耗材、手術(shù)縫合線、食品包裝托盤(pán)等，以綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)重塑產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。

　　聚羥基脂肪酸酯（PHA）更是合成生物學(xué)在材料領(lǐng)域的驚艷之作，它是微生物在碳源過(guò)剩、氮源或磷源受限等特定條件下合成的天然聚酯類(lèi)聚合物。不同微生物菌株及培養(yǎng)條件可生產(chǎn)出分子結(jié)構(gòu)、性能各異的 PHA 產(chǎn)品，涵蓋從硬塑料到彈性體的廣泛特性區(qū)間，能滿足多樣化應(yīng)用需求。清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)挖掘出嗜鹽菌作為高效底盤(pán)細(xì)胞，首創(chuàng)開(kāi)放式發(fā)酵工藝，大幅削減生產(chǎn)成本，推動(dòng) PHA 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，中國(guó)微構(gòu)工場(chǎng)、藍(lán)晶微生物等領(lǐng)軍企業(yè)已建成或在建萬(wàn)噸級(jí) PHA 生產(chǎn)線，產(chǎn)品在高端包裝、生物醫(yī)學(xué)植入物、農(nóng)膜等領(lǐng)域嶄露頭角，雖現(xiàn)階段成本略高于傳統(tǒng)塑料，但隨著技術(shù)精進(jìn)與規(guī)模效應(yīng)釋放，有望成為未來(lái)主流材料。

　　2.生物燃料進(jìn)階

　　面對(duì)全球能源需求攀升與氣候變化雙重挑戰(zhàn)，合成生物學(xué)助力生物燃料產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，為能源轉(zhuǎn)型注入綠色動(dòng)力。纖維素乙醇作為第二代生物燃料典型代表，打破傳統(tǒng)生物乙醇以糧食作物（如玉米、甘蔗）為原料的局限，轉(zhuǎn)而利用農(nóng)作物秸稈、木屑、廢紙等木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)。

　　通過(guò)合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的微生物 “酶工廠”，高效分泌纖維素酶、半纖維素酶等復(fù)合酶系，將木質(zhì)纖維素大分子降解為可發(fā)酵單糖，再經(jīng)工程酵母或細(xì)菌發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇。這一過(guò)程不僅避免糧食與能源爭(zhēng)地矛盾，還將廢棄生物質(zhì) “變廢為寶”，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)的纖維素乙醇技術(shù)，已在商業(yè)示范工廠實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，每加侖生產(chǎn)成本較早期大幅降低，接近傳統(tǒng)汽油成本區(qū)間，為大規(guī)模商業(yè)化推廣奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　藻類(lèi)生物柴油則憑借藻類(lèi)生長(zhǎng)迅速、油脂含量高、不占用耕地等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為生物燃料領(lǐng)域新興力量。合成生物學(xué)深度介入藻類(lèi)改造，優(yōu)化藻種基因，提升其光合作用效率、耐逆性與油脂合成能力，同時(shí)結(jié)合光生物反應(yīng)器、微藻培養(yǎng)系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)藻類(lèi)生物柴油高效制備。如美國(guó) Solazyme 公司（現(xiàn) Corbion Algae Ingredients）運(yùn)用合成生物學(xué)培育富油微藻，生產(chǎn)的藻類(lèi)生物柴油各項(xiàng)指標(biāo)滿足航空燃料標(biāo)準(zhǔn)，已成功應(yīng)用于商業(yè)航班試飛，為航空業(yè)減排開(kāi)辟全新路徑，有望在未來(lái)交通能源領(lǐng)域大放異彩，助力全球碳減排宏偉目標(biāo)達(dá)成。

　�。ㄈ�）農(nóng)業(yè)科技賦能

　　1.生物農(nóng)藥與肥料創(chuàng)新

　　傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)高度依賴化學(xué)農(nóng)藥與化肥，雖保障糧食產(chǎn)量，但引發(fā)環(huán)境污染、土壤退化、生態(tài)失衡等諸多負(fù)面效應(yīng)。合成生物學(xué)為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供創(chuàng)新解決方案，催生新一代生物農(nóng)藥與生物肥料。

　　微生物農(nóng)藥作為生物農(nóng)藥主力軍，涵蓋細(xì)菌、真菌、病毒等多種類(lèi)型，利用其對(duì)有害生物特異性寄生、拮抗、毒殺等作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防治病蟲(chóng)害，且對(duì)非靶標(biāo)生物安全無(wú)害，不易誘導(dǎo)害蟲(chóng)抗藥性產(chǎn)生。蘇云金芽孢桿菌（Bt）制劑是應(yīng)用最廣泛的細(xì)菌殺蟲(chóng)劑，其在芽孢形成過(guò)程中產(chǎn)生的伴孢晶體蛋白對(duì)鱗翅目、鞘翅目等多種害蟲(chóng)具有高效毒殺作用，通過(guò)合成生物學(xué)優(yōu)化 Bt 基因表達(dá)調(diào)控元件，提高蛋白表達(dá)量與穩(wěn)定性，增強(qiáng)殺蟲(chóng)效力；白僵菌、綠僵菌等真菌農(nóng)藥則憑借孢子侵染害蟲(chóng)體表、在體內(nèi)繁殖致死的獨(dú)特方式，有效防控蝗蟲(chóng)、松毛蟲(chóng)等頑固性害蟲(chóng)，合成生物學(xué)助力改良菌株，提升孢子萌發(fā)率、侵染效率與環(huán)境適應(yīng)性，拓展應(yīng)用范圍。

　　生物肥料領(lǐng)域，固氮菌肥料展現(xiàn)巨大潛力。根瘤菌與豆科植物共生固氮體系為天然氮肥工廠，合成生物學(xué)深入解析共生機(jī)制，優(yōu)化根瘤菌基因，增強(qiáng)其侵染豆科植物根系形成有效根瘤、固定空氣中氮素的能力，減少化學(xué)氮肥使用量 30% - 50%，同時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力。此外，解磷菌、解鉀菌等微生物肥料通過(guò)溶解土壤中難溶性磷鉀礦物質(zhì)，釋放可供植物吸收的磷鉀養(yǎng)分，協(xié)同促進(jìn)植物生長(zhǎng)。這些生物農(nóng)藥與生物肥料產(chǎn)品，以生態(tài)友好、綠色高效特質(zhì)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展保駕護(hù)航。

　　2.作物精準(zhǔn)改良

　　隨著全球人口增長(zhǎng)與氣候變化加劇，保障糧食安全、提升作物品質(zhì)與抗逆性成為農(nóng)業(yè)緊迫任務(wù)，合成生物學(xué)為作物精準(zhǔn)改良開(kāi)辟全新路徑�；�于 CRISPR - Cas 基因編輯技術(shù)，科學(xué)家能夠?qū)ψ魑锘�因組進(jìn)行定點(diǎn)修飾，精準(zhǔn)調(diào)控關(guān)鍵基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)性狀定向改良，相比傳統(tǒng)雜交育種大幅縮短研發(fā)周期。

　　在抗逆育種方面，針對(duì)干旱、鹽堿、高溫等非生物脅迫，通過(guò)編輯水稻、小麥等作物的轉(zhuǎn)錄因子基因、離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因等，增強(qiáng)其滲透調(diào)節(jié)、抗氧化防御、水分與養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力，培育出系列耐旱、耐鹽、耐熱新品種。如中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所研究團(tuán)隊(duì)利用 CRISPR - Cas9 技術(shù)敲除水稻 SNAC1 基因的負(fù)調(diào)控因子，顯著提高水稻在干旱脅迫下的產(chǎn)量，為旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)希望曙光。

　　品質(zhì)改良領(lǐng)域同樣成果豐碩，通過(guò)基因編輯優(yōu)化作物淀粉、蛋白質(zhì)、油脂等營(yíng)養(yǎng)成分合成代謝途徑，提升糧食作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。如高油酸大豆品種研發(fā)，抑制大豆脂肪酸去飽和酶基因表達(dá)，提高油酸含量，改善大豆油品質(zhì)，滿足健康消費(fèi)需求；黃金大米通過(guò)導(dǎo)入 β - 胡蘿卜素合成基因，使胚乳富含維生素 A 前體，為解決維生素 A 缺乏癥提供可行方案，助力全球營(yíng)養(yǎng)改善。

　　此外，合成生物學(xué)在提升作物產(chǎn)量潛力上持續(xù)發(fā)力，優(yōu)化光合作用效率是關(guān)鍵突破口。改造作物光合系統(tǒng)相關(guān)基因，如 Calvin 循環(huán)關(guān)鍵酶基因、光呼吸支路基因等，有望突破光合效率瓶頸，實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量質(zhì)的飛躍，為養(yǎng)活全球日益增長(zhǎng)人口筑牢根基。

　　（四）食品營(yíng)養(yǎng)變革

　　1.人造食品創(chuàng)新浪潮

　　在可持續(xù)發(fā)展理念與消費(fèi)升級(jí)趨勢(shì)雙重驅(qū)動(dòng)下，合成生物學(xué)賦能食品領(lǐng)域，掀起人造食品創(chuàng)新浪潮，為人均資源緊張、環(huán)境承載壓力下的食品供應(yīng)體系變革提供全新思路。人造肉作為先鋒代表，包括植物基人造肉與細(xì)胞培養(yǎng)肉兩大類(lèi)型，正逐步顛覆傳統(tǒng)肉類(lèi)生產(chǎn)消費(fèi)模式。

　　植物基人造肉以大豆蛋白、豌豆蛋白等植物蛋白為核心原料，借助合成生物學(xué)技術(shù)模擬動(dòng)物肉質(zhì)感、風(fēng)味與營(yíng)養(yǎng)成分。通過(guò)對(duì)植物蛋白分子結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，利用擠壓成型、3D 打印等工藝構(gòu)建類(lèi)似動(dòng)物肌肉纖維組織形態(tài)，再添加血紅素、脂肪等關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)，使其在色澤、口感、香氣上高度逼近真肉。以 Beyond Meat、Impossible Foods 為代表的品牌風(fēng)靡全球，產(chǎn)品入駐眾多知名連鎖餐廳與商超，不僅滿足素食主義者、彈性素食者需求，還憑借低碳足跡優(yōu)勢(shì)，相較傳統(tǒng)肉類(lèi)生產(chǎn)減少 90% 以上溫室氣體排放、節(jié)約 90% 以上土地資源與水資源，引領(lǐng)綠色飲食風(fēng)尚。

　　細(xì)胞培養(yǎng)肉則是真正意義上的 “人造真肉”，從動(dòng)物體內(nèi)分離出肌肉干細(xì)胞，置于含營(yíng)養(yǎng)成分、生長(zhǎng)因子的生物反應(yīng)器中，在合成生物學(xué)構(gòu)建的精準(zhǔn)調(diào)控環(huán)境下，促使干細(xì)胞增殖分化為成熟肌肉組織。新加坡 Shiok Meats 公司利用蝦干細(xì)胞培育蝦肉，已推出細(xì)胞培養(yǎng)蝦肉產(chǎn)品原型，日本、以色列等國(guó)企業(yè)亦在牛肉、雞肉等細(xì)胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。盡管目前成本高昂、規(guī)模化生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)生態(tài)完善，有望在未來(lái)高端肉類(lèi)市場(chǎng)占據(jù)一席之地，重塑肉類(lèi)供應(yīng)版圖，保障未來(lái)食品可持續(xù)供應(yīng)。

　　2.營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化新策

　　現(xiàn)代消費(fèi)者對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)健康訴求日益多元，合成生物學(xué)助力食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化，解鎖功能性成分生物合成密碼，為傳統(tǒng)食品賦能增值。以維生素、礦物質(zhì)、益生菌等為代表的功能性成分，通過(guò)合成生物學(xué)手段實(shí)現(xiàn)高效綠色生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于乳制品、飲料、烘焙食品等品類(lèi)，滿足不同人群健康需求。

　　在維生素領(lǐng)域，維生素 C 傳統(tǒng)生產(chǎn)依賴化學(xué)合成或兩步發(fā)酵法，成本高且污染大。合成生物學(xué)創(chuàng)新構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠，如利用基因工程改造的大腸桿菌或酵母，優(yōu)化其葡萄糖代謝途徑，打通從葡萄糖到維生素 C 前體 2 - 酮基 - L - 古龍酸的合成路線，實(shí)現(xiàn)一步發(fā)酵高效生產(chǎn)維生素 C，成本降低 30% 以上，為食品、醫(yī)藥行業(yè)提供廉價(jià)優(yōu)質(zhì)原料。

　　益生菌產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展亦離不開(kāi)合成生物學(xué)助力，通過(guò)基因編輯優(yōu)化益生菌菌株功能特性，增強(qiáng)其腸道黏附定植能力、免疫調(diào)節(jié)活性、耐胃酸膽汁能力，使其更好發(fā)揮調(diào)節(jié)腸道菌群、改善消化功能、增強(qiáng)免疫力等保健功效。如乳雙歧桿菌 HN019，經(jīng)合成生物學(xué)改良后，在酸奶、奶粉等產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，助力腸道健康管理。

　　此外，針對(duì)特定人群營(yíng)養(yǎng)需求，如孕婦、老年人、運(yùn)動(dòng)員等，合成生物學(xué)開(kāi)發(fā)個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化策略。為孕婦奶粉定制添加生物合成的葉酸、DHA 等營(yíng)養(yǎng)成分，助力胎兒神經(jīng)管發(fā)育與大腦發(fā)育；為老年人食品強(qiáng)化生物可利用鈣、輔酶 Q10 等，維護(hù)骨骼與心血管健康；為運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品精準(zhǔn)補(bǔ)充支鏈氨基酸、肌酸等，提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)與肌肉修復(fù)能力，以精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)方案擁抱健康消費(fèi)新時(shí)代。

　　六、技術(shù)前沿追蹤

　�。ㄒ唬┗�因編輯升級(jí)

　　基因編輯技術(shù)作為合成生物學(xué)的核心工具，近年來(lái)持續(xù)突破創(chuàng)新，不斷拓展人類(lèi)改造生物基因組的邊界。以 CRISPR - Cas 系統(tǒng)為代表的基因編輯技術(shù)在精準(zhǔn)性、高效性及適用性上實(shí)現(xiàn)飛躍，為基礎(chǔ)科研、生物制藥、農(nóng)業(yè)育種等諸多領(lǐng)域注入強(qiáng)大動(dòng)力。

　　CRISPR - Cas 系統(tǒng)的優(yōu)化成為研究熱點(diǎn)，科學(xué)家致力于攻克其存在的脫靶效應(yīng)、PAM 序列限制等關(guān)鍵瓶頸。一方面，通過(guò)蛋白質(zhì)工程改造 Cas 蛋白結(jié)構(gòu)，如加州大學(xué)伯克利分校 Jennifer A. Doudna 實(shí)驗(yàn)室對(duì) GeoCas9 蛋白的 WED 功能域進(jìn)行理性設(shè)計(jì)，引入特定點(diǎn)突變，增強(qiáng)其與 DNA 結(jié)合能力并加速 DNA 解旋，不僅拓展 PAM 識(shí)別位點(diǎn)多樣性，還顯著提升在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的基因編輯效率，為 CRISPR 相關(guān)基因編輯技術(shù)升級(jí)開(kāi)辟新思路；另一方面，優(yōu)化向?qū)?RNA（gRNA）設(shè)計(jì)，借助生物信息學(xué)算法與高通量實(shí)驗(yàn)篩選，精準(zhǔn)挑選高活性、低脫靶風(fēng)險(xiǎn)的 gRNA 序列，提高基因編輯精準(zhǔn)度，降低潛在副作用。

　　堿基編輯技術(shù)嶄露頭角，為基因治療帶來(lái)新曙光。與傳統(tǒng) CRISPR - Cas 系統(tǒng)需切斷 DNA 雙鏈不同，堿基編輯技術(shù)能在維持 DNA 雙鏈完整性前提下，精準(zhǔn)校正單個(gè)堿基錯(cuò)誤，宛如分子層面的 “微創(chuàng)手術(shù)”。以正序生物為代表，其自主研發(fā)的高精準(zhǔn)變形式堿基編輯器 tBE，針對(duì) β - 地中海貧血癥，對(duì)患者自體造血干細(xì)胞中的 HBG1/2 啟動(dòng)子區(qū)域精準(zhǔn)編輯，模擬健康人群有益堿基突變，重新激活 γ - 珠蛋白表達(dá)，重建血紅蛋白攜氧功能，實(shí)現(xiàn)患者擺脫輸血依賴，展現(xiàn)堿基編輯在遺傳疾病治療領(lǐng)域的巨大潛力，有望攻克更多單堿基突變引發(fā)的疑難病癥。

　�。ǘ�）合成技術(shù)飛躍

　　DNA 合成技術(shù)作為合成生物學(xué)的基石，正經(jīng)歷著通量、長(zhǎng)度與成本的三重變革，為構(gòu)建復(fù)雜生物系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模基因組合成提供有力支撐。

　　在通量提升方面，以金斯瑞自主研發(fā)的全球最高通量 DNA 合成半導(dǎo)體芯片及平臺(tái)為典型代表，其利用獨(dú)有的微型半導(dǎo)體芯片技術(shù)，單芯片可允許 840 萬(wàn)個(gè)獨(dú)特寡核苷酸同時(shí)合成，搭載 4 個(gè)芯片的平臺(tái)，一次合成堿基數(shù)量超 57 億個(gè)，通量高達(dá)傳統(tǒng) 384 柱式 DNA 合成儀的 12 萬(wàn)倍，為海量基因序列快速定制奠定基礎(chǔ)，極大加速合成生物學(xué)研發(fā)進(jìn)程，滿足從基礎(chǔ)科研到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用對(duì)多樣化基因片段的急切需求。

　　合成長(zhǎng)度瓶頸逐步突破，化學(xué)合成法與酶促合成法協(xié)同發(fā)力。化學(xué)合成法不斷優(yōu)化工藝，柱式合成與芯片合成工藝迭代升級(jí)，使寡核苷酸鏈合成長(zhǎng)度向更長(zhǎng)邁進(jìn)，雖現(xiàn)階段仍受合成錯(cuò)誤累積、成本上升等制約，但已能滿足多數(shù)常規(guī)基因片段合成；酶促合成法憑借溫和反應(yīng)條件、底物特異性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)異軍突起，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所新酶設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)篩選獲得全新非模板依賴性 DNA 合成酶，經(jīng)蛋白質(zhì)工程改造，對(duì)修飾核苷酸底物催化效率提升 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，創(chuàng)建的二步循環(huán)酶促 DNA 合成技術(shù)，合成準(zhǔn)確率與化學(xué)合成法相當(dāng)，為合成長(zhǎng)片段、復(fù)雜結(jié)構(gòu) DNA 開(kāi)辟新徑。

　　成本控制成效斐然，技術(shù)革新與規(guī)模效應(yīng)雙輪驅(qū)動(dòng)。隨著微納加工技術(shù)融入 DNA 合成設(shè)備、合成原料生產(chǎn)工藝改進(jìn)以及自動(dòng)化合成流程普及，DNA 合成成本呈指數(shù)級(jí)下降趨勢(shì)。以高通量合成平臺(tái)為例，大規(guī)模并行合成使單位堿基成本降至傳統(tǒng)方法的百萬(wàn)分之一，讓科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)能夠以更低成本開(kāi)展大規(guī)模基因組合成項(xiàng)目，如人工基因組設(shè)計(jì)、合成生物元件庫(kù)構(gòu)建等，推動(dòng)合成生物學(xué)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。

　�。ㄈ�）智能設(shè)計(jì)崛起

　　人工智能（AI）與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)深度賦能合成生物學(xué)，重塑生物元件設(shè)計(jì)、代謝途徑優(yōu)化乃至生物系統(tǒng)構(gòu)建流程，加速?gòu)?“設(shè)計(jì)藍(lán)圖” 到 “功能實(shí)體” 轉(zhuǎn)化，成為引領(lǐng)合成生物學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵力量。

　　在生物元件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，AI 助力挖掘海量生物數(shù)據(jù)寶藏，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)元件功能特性。上海智峪生物科技有限公司開(kāi)發(fā)的峪云 ZCloud 平臺(tái)，融合 AI 算法，于基因、結(jié)構(gòu)與序列數(shù)據(jù)海洋中，依據(jù)目標(biāo)功能與催化路徑，快速鎖定潛在基因序列；通過(guò) FastAlphaFold2 算法優(yōu)化蛋白折疊建模，將原本耗時(shí)數(shù)小時(shí)的蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)壓縮至分鐘級(jí)，實(shí)現(xiàn)單日對(duì)數(shù)千條氨基酸序列的三維結(jié)構(gòu)建模，大幅提升生物元件設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性，為構(gòu)建高性能生物傳感器、基因調(diào)控元件等提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　代謝途徑優(yōu)化是合成生物學(xué)實(shí)現(xiàn)高效生物制造的核心挑戰(zhàn)，AI 在此領(lǐng)域展現(xiàn)卓越才能。借助機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)，精準(zhǔn)調(diào)控代謝流分配，優(yōu)化生物合成路徑。如在微生物發(fā)酵生產(chǎn)高附加值化學(xué)品過(guò)程中，AI 通過(guò)分析海量代謝數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整培養(yǎng)基成分、發(fā)酵條件，引導(dǎo)代謝流向目標(biāo)產(chǎn)物富集，提升產(chǎn)量、降低副產(chǎn)物生成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程智能化管控，已在維生素、抗生素、生物燃料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，顯著提升產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

　　生物系統(tǒng)構(gòu)建層面，AI 驅(qū)動(dòng)的虛擬建模與仿真技術(shù)成為 “先遣隊(duì)”。通過(guò)構(gòu)建生物系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，模擬細(xì)胞生長(zhǎng)、基因表達(dá)調(diào)控、物質(zhì)能量代謝等復(fù)雜過(guò)程，提前評(píng)估設(shè)計(jì)方案可行性，減少實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本�？蒲袌F(tuán)隊(duì)利用基于 AI 的計(jì)算平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)中模擬合成生物系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境刺激響應(yīng)，優(yōu)化系統(tǒng)魯棒性與適應(yīng)性，加速?gòu)睦碚撛O(shè)計(jì)到功能實(shí)現(xiàn)的迭代周期，為創(chuàng)造具有特定功能的人工細(xì)胞、多細(xì)胞體系等復(fù)雜生物系統(tǒng)提供關(guān)鍵決策支持。

　�。ㄋ模� 高通量實(shí)驗(yàn)加速

　　自動(dòng)化與高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)為合成生物學(xué)發(fā)展安上 “加速器”，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)低通量、高耗時(shí)瓶頸，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、快速、精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)操作，推動(dòng)合成生物學(xué)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)邁向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新階段。

　　自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué) “設(shè)計(jì) - 構(gòu)建 - 測(cè)試 - 學(xué)習(xí)”（DBTL）流程全自動(dòng)化。以浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心的合成生物學(xué)自動(dòng)化科學(xué)裝置（iBioFoundry）為例，在中央軟件智能調(diào)度下，軌道式機(jī)械臂協(xié)同 30 余種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，無(wú)縫銜接樣本智能存取、DNA 元件組裝、細(xì)胞篩選培養(yǎng)及產(chǎn)物檢測(cè)等環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)效率提升 2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，不僅確保實(shí)驗(yàn)流程標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)精確性，更解放科研人員雙手，使其聚焦于創(chuàng)造性科研工作，加速合成生物學(xué)知識(shí)積累與技術(shù)創(chuàng)新。

　　微型化與微流控技術(shù)在高通量實(shí)驗(yàn)中扮演關(guān)鍵角色，為單細(xì)胞水平研究、微量樣本分析提供精細(xì)操控手段。微流控芯片憑借微米級(jí)通道網(wǎng)絡(luò)，精準(zhǔn)操控納升至微升量級(jí)樣本，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分選、基因編輯、代謝物檢測(cè)等多功能集成。在合成生物元件功能驗(yàn)證中，可同時(shí)對(duì)數(shù)千個(gè)單細(xì)胞搭載的不同基因線路進(jìn)行平行測(cè)試，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞響應(yīng)，快速篩選出高性能元件；于藥物研發(fā)領(lǐng)域，模擬人體微環(huán)境，構(gòu)建器官 - 芯片模型，高通量測(cè)試藥物療效與毒性，為新藥開(kāi)發(fā)提速降本，變革傳統(tǒng)藥物研發(fā)模式。

　　大數(shù)據(jù)與信息化管理系統(tǒng)是高通量實(shí)驗(yàn)的 “智慧大腦”，對(duì)海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高效采集、存儲(chǔ)、分析與反饋。實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的基因序列、細(xì)胞表型、代謝物譜等多源數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)軟件實(shí)時(shí)采集整合，依托云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)算法深度挖掘數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，為科研人員提供直觀可視化結(jié)果與優(yōu)化建議，形成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)科研決策的良性閉環(huán)，持續(xù)改進(jìn)合成生物學(xué)設(shè)計(jì)方案，加速創(chuàng)新成果產(chǎn)出與迭代升級(jí)，助力合成生物學(xué)在各領(lǐng)域釋放更大應(yīng)用潛能。

　　七、挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

　　（一）技術(shù)瓶頸制約

　　盡管合成生物學(xué)取得了顯著的進(jìn)展，但目前仍面臨著諸多技術(shù)瓶頸。在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，如何保證生物系統(tǒng)的一致性和穩(wěn)定性是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，不同批次之間的生產(chǎn)結(jié)果可能存在較大差異，這給工業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外，生物元件的標(biāo)準(zhǔn)化程度仍然較低，不同實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)之間的生物元件難以通用，限制了合成生物學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用。底盤(pán)細(xì)胞的選擇和適配也存在一定的困難，不同的生物系統(tǒng)對(duì)底盤(pán)細(xì)胞的要求不同，如何選擇合適的底盤(pán)細(xì)胞并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效的生物合成，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　為應(yīng)對(duì)這些技術(shù)瓶頸，科研人員需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，深入了解生物系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，提高對(duì)生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)能力。同時(shí)，加強(qiáng)生物元件的標(biāo)準(zhǔn)化工作，建立統(tǒng)一的生物元件庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)生物元件的共享和通用。此外，還需要進(jìn)一步優(yōu)化底盤(pán)細(xì)胞的選擇和改造方法，提高底盤(pán)細(xì)胞對(duì)不同生物合成過(guò)程的適應(yīng)性。

　�。ǘ�）生物安全隱憂

　　合成生物學(xué)的發(fā)展也帶來(lái)了一系列生物安全隱患。工程生物體在環(huán)境中的釋放可能會(huì)對(duì)生態(tài)平衡造成影響，例如，經(jīng)過(guò)基因改造的微生物可能會(huì)在自然環(huán)境中與野生型微生物發(fā)生基因交換，從而導(dǎo)致基因漂移，改變自然生態(tài)系統(tǒng)的遺傳結(jié)構(gòu)。此外，基因編輯技術(shù)的脫靶效應(yīng)也可能引發(fā)不可預(yù)見(jiàn)的后果，若在治療過(guò)程中對(duì)非目標(biāo)基因產(chǎn)生意外編輯，可能會(huì)引發(fā)新的健康問(wèn)題。

　　針對(duì)這些生物安全隱憂，需要建立健全嚴(yán)格的生物安全評(píng)估體系。在工程生物體釋放到環(huán)境之前，進(jìn)行全面且細(xì)致的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，包括對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)層面的潛在影響評(píng)估。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)基因編輯技術(shù)的監(jiān)管，制定嚴(yán)格的操作規(guī)范和審批流程，確保基因編輯的安全性和可控性。科研人員也應(yīng)不斷優(yōu)化基因編輯技術(shù)，降低脫靶風(fēng)險(xiǎn)，提高技術(shù)的安全性 。

　�。ㄈ�）倫理爭(zhēng)議審視

　　合成生物學(xué)引發(fā)了諸多倫理爭(zhēng)議。例如，對(duì)于合成生命的倫理地位問(wèn)題，社會(huì)各界存在廣泛討論，創(chuàng)造出全新的生命形式挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的生命倫理觀念。另外，基因編輯應(yīng)用于人類(lèi)生殖細(xì)胞領(lǐng)域更是爭(zhēng)議不斷，這涉及到人類(lèi)遺傳基因庫(kù)的改變，可能引發(fā)一系列倫理道德問(wèn)題，如 “設(shè)計(jì)嬰兒” 等違背人性和公平原則的現(xiàn)象。

　　面對(duì)這些倫理爭(zhēng)議，需要構(gòu)建廣泛參與的倫理審查機(jī)制。邀請(qǐng)倫理學(xué)家、社會(huì)學(xué)家、公眾代表等共同參與，對(duì)合成生物學(xué)研究項(xiàng)目進(jìn)行倫理審查。同時(shí)，加強(qiáng)倫理教育和公眾溝通，提高公眾對(duì)合成生物學(xué)的認(rèn)知和理解，引導(dǎo)公眾參與討論，形成社會(huì)共識(shí)，確保技術(shù)的發(fā)展符合倫理道德規(guī)范。

　�。ㄋ模┱�策監(jiān)管滯后

　　當(dāng)前，合成生物學(xué)領(lǐng)域的政策法規(guī)更新速度滯后于技術(shù)發(fā)展的步伐。一方面，法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)缺失，對(duì)于合成生物學(xué)產(chǎn)品的界定、審批、監(jiān)管等方面缺乏明確且統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致市場(chǎng)上產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，企業(yè)發(fā)展面臨不確定性。另一方面，國(guó)際間政策協(xié)同不足，在全球化背景下，合成生物學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品的跨國(guó)流動(dòng)使得不同國(guó)家和地區(qū)的政策差異成為阻礙產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的因素，也容易出現(xiàn)監(jiān)管漏洞。

　　為解決政策監(jiān)管滯后問(wèn)題，各國(guó)政府應(yīng)加快政策法規(guī)的制定和更新，明確合成生物學(xué)相關(guān)產(chǎn)品的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和流程。加強(qiáng)國(guó)際合作與交流，建立國(guó)際間的政策協(xié)調(diào)機(jī)制，共同應(yīng)對(duì)合成生物學(xué)發(fā)展帶來(lái)的全球性挑戰(zhàn)，促進(jìn)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)的健康、有序發(fā)展。

　　圖表：政策監(jiān)管滯后對(duì)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)影響占比調(diào)查

　　數(shù)據(jù)來(lái)源：中投產(chǎn)業(yè)研究院

　　八、未來(lái)展望與投資建議

　�。ㄒ唬┶厔�(shì)前瞻

　　未來(lái)，合成生物學(xué)有望在多個(gè)方面取得重大突破。技術(shù)上，基因編輯、合成等核心技術(shù)將更加精準(zhǔn)、高效和安全，進(jìn)一步拓展應(yīng)用邊界。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)拓展，在醫(yī)療領(lǐng)域，有望開(kāi)發(fā)出更多針對(duì)疑難雜癥的個(gè)性化治療方案；在工業(yè)領(lǐng)域，生物制造將更加普及，實(shí)現(xiàn)更多傳統(tǒng)化學(xué)產(chǎn)品的綠色替代；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，培育出更多具有優(yōu)良性狀的作物品種，保障全球糧食安全；在環(huán)保領(lǐng)域，為污染物的降解和資源回收提供創(chuàng)新解決方案。同時(shí)，合成生物學(xué)與其他前沿技術(shù)，如人工智能、納米技術(shù)等的融合將不斷加深，催生更多的新興產(chǎn)業(yè)和商業(yè)模式 。

　　圖表：合成生物學(xué)未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域拓展趨勢(shì)預(yù)估

　　數(shù)據(jù)來(lái)源：中投產(chǎn)業(yè)研究院

　�。ǘ�）投資洞察

　　基于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)格局和技術(shù)前景，投資者可重點(diǎn)關(guān)注以下細(xì)分領(lǐng)域。在平臺(tái)技術(shù)方面，投資專注于基因編輯技術(shù)優(yōu)化、生物元件庫(kù)建設(shè)、高通量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建的企業(yè)，這些企業(yè)擁有底層核心技術(shù)，具有較高的技術(shù)壁壘和發(fā)展?jié)摿�。在�?yīng)用領(lǐng)域，醫(yī)療健康和綠色化工領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊，投資布局相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)有望獲得豐厚回報(bào)。此外，關(guān)注具有創(chuàng)新性商業(yè)模式的初創(chuàng)企業(yè)，這些企業(yè)能夠快速適應(yīng)市場(chǎng)變化，挖掘合成生物學(xué)的新應(yīng)用場(chǎng)景。在投資策略上，可采取多元化投資組合，分散風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)長(zhǎng)期關(guān)注技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，適時(shí)調(diào)整投資布局，以獲取合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的長(zhǎng)期收益。

　　圖表：合成生物學(xué)領(lǐng)域投資方向占比建議

　　數(shù)據(jù)來(lái)源：中投產(chǎn)業(yè)研究院