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        全球合成生物行業(yè)發(fā)展前沿分析

        2021-10-13 09:34:32邱偉龍廖秀靈
        集成技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:生物學(xué)生物

        邱偉龍 廖秀靈 羅 巍 李 航 夏 霖* 張 嵐*

        1(北京演繹科技有限公司 北京 100022)

        2(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)

        1 引 言

        21 世紀以來,在生物學(xué)、工程學(xué)、計算機科學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科的融匯中,合成生物學(xué)應(yīng)運而生。作為一個快速發(fā)展的跨學(xué)科領(lǐng)域,合成生物學(xué)主要建立在分子生物學(xué)和工程設(shè)計相結(jié)合的基礎(chǔ)上[1],為生命科學(xué)研究、生物技術(shù)開發(fā)和生物工程應(yīng)用提供了全新的研究策略。多學(xué)科交叉融合的特性使合成生物學(xué)正在引發(fā)生物學(xué)思維的根本轉(zhuǎn)變,并創(chuàng)造了新的范式,傳統(tǒng)利用自然界存在與演化的物質(zhì)生產(chǎn)模式將被使用合成的、工程的和一次性的生物部件與系統(tǒng)的新模式所取代[2]。

        近年來,合成生物學(xué)及其應(yīng)用頻繁出現(xiàn)在人們視線中,深刻影響著化工、食品、消費品、能源、醫(yī)療健康和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展,并創(chuàng)造了巨大的社會和經(jīng)濟價值。例如,利用微生物細胞工廠生產(chǎn)化學(xué)品、材料、燃料、植物天然成分和替代蛋白;將細胞傳感器用于臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境和食品監(jiān)測;通過細菌、細胞來治療疾病和幫助作物增產(chǎn)等[3]。未來,基于合成生物學(xué)能按照特定目標進行理性設(shè)計、改造乃至重新合成生物體系的特點,合成生物學(xué)將不斷拓展應(yīng)用的新邊界,更好地服務(wù)人類社會的發(fā)展。

        2 市場整體情況

        2018 年,美國生物技術(shù)創(chuàng)新組織(Biotechnology Innovation Organization,BIO)在《可再生化學(xué)平臺構(gòu)建生物經(jīng)濟》報告中測算了 16 個國家 100家公司對生物基經(jīng)濟快速增長的貢獻值。報告顯示,這些公司在工業(yè)生物技術(shù)、生物燃料、可再生化學(xué)品、酶和生物基材料等領(lǐng)域?qū)θ蚪?jīng)濟貢獻的價值超過 3 552 億美元[4]。

        2020 年麥肯錫全球研究院(McKinsey Global Institute,MGI)在其發(fā)布的《生物革命:創(chuàng)新改變經(jīng)濟、社會和人們的生活》研究報告中,通過400 個應(yīng)用案例的分析,從人類健康和機能、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和食品、消費品和服務(wù)、材料和能源等方面闡述了合成生物學(xué)及相關(guān)生命科學(xué)技術(shù)進步帶來的經(jīng)濟影響。預(yù)計在未來 10~20 年,這些應(yīng)用可能每年對全球產(chǎn)生 2~4 萬億美元的直接經(jīng)濟影響[5]。

        BIO 和 MGI 的測算數(shù)據(jù)反映的并不只是合成生物學(xué)直接驅(qū)動的市場規(guī)模,其中還包含了工業(yè)生物技術(shù)和其他生命科學(xué)技術(shù)進步所帶來的經(jīng)濟影響。美國市場調(diào)查公司 BCC Research 2020 年發(fā)布的《合成生物學(xué):全球市場》報告數(shù)據(jù)顯示,2019 年由合成生物學(xué)直接驅(qū)動的全球市場規(guī)模已達 53.19 億美元,預(yù)計到 2024 年可達 188.85 億美元,2019—2024 年的復(fù)合年增長率(Compound Annual Growth Rate,CAGR)可達28.8%[2]。

        從全球范圍內(nèi)不同領(lǐng)域市場規(guī)模來看(表 1),與醫(yī)療健康相關(guān)的應(yīng)用主導(dǎo)了合成生物學(xué)行業(yè)的商業(yè)化,而在食品、農(nóng)業(yè)、消費品以及化工領(lǐng)域,孕育著重要的市場機遇,相關(guān)細分市場空間正在以高 CAGR 的水平增長。

        表1 2017—2024 年全球合成生物學(xué)市場規(guī)模[2]Table 1 Size of global synthetic biology market in 2017—2024[2]

        從地理區(qū)域市場規(guī)模來看(表 2),全球合成生物學(xué)市場由北美洲和歐洲主導(dǎo),分別占 2019年全球總市場份額的 58.5% 和 23.6%;亞太區(qū)是第三大市場,占 2019 年全球總市場份額的15.1%,與北美洲仍存在較為明顯的差距。

        表2 2017—2024 年全球合成生物學(xué)區(qū)域市場規(guī)模[2]Table 2 Regional market size of global synthetic biology in 2017—2024[2]

        3 行業(yè)融資現(xiàn)狀

        3.1 研究方法

        本文以全球科技市場情報平臺 CB Insights作為數(shù)據(jù)來源,使用合成生物學(xué)以及與合成生物學(xué)相關(guān)的英文關(guān)鍵詞:Synthetic Biology、Synthetic、SynBio、Biomanufacturing、Industrial Biotechnology、BioFoundry、DNA/RNA Synthesis、DNA/RNA Design、DNA Storage、Renewable Chemicals、Bio-based Materials、Biofuels、Gene Editing、CRISPR/Cas9、Gene Therapy、Cell Therapy 進行檢索,并對檢索出來的公司融資數(shù)據(jù)進行人為去噪——去除非合成生物學(xué)公司的融資數(shù)據(jù)。檢索時間為 2020 年 3 月20 日。數(shù)據(jù)分析采用定性及定量分析結(jié)合專家智慧的方法;數(shù)據(jù)處理采用 CB Insights 平臺分析工具和 Microsoft Office Excel 電子表格軟件。

        3.2 融資數(shù)據(jù)分析

        通過 CB Insights 對 2010—2020 年全球合成生物學(xué)公司上市前投融資事件數(shù)據(jù)進行的統(tǒng)計如圖 1(a)所示。在該時間段內(nèi),全球合成生物學(xué)領(lǐng)域共發(fā)生 1 130 起投融資事件,總?cè)谫Y額超過210 億美元。2020 年,合成生物學(xué)領(lǐng)域的投融資事件數(shù)量和金額均創(chuàng)下歷史記錄,分別為 189 起和 56.6 億美元。投融資事件數(shù)量和金額的不斷攀升也從側(cè)面反映了合成生物學(xué)市場正在日趨成熟,合成生物學(xué)公司正在被越來越多的資本青睞。從圖 1(b) 可以看出,2020 年也是這十余年間投融資事件平均交易額最高的一年,這得益于該領(lǐng)域頻發(fā)的大額投融資事件。其中,合成生物學(xué)公司 Impossible Foods、Lyell Immunopharma、Sana 和 Zymergen 的單次最大投融資金額均超過了 3 億美元。

        圖1 全球 2010—2020 年合成生物學(xué)領(lǐng)域投融資變化趨勢Fig.1 Global investment and financing trends in synthetic biology in 2010—2020

        而從全球合成生物學(xué)領(lǐng)域投融資事件發(fā)生的地域分布來看(表 3),北美洲是全球合成生物學(xué)投融資最活躍的地區(qū),占全球投融資交易比例的82.92%,這也和全球合成生物學(xué)區(qū)域市場由北美洲主導(dǎo)的現(xiàn)狀相符。相比于歐洲 12.65% 的交易占比,亞洲的合成生物學(xué)公司投融資事件較少,但平均交易額達到了 1 960 萬美元,遠超歐洲927 萬美元的平均交易額。

        表3 全球 2010—2020 年合成生物學(xué)領(lǐng)域投融資事件地區(qū)分布Table 3 Regional distribution of global investment and financing events in synthetic biology in 2010—2020

        4 行業(yè)發(fā)展解讀

        合成生物學(xué)本身的發(fā)展和增長要歸功于多種技術(shù)的融合,包括 DNA/RNA 設(shè)計和合成、基因測序和基因編輯等基礎(chǔ)技術(shù),以及一系列不斷擴展的技術(shù),如計算、生物信息學(xué)、多組學(xué)、人工智能、自動化、3D 生物打印和精密發(fā)酵等。近些年,生命科學(xué)領(lǐng)域的一系列技術(shù)創(chuàng)新,如CRISPR/Cas9 基因編輯、干細胞重編程和單細胞測序等,正在為合成生物學(xué)提供新技術(shù)和工具。這些基礎(chǔ)技術(shù)和工具的發(fā)展和應(yīng)用加速了合成生物學(xué)的商業(yè)化落地進程:一方面誕生了開發(fā)使能技術(shù)為合成生物學(xué)相關(guān)公司提供基礎(chǔ)產(chǎn)品和服務(wù)的公司,如 DNA/RNA 設(shè)計和合成、相關(guān)軟件和生物體設(shè)計與自動化平臺等領(lǐng)域的公司;另一方面,合成生物學(xué)已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,催生了大量的產(chǎn)品導(dǎo)向型公司,涉及醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)、化工、食品和消費品等領(lǐng)域。

        4.1 底層技術(shù)及應(yīng)用

        在底層技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的合成生物學(xué)公司主要依靠使能技術(shù)來提供產(chǎn)品或服務(wù),并在各自領(lǐng)域推動著行業(yè)發(fā)展。如 DNA 設(shè)計和合成公司可以幫助快速高效地構(gòu)建復(fù)雜的遺傳構(gòu)件,生物計算機輔助設(shè)計和制造(Biological Computer-Aided Design and Manufacturing,bioCAD/CAM)公司促進了生物系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建過程[6],生物體設(shè)計與自動化平臺公司借助生物鑄造廠(BioFoundry)可以快速高通量地建造、測試和優(yōu)化生命體等。

        在 DNA/RNA 設(shè)計和合成領(lǐng)域,既有諸如Thermo Fisher 和 Agilent 這樣的跨國巨頭,也有 Twist 和 DNA Script 這樣的明星初創(chuàng)企業(yè)。美國公司 Twist 已經(jīng)建立了高通量、低成本的新一代硅基 DNA 合成平臺,可以大量合成高質(zhì)量的DNA 片段及基因,用于藥物開發(fā)實驗和臨床診斷等場景。法國公司 DNA Script 是酶促 DNA 合成技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者,主要利用無模板酶技術(shù)來制造和合成 DNA,現(xiàn)已研發(fā)出世界上第一臺使用酶促技術(shù)的臺式 DNA 打印機 SYNTAX。

        在軟件領(lǐng)域,bioCAD/CAM 等工具正在幫助人們實現(xiàn)對基因線路、DNA 和蛋白質(zhì)的設(shè)計。此外,一些公司也開始嘗試將這些工具集成到工作流中,通過迭代設(shè)計—構(gòu)建—測試—學(xué)習(xí)(Design-Build-Test-Learn,DBTL)周期,加速生物系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建過程[7]。如美國公司Benchling 就是一家專注于生命科學(xué)行業(yè)的研發(fā)云平臺[8],研究人員可以通過 Benchling 平臺設(shè)計和運行各種生命科學(xué)實驗,并進行實驗數(shù)據(jù)分析和共享研究結(jié)果。英國公司 Synthace 構(gòu)建了一個云軟件平臺 Antha,這是一種計算機輔助的生物學(xué)軟件平臺,可以對實驗室的設(shè)備、協(xié)議及工藝流程進行自動化編程,形成可共享及擴展的工作流。

        在生物體設(shè)計與自動化平臺領(lǐng)域,借助軟件和硬件解決方案的結(jié)合,人們可以快速高通量地設(shè)計、構(gòu)建、測試和優(yōu)化生命體。美國公司Amyris、Ginkgo Bioworks 和 Zymergen,都有通過建立生物鑄造廠將特意設(shè)計的基因線路自動化裝載到活細胞中,并輔以高通量測試,利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)運行 DBTL 周期循環(huán),來實現(xiàn)工程化的海量試錯以加速設(shè)計周期[9]。不同于 Amyris 和Zymergen 兩家公司的產(chǎn)品主導(dǎo)型定位,Ginkgo Bioworks 定位于平臺,更專注于合成生物學(xué)價值鏈的設(shè)計環(huán)節(jié)。其通過建立規(guī)模龐大的宏基因組數(shù)據(jù)庫,繪制基因、蛋白質(zhì)和代謝途徑,并借助生物鑄造廠和機器學(xué)習(xí)來不斷地運行 DBTL 周期,以設(shè)計適合生產(chǎn)目標產(chǎn)物的微生物,為下游合作伙伴提供模塊化的解決方案[10]。美國公司Inscripta 基于 CRISPR 基因編輯原理開發(fā)出一類CRISPR 酶家族 MADzymes,并借此建立全球首個數(shù)字化基因組工程臺式平臺 Onyx。通過 Onyx平臺,科學(xué)家能夠進行高通量的基因組編輯和分析,實現(xiàn)在自己的實驗室中便捷地編輯和設(shè)計微生物。

        4.2 醫(yī)療健康

        合成生物學(xué)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛,涉及細胞免疫療法、RNA 藥物、微生態(tài)療法、基因編輯相關(guān)應(yīng)用、體外檢測、醫(yī)療耗材、藥物成分生產(chǎn)和制藥用酶等多方面。例如:利用 mRNA技術(shù)快速人工合成疫苗,利用基因編輯技術(shù)治療遺傳疾病,設(shè)計細胞行為和表型精確調(diào)控的免疫細胞治療腫瘤,開發(fā)快速、靈敏的診斷試劑,改造微生物和合成人工噬菌體來治療疾病,改造微生物生產(chǎn)醫(yī)療耗材和藥物成分等。隨著合成生物學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新及充分應(yīng)用,未來將幫助人們解決更多的健康問題。

        在 RNA 藥物領(lǐng)域,主要有寡核苷酸藥物和 mRNA 藥物。其中,寡核苷酸藥物又可細分為 RNA 干擾(RNAi)、RNA 激活(RNAa)和核酸適配體(Aptamer)等類型。美國公司 Ionis 和Alnylam 是寡核苷酸方向比較有代表性的公司,德國公司 BioNtech 和美國公司 Moderna 則是mRNA 療法方向比較有代表性的公司。在新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)流行期間,mRNA 技術(shù)在快速開發(fā)疫苗方面的優(yōu)勢凸顯,Moderna 公司開發(fā)的 mRNA-1273 在 25 d 內(nèi)完成了 COVID-19 疫苗的序列設(shè)計和生產(chǎn),并破紀錄地用 63 d 完成從序列設(shè)計到首個受試者給藥。目前,該疫苗已于2020 年底獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,F(xiàn)DA)的緊急使用授權(quán)[11-12]。

        在基因編輯治療領(lǐng)域,目前大多數(shù)商業(yè)公司使用的基因編輯技術(shù)主要為鋅指核酸酶、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)核酸酶和定期聚集的短回文重復(fù)序列(CRISPR)3 種類型[13]。Emmanuelle Charpentier 等人創(chuàng)辦的瑞士公司 CRISPR 主要研究 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)及其在 β 地中海貧血、血友病、杜氏肌營養(yǎng)不良癥、囊性纖維化等疾病治療中的應(yīng)用。美國公司 Sangamo 專注于鋅指蛋白技術(shù)的研究和商業(yè)化開發(fā),是全球應(yīng)用鋅指蛋白技術(shù)的代表性公司,在血友病、血紅蛋白病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和艾滋病等疾病方面均有管線布局。張鋒等人創(chuàng)辦的美國公司 Editas Medicine 正在開發(fā)基于 CRISPR/Cas9 技術(shù)的基因組編輯平臺,該公司在眼睛疾病、肌肉疾病、血液疾病、肺病、肝病和癌癥等方面均有管線布局[14-15]。

        在細胞免疫療法領(lǐng)域,嵌合抗原受體 T 細胞(Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy,CAR-T)、T 細胞受體基因工程化的 T 細胞、腫瘤浸潤性淋巴細胞和嵌合抗原受體 NK 細胞等多種類型的細胞療法正呈百花齊放的態(tài)勢。其中,CAR-T 療法進展最為領(lǐng)先。全球范圍內(nèi)已有 3 款 CAR-T 療法被美國 FDA批準上市,分別為諾華公司研發(fā)的 Kymriah 以及吉利德公司旗下 Kite 公司研發(fā)的 Yescarta 和Tecartus[16]。中國在細胞免疫療法領(lǐng)域正快速崛起,南京傳奇生物在 2020 年就中國首個自主研發(fā)的細胞療法 LCAR-B38M CAR-T 向美國 FDA提交了上市申請。

        在體外檢測領(lǐng)域,有不少公司正在研究和開發(fā)基于 CRISPR/Cas9 技術(shù)的病毒檢測產(chǎn)品[17],代表性的公司有張鋒等人創(chuàng)辦的美國公司 Sherlock以及 Jennifer Doudna 等人創(chuàng)辦的美國公司Mammoth。兩家公司針對 COVID-19 病毒開發(fā)的檢測試劑盒,均可以在 1 h 內(nèi)提供檢測結(jié)果[18]。

        在微生態(tài)療法領(lǐng)域,涉及微生態(tài)制藥、微生態(tài)疫苗、噬菌體療法等諸多方向。在微生態(tài)制藥方向,美國公司 Vedanta 正在開發(fā)免疫介導(dǎo)性疾病的人體腸道微生物藥物,通過精準控制菌群藥物的組成結(jié)構(gòu),解決了傳統(tǒng)供體依賴性腸道微生物藥物組分不一的難題。在微生態(tài)疫苗方向,英國公司 4D Pharma 正在與默沙東圍繞微生態(tài)疫苗展開合作。在噬菌體療法方向,以色列公司BiomX 正使用天然及合成的噬菌體治療慢性疾病(如炎癥性腸病)和皮膚病,該公司于 2019 年成功上市,是全球首家噬菌體療法上市公司[19]。

        在醫(yī)療耗材領(lǐng)域,通過改造微生物生產(chǎn)可被人體吸收的縫合線、紡織品等相關(guān)醫(yī)用耗材已成為現(xiàn)實。美國公司 Tepha 通過發(fā)酵工藝生產(chǎn)聚羥基鏈烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)類材料,并制作出如手術(shù)縫合線、網(wǎng)片和手術(shù)膜等可被人體吸收的醫(yī)用耗材[20]。在中國也有一些創(chuàng)業(yè)公司如微構(gòu)工場在研發(fā) PHA 類的相關(guān)醫(yī)用原材料。

        在藥物成分生產(chǎn)領(lǐng)域,通過改造微生物或者藻類生產(chǎn)醫(yī)用原料、天然產(chǎn)物乃至藥物也已經(jīng)成為可能。美國公司 Antheia 通過酵母發(fā)酵來生產(chǎn)阿片類藥物分子。隨著法規(guī)的變革,美國的一些公司如 Demetrix 將目標瞄向了大麻素,目前正在利用改造后的酵母探索 100 多種大麻素的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。美國公司 Lumen 采用改造后的螺旋藻來生產(chǎn)口服抗體藥及其他生物藥,主要用于治療艱難梭菌感染、諾如病毒感染和旅行性腹瀉在內(nèi)的胃腸疾病。在制藥用酶領(lǐng)域,默克公司利用美國公司Codexis 的酶工程技術(shù)平臺 CodeEvolver 為糖尿病藥物 Januvia(Sitgaliptin)開發(fā)了一種新的合成方法。Sitgaliptin 結(jié)構(gòu)中有一種立體構(gòu)象胺,采用傳統(tǒng)化學(xué)方法很難制造,需要重金屬和高壓環(huán)境。而默克公司通過 CodeEvolver 平臺對節(jié)桿菌屬的 R 選擇性轉(zhuǎn)氨酶進行了計算和定向進化,改造后的酶具有 27 個氨基酸突變,催化實現(xiàn)對映體過量百分數(shù)大于 99.95%[21]。

        4.3 農(nóng)業(yè)

        合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及作物增產(chǎn)、牲畜和動物飼料及添加劑、害蟲防治等方向。例如:利用微生物固氮來幫助作物增產(chǎn);利用無細胞系統(tǒng)生產(chǎn) RNA 藥物和天然產(chǎn)物衍生化合物來保護作物;通過基因改造控制害蟲;通過生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)為牲畜提供蛋白飼料;利用基因編輯技術(shù)改良作物,實現(xiàn)抗病和增產(chǎn)等。

        在作物增產(chǎn)領(lǐng)域,包含植物作物增產(chǎn)和牲畜增產(chǎn)兩個方向。美國公司 Pivot Bio 已經(jīng)率先研發(fā)出針對玉米作物的微生物固氮產(chǎn)品——促使特定的微生物在作物根部釋放氮,以滿足作物日常氮需求。該微生物固氮產(chǎn)品在 2020 年使用面積已經(jīng)達到 25 萬英畝,并計劃在 2021 年擴大至數(shù)百萬英畝的田地[21]。美國公司 Agrivida 正在開發(fā)新一代的酶解決方案,來滿足動物營養(yǎng)和健康的需求。其首款產(chǎn)品 Grain 酵素植酸酶可以提高動物飼料的消化率,減少動物體內(nèi)的營養(yǎng)抑制劑,從而使畜牧養(yǎng)殖業(yè)受益。

        在蟲害防治領(lǐng)域,美國公司 GreenLight 致力于在農(nóng)業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域開發(fā)高性能的 RNA 產(chǎn)品,其雙鏈 RNA 噴劑產(chǎn)品可用于害蟲、雜草和有害真菌的防治[22]。美國公司 AgBiome 致力于將微生物群落用于植物遺傳性狀分析、生物農(nóng)藥研制,以及開發(fā)新型農(nóng)作物保護產(chǎn)品。英國公司Oxitec 主要通過改造害蟲基因,以及利用蟲際傳播來控制和減少害蟲,從而避免害蟲傳播疾病和毀壞農(nóng)作物。美國公司 AgriMetis 主要開發(fā)天然產(chǎn)物衍生的化合物來保護作物免受雜草、真菌和害蟲的侵害[23]。

        在飼料產(chǎn)品領(lǐng)域,美國公司 Calysta 正在利用天然氣和微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料。該產(chǎn)品可用于魚類、牲畜及寵物營養(yǎng)的蛋白替代,且已經(jīng)在多個國家獲得批準使用。

        在作物改良領(lǐng)域,美國公司 Dow AgroSciences 已成功利用鋅指核酸酶基因編輯技術(shù)將多種性狀引入糧食作物。美國公司 Caribou正在利用基因編輯技術(shù)為豬、牛和其他家畜物種開發(fā)新的性狀[24]。

        4.4 化工

        合成生物學(xué)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用主要包含材料、化學(xué)品、化工用酶、油類和潤滑劑等多方面。如利用改造后的酵母或其他微生物生產(chǎn)化學(xué)品、材料和油類,通過定向進化結(jié)合高通量篩選尋找在高溫高酸等特殊場景擁有高活性的酶等。

        在材料和化學(xué)品領(lǐng)域,美國公司 Zymergen通過和日本住友化學(xué)公司合作,已經(jīng)開發(fā)出生物基聚酰亞胺薄膜 Hyaline Z2,可以用于柔性屏、防刮屏等電子產(chǎn)品;日本公司 Spiber 和美國公司Bolt Threads 已經(jīng)利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白產(chǎn)品[25];中國公司凱賽生物主要生產(chǎn)生物法的長鏈二元酸系列產(chǎn)品;美國公司 Genomatica 已將生物基 1,4-丁二醇和丁二醇的工藝商業(yè)化。此外,諸如巴斯夫、杜邦、贏創(chuàng)和帝斯曼等大型公司也均在該領(lǐng)域有著較為成熟的產(chǎn)品案例。

        在化工用酶領(lǐng)域,隨著定向進化、半理性設(shè)計、理性設(shè)計和高通量篩選等技術(shù)的發(fā)展,酶的進化、篩選和改造進程被進一步加速。美國公司CinderBio 的主要產(chǎn)品是一種超穩(wěn)定酶,該酶由在酸性火山熱泉中提取培養(yǎng)的微生物制成,在高溫高酸等苛刻場景中仍然具有高活性。

        在油類和潤滑劑領(lǐng)域,美國公司 C16 Biosciences 主要利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)棕櫚油的替代品。美國公司 Novvi 通過改造后的酵母將植物糖源(如甘蔗糖漿)轉(zhuǎn)化為法呢烯,然后進行化學(xué)加工以生成基礎(chǔ)油,用于潤滑油市場。

        4.5 食品

        合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用包含肉類和乳制品、飲品、食品安全、調(diào)味劑和添加劑等多方面。如利用微生物生產(chǎn)蛋白來提升人造肉的口感和營養(yǎng),通過微生物來生產(chǎn)香料、甜味蛋白和甜味劑,通過設(shè)計和改造酶來中和毒素等。

        在肉類和乳制品領(lǐng)域,美國公司 Impossible Foods 是植物人造肉公司的代表,該公司通過改造后的酵母發(fā)酵生產(chǎn)豆血紅蛋白,用于制作植物肉產(chǎn)品,使植物肉的味道和顏色更像真肉。相比傳統(tǒng)養(yǎng)殖行業(yè),Impossible Foods 的人造肉技術(shù)可以節(jié)省 96% 的土地、87% 的水源,以及減少 89% 的溫室氣體排放。目前,該公司已經(jīng)至少在 3 萬多家餐廳和 1.5 萬多家雜貨店售賣植物肉產(chǎn)品[21]。美國公司 Nature’s Fynd 通過改造從黃石國家公園火山溫泉中發(fā)現(xiàn)的微生物黃球鐮刀菌,來發(fā)酵生產(chǎn)菌類蛋白質(zhì)。該蛋白包含 20 種氨基酸,很適合制成各種替代肉類、奶制品和蛋白質(zhì)飲料等食物。Perfect Day 和 Clara Foods 兩家美國公司將目光瞄向牛奶、蛋清和奶酪產(chǎn)品方向,正在通過合成生物學(xué)技術(shù)來生產(chǎn)相關(guān)蛋白產(chǎn)品[26]。

        在飲品領(lǐng)域,美國公司 Endless West 通過使用天然植物和酵母提取物來替代傳統(tǒng)酒品中含有的味道和香氣分子,并將其與谷物酒精混調(diào)來生產(chǎn)新型酒品。相比于傳統(tǒng)酒品,這些新型酒品無需經(jīng)過漫長的發(fā)酵過程便可獲得一樣的口感和氣味。

        在食品安全、調(diào)味劑和添加劑領(lǐng)域,美國公司 Mars 正在與 Thermo Fisher Scientific 合作設(shè)計和生產(chǎn)一種能夠中和黃曲霉毒素的酶,愛爾蘭公司 Miraculex 和美國公司 Milis Bio 正在開發(fā)蛋白質(zhì)甜味劑,瑞士公司 Evolva 的主要產(chǎn)品有生物法的香蘭素、白藜蘆醇、L-阿拉伯糖和甜菊糖苷等,中國公司愛普香料在生物法香料方面的主要產(chǎn)品有香蘭素和乙偶姻。

        4.6 消費品

        合成生物學(xué)在消費品領(lǐng)域的應(yīng)用主要包含寵物食品、皮革、護膚品等多方面。如利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)動物蛋白食品來滿足寵物營養(yǎng)和健康需求,利用菌絲體或微生物發(fā)酵生產(chǎn)皮革,通過改造微生物來生產(chǎn)香料、保濕劑和活性成分等用于護膚品。

        在寵物食品領(lǐng)域,美國公司 Wild Earth 主要利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)一種名為 Koji 的蛋白質(zhì),用于提供寵物狗所需的多種氨基酸。此外,Wild Earth 的寵物食品配方中還含有脂肪酸、促進消化的酶和益生菌等,以滿足寵物的健康需求。美國公司 Bond Pet Foods 主要利用細胞工廠來培育高品質(zhì)的動物蛋白用于寵物食品。該公司通過從動物中提取肌肉基因并將其添加到酵母等微生物中,利用微生物發(fā)酵實現(xiàn)肉類蛋白的生產(chǎn)過程[27]。

        在皮制品領(lǐng)域,美國公司 Bolt Threads 和Modern Meadow 都在開發(fā)可持續(xù)的皮革材料。Bolt Threads 已經(jīng)開發(fā)出培育菌絲體制作菌絲皮革的工藝,Modern Meadow 則是通過改造后的酵母發(fā)酵生產(chǎn)膠原蛋白,繼而在此基礎(chǔ)上加工制作出皮革[28]。

        在護膚品領(lǐng)域,合成生物學(xué)的相關(guān)應(yīng)用主要涉及香料、活性成分、潤膚劑和保濕劑等方面。瑞士公司 Evolva 通過改造后的酵母生產(chǎn)純萜化學(xué)品諾卡酮(Nootkatone)和巴倫西亞橘烯(Valencene),這兩種產(chǎn)品分別具有葡萄柚和橙子的香氣,可以用在香水和護膚品中。美國公司Geltor 和中國公司巨子生物通過培養(yǎng)微生物發(fā)酵生產(chǎn)膠原蛋白產(chǎn)品,目前都有推出類人膠原蛋白產(chǎn)品。一些早期押注能源方向的合成生物學(xué)公司也已經(jīng)將重點轉(zhuǎn)向護膚品領(lǐng)域,如美國公司Amyris 生產(chǎn)的角鯊烯,在許多美容產(chǎn)品中都有應(yīng)用。

        4.7 能源

        合成生物學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用主要包含生物乙醇、柴油和丁醇等方向。能源類合成生物學(xué)公司是整個合成生物學(xué)行業(yè)中起落較大的一個類別。2010—2020 年,隨著國際環(huán)境的變化,加上頁巖油開采的商業(yè)化落地,使得國際原油價格劇烈波動,這無疑擊穿了一眾該類別公司的生物燃料夢想。目前,存活下來的多數(shù)能源類合成生物學(xué)公司,已經(jīng)將產(chǎn)品開發(fā)方向調(diào)整到附加值更高的產(chǎn)品上,如護膚品、營養(yǎng)品和食品添加劑等,其余的多數(shù)公司已經(jīng)倒閉或轉(zhuǎn)向其他行業(yè)發(fā)展。

        目前,能源類合成生物學(xué)公司商業(yè)化較為成功的代表之一是美國公司 LanzaTech。該公司主要利用細菌將鋼廠或垃圾填埋場等排放的二氧化碳、甲烷等廢氣轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品[29]。其首個商業(yè)案例是與中國首鋼合作,將鋼廠排放的廢氣轉(zhuǎn)化為乙醇,并在項目運營的第一年,成功回收超過 3 400 萬升乙醇。

        4.8 其他方向

        隨著合成生物學(xué)的發(fā)展,在與多學(xué)科的交叉碰撞中催生出了更多的研究和應(yīng)用方向,如納米生物器件的設(shè)計與自組裝、DNA 存儲、合成生物傳感、電能細胞和電子生命系統(tǒng),以及生物修復(fù)去除土壤、水和大氣中可能的有害物質(zhì)等。以 DNA 存儲為例,行業(yè)最具有代表性的領(lǐng)導(dǎo)者是微軟研究院。從 2015 年開始,微軟通過與多家機構(gòu)和公司合作,實現(xiàn)了 DNA 總體存儲能力的飛躍,并在該領(lǐng)域取得了多項國際領(lǐng)先成果。目前,微軟已經(jīng)明確了基于 DNA 存儲設(shè)備的發(fā)展規(guī)劃,并計劃在未來幾年實現(xiàn)商業(yè)化。此外,在 DNA 合成領(lǐng)域市場地位比較領(lǐng)先的美國公司 Twist Biosciences 和法國公司 DNA Script 亦在此領(lǐng)域有所布局。由于 DNA 存儲目前仍處于早期的商業(yè)化探索階段,該領(lǐng)域的初創(chuàng)公司數(shù)量較少,美國公司 Catalog 是為數(shù)不多的 DNA存儲初創(chuàng)公司代表之一[30]。Catalog 正在開發(fā)一種自動化 DNA 數(shù)據(jù)存儲平臺,其核心是通過使用預(yù)先合成的 DNA 分子組合來表示原始數(shù)據(jù)的二進制代碼,這或?qū)⒖梢源蠓档?DNA 數(shù)據(jù)存儲的成本,并使得每天至少可以編碼 1 太字節(jié)(Terabyte)以上的數(shù)據(jù)到 DNA 中。

        5 未來展望

        當(dāng)前,合成生物學(xué)已經(jīng)進入逐漸落地并高速發(fā)展的新階段,但同時也面臨不少挑戰(zhàn)。首先,合成生物學(xué)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展需要進行大量的基礎(chǔ)研究來解決多方面的技術(shù)挑戰(zhàn),如更低成本的DNA 和 RNA 合成、更快的基因測序速度、生物合成途徑的規(guī)?;馕龊透咄拷M裝與優(yōu)化等[31]。其次,傳統(tǒng)行業(yè)對合成生物學(xué)的認知不足,多數(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新都是在創(chuàng)業(yè)和中小型公司進行,這意味著行業(yè)的發(fā)展速度很大程度取決于風(fēng)險資本的早期資金支持。最后,合成生物學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)也離不開政府和科研機構(gòu)的持續(xù)支持,這包括基礎(chǔ)設(shè)施的建立、行業(yè)標準的制定以及法律法規(guī)的完善等。

        在環(huán)境污染和氣候問題愈發(fā)嚴峻的今天,發(fā)展綠色經(jīng)濟已成為擺在人們面前的重要課題。合成生物學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)新對經(jīng)濟以及社會將產(chǎn)生積極影響,并正在改變現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝。如通過改造后的微生物替代化石原料生產(chǎn)尼龍,利用菌絲體而不是動物皮毛生產(chǎn)皮革,通過改造后的酵母發(fā)酵生產(chǎn)角鯊烯而不是取自鯊魚肝油等。利用合成生物學(xué)技術(shù)及生物制造所具備的清潔、高效和環(huán)保的特點,人們有望挖掘出一條經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)保污染少的新型工業(yè)化道路,以解決社會的可持續(xù)發(fā)展問題。同時,合成生物學(xué)所展現(xiàn)出來的應(yīng)用潛力,也可以幫助人們更好地應(yīng)對疾病、食品和其他緊迫的全球挑戰(zhàn)。

        雖然離充分發(fā)揮合成生物學(xué)的應(yīng)用潛力還有很長的路要走,但合成生物學(xué)取得的部分進展也可能會改變現(xiàn)有的供求關(guān)系、經(jīng)濟狀況和參與者的行為[5]。這種變革可能遠比數(shù)字技術(shù)帶來的影響還要強大,其對許多價值鏈的影響將可能引發(fā)新一輪技術(shù)創(chuàng)新浪潮,并可能成為全球經(jīng)濟的主要驅(qū)動力。

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