“最近投了幾個(gè)縣城里的合成生物學(xué)項(xiàng)目，”一位投資人告訴動(dòng)脈網(wǎng)，“還在看，如果沿著這個(gè)思路繼續(xù)深挖，應(yīng)該還能看到更多潛力項(xiàng)目。”談及縣城里的合成生物學(xué)項(xiàng)目，這位投資人興趣盎然。他關(guān)注合成生物學(xué)賽道的時(shí)間不短，做過(guò)很多行業(yè)，也看過(guò)很多項(xiàng)目，此番竟感覺(jué)發(fā)現(xiàn)了新大陸。

近年來(lái)，隨著越來(lái)越多的合成生物學(xué)項(xiàng)目完成早期驗(yàn)證，極低的商業(yè)化成功率，幾乎成為創(chuàng)始人和投資者的心病。究其原因，很少有合成生物學(xué)初創(chuàng)企業(yè)可以有效搞定兩件事，即穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)工藝，和成熟的終端產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)。但合成生物學(xué)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，卻終究不可能繞開商業(yè)化而只談技術(shù)。

縣城里的合成生物學(xué)項(xiàng)目，邏輯很簡(jiǎn)單。這類項(xiàng)目的內(nèi)核，通常是一家傳統(tǒng)工業(yè)原料生產(chǎn)商，在產(chǎn)生升級(jí)之際，選擇引入合成生物學(xué)技術(shù)來(lái)降本增效，被動(dòng)地完成了合成生物學(xué)技術(shù)從基因編輯到應(yīng)用開發(fā)的完整鏈條，意外地交出一份合成生物學(xué)商業(yè)化的高分答卷。

當(dāng)然，縣城也并非合成生物學(xué)投資的世外桃源?！绊?xiàng)目不好找，錢也不容易投出去。”前述投資人表示，盡管項(xiàng)目本身頗具潛力，但在關(guān)乎選品，關(guān)乎擴(kuò)容的未來(lái)戰(zhàn)略層面，縣城里的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)與外部投資人，還比較難達(dá)成一致意見(jiàn)。

1、合成生物學(xué)走過(guò)技術(shù)荒漠

在許多關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，合成生物學(xué)與生物發(fā)酵過(guò)程有著驚人相似。本質(zhì)上，兩者都是利用微生物的代謝功能，將糖、淀粉、纖維素、二氧化碳等原料，轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)品。區(qū)別在于，不同于生物發(fā)酵只能通過(guò)試錯(cuò)來(lái)構(gòu)建和完善工藝流程，合成生物學(xué)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物的定量可控。

而這背后，底層邏輯在于合成生物學(xué)強(qiáng)調(diào)運(yùn)用基因工程手段，對(duì)菌種的改造工藝、合成途徑進(jìn)行精確調(diào)控。在這個(gè)過(guò)程中，DNA測(cè)序、基因編輯、DNA合成等前沿的生物技術(shù)，為合成生物學(xué)提供了精準(zhǔn)調(diào)控的關(guān)鍵工具。

經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和積累，人們已經(jīng)具備了在分子級(jí)別認(rèn)知，甚至調(diào)控物質(zhì)世界的相當(dāng)實(shí)力。

首先是DNA測(cè)序技術(shù)歷經(jīng)三輪迭代，進(jìn)入穩(wěn)定的應(yīng)用周期。DNA測(cè)序是合成生物學(xué)的基礎(chǔ)，更是質(zhì)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大規(guī)?；蚪M測(cè)序工作，可以提供自然界生物分子層面的信息，基于這些數(shù)據(jù)，研究人員得以構(gòu)建生物元件和裝置。此外，通過(guò)DNA測(cè)序，研究人員可以驗(yàn)證所制造出來(lái)的系統(tǒng)是否符合預(yù)期。

自最初的Sanger測(cè)序技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，DNA測(cè)序得到了快速發(fā)展，已經(jīng)形成了由一代Sanger測(cè)序、二代邊合成邊測(cè)序、三代熒光單分子測(cè)序和四代納米孔測(cè)序構(gòu)成了測(cè)序技術(shù)體系，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)測(cè)序讀長(zhǎng)、通量、速度、準(zhǔn)確率的差異化需求。同時(shí)，DNA測(cè)序成本更大幅下降。數(shù)據(jù)顯示，自2001年以來(lái)，DNA測(cè)序成本已經(jīng)從近1億美元/基因組下降到0.006美元/基因組。

然后是高效基因編輯出現(xiàn)，并持續(xù)優(yōu)化。基因編輯是將特定功能的基因元件，整合到用于表達(dá)最終產(chǎn)品的微環(huán)境中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基因編輯依賴于經(jīng)過(guò)基因工程改造的核酸酶，也稱“分子剪刀”，在基因組中特定位置產(chǎn)生位點(diǎn)特異性雙鏈斷裂（DSB），誘導(dǎo)生物體通過(guò)非同源末端連接（NHEJ）或同源重組（HR）來(lái)修復(fù)DSB，人工主導(dǎo)或干擾這個(gè)修復(fù)過(guò)程，就可以把特定DNA序列進(jìn)行刪除或者插入外源基因。

過(guò)去近30年間，基因編輯技術(shù)持續(xù)迭代。1996年，*代代基因編輯技術(shù)被設(shè)計(jì)出來(lái)，即經(jīng)基因工程改造的鋅指核酸酶(ZFNs)，開啟人工改造生命體的旅程。2009年，第二代基因編輯技術(shù)，即類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(TALENs)誕生。但這兩代技術(shù)構(gòu)建周期長(zhǎng)，步驟繁瑣，難以進(jìn)行高通量基因編輯，極大限制了其推廣應(yīng)用。到2012年，CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)出現(xiàn)。與ZFNs和TALENs技術(shù)相比，CRISPR/Cas9的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，適用于任何分子生物實(shí)驗(yàn)室，并且成本更低。此外，對(duì)于相同的靶點(diǎn)，CRISPR/Cas9有相當(dāng)甚至更好的靶向效率。

最后是DNA合成的大幅度提質(zhì)增效。目前，工業(yè)化DNA合成工藝，通常從化學(xué)合成寡核苷酸開始，更長(zhǎng)的DNA分子則是以寡核苷酸為原料，通過(guò)酶促反應(yīng)逐步拼接和組裝得到。20世紀(jì)80年代，基于亞磷酰胺的DNA合成法被開發(fā)出來(lái)。寡核苷酸單步合成效率雖然已高達(dá)99.5%，但合成長(zhǎng)度達(dá)到200bp時(shí)，產(chǎn)率即降至約35%，難以純化得到目的片段，無(wú)法合成kb級(jí)長(zhǎng)度的寡核苷酸。

隨著微陣列式DNA合成技術(shù)的出現(xiàn)，合成所需的反應(yīng)濃度更低，同時(shí)保證了成本和合成的準(zhǔn)確度。2021年，每Mb堿基合成的平均費(fèi)用已由20年前的超過(guò)5000美元，下降至0.006美元。未來(lái)，隨著第四代酶促合成技術(shù)的發(fā)展和成熟，DNA合成有望進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模化生產(chǎn)。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多家合成生物學(xué)企業(yè)基于前述底層技術(shù)，構(gòu)建起強(qiáng)大的菌株定向改造能力，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室層面的合成生物“造物”。比如，Ginkgo Bioworks基于合成生物學(xué)技術(shù)為Moderna公司生產(chǎn)新冠mRNA疫苗所需原材料酶、Genomatica的生物基BDO、1,3-丁二醇、尼龍已成功商業(yè)化、Demetrix致力于使用發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)大麻素，而Amyris則構(gòu)建了全球*規(guī)模的自動(dòng)化菌株改造平臺(tái)。

從某種意義上講，基因工程相關(guān)技術(shù)的成熟，已經(jīng)推動(dòng)合成生物學(xué)技術(shù)的全球應(yīng)用跑步進(jìn)入第二階段。

2、產(chǎn)業(yè)化更難？

在新的階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成為合成生物學(xué)的核心任務(wù)。其中，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，難度極大。而克服產(chǎn)業(yè)化階段的技術(shù)難題，卻并非主流合成生物學(xué)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)所長(zhǎng)。

如前文所述，合成生物學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模放大過(guò)程，本質(zhì)與生物發(fā)酵的放大過(guò)程一般無(wú)二，集中由發(fā)酵罐來(lái)完成。不過(guò)，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，并不是簡(jiǎn)單地將發(fā)酵罐規(guī)格不斷放大。因?yàn)殡S著規(guī)模擴(kuò)大，發(fā)酵水平往往會(huì)下降。對(duì)于合成生物學(xué)而言，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)工藝，核心在于突破菌種改造效率，及工藝放大效果兩個(gè)大技術(shù)瓶頸。如果由具備穩(wěn)定產(chǎn)能的化工企業(yè)來(lái)接棒產(chǎn)業(yè)化環(huán)節(jié)，或?qū)楹铣缮飳W(xué)的商業(yè)化難題提供新思路。

一方面，菌種改造的結(jié)果，在一定程度上決定了產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)速率及產(chǎn)量。合成生物制造的*步，需要根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的特性，選擇一個(gè)性狀優(yōu)良的菌種，即底盤細(xì)胞，作為產(chǎn)品生產(chǎn)的宿主。對(duì)于早期的合成生物學(xué)企業(yè)而言，發(fā)現(xiàn)并認(rèn)知合適的底盤細(xì)胞，已然費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在此基礎(chǔ)上，才能對(duì)生物體基因組特定目標(biāo)基因進(jìn)行改造和修飾，以達(dá)到改造微生物代謝途徑的目的。這兩個(gè)步驟，考驗(yàn)著合成生物學(xué)企業(yè)生物學(xué)、基因工程學(xué)等多維度的復(fù)合能力。

進(jìn)一步，生產(chǎn)速率的提升，依賴于合成途徑中酶催化的反應(yīng)效率，這便是生產(chǎn)實(shí)踐中的另一個(gè)難點(diǎn)?；瘜W(xué)品的生物合成途徑，通常由一系列酶催化反應(yīng)構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，各個(gè)酶的催化效率難以達(dá)到協(xié)調(diào)的狀態(tài)。但在合成生物學(xué)的流程中，酶與酶之間的作用達(dá)到平衡、協(xié)調(diào)的狀態(tài)，卻很難，通常需要協(xié)同多基因調(diào)控技術(shù)、基因動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)、蛋白骨架技術(shù)等多種手段，才能有效優(yōu)化合成途徑。

另一方面，高效、低成本的分離純化工藝，對(duì)產(chǎn)品效果起重要作用，而這也是大多數(shù)早起的合成生物學(xué)企業(yè)的能力短板。

研究開發(fā)高效低成本的分離純化技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。合成生物制造的分離純化，即從復(fù)雜的生物發(fā)酵體系中，得到高質(zhì)量產(chǎn)品，也是決定生物制造大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐的關(guān)鍵性步驟和重要技術(shù)瓶頸。不同于傳統(tǒng)化學(xué)分離，生物產(chǎn)品分離過(guò)程需要保證產(chǎn)品的生物活性，常需要低溫、合適的pH 和一定的耐受壓力，因此對(duì)分離純化技術(shù)存在較高的要求。此外，數(shù)據(jù)顯示，后端的產(chǎn)品分離、提純工藝成本高昂，在總成本中占比超6成。對(duì)于一些高附加值產(chǎn)品，這個(gè)環(huán)節(jié)的成本甚至達(dá)到9成。

現(xiàn)階段，盡管從全球投融資數(shù)據(jù)看，一級(jí)市場(chǎng)上的早期資金更傾向于流向具備聚焦特定產(chǎn)品開發(fā)的合成生物學(xué)企業(yè)，真正具備完善產(chǎn)業(yè)化能力的合成生物學(xué)創(chuàng)新企業(yè)卻非常少。

從某種意義上講，在從菌株構(gòu)建到規(guī)?；a(chǎn)的漫長(zhǎng)、復(fù)雜研發(fā)周期中，如果前半程的初始化考驗(yàn)借助技術(shù)創(chuàng)新來(lái)突破未知，后半程的商業(yè)化則需要產(chǎn)品能力的長(zhǎng)期積累。這便讓那些具備強(qiáng)大的產(chǎn)品和渠道能力的傳統(tǒng)化工企業(yè)，登上了合成生物學(xué)的歷史舞臺(tái)。

3、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)需求

現(xiàn)階段，在成本、產(chǎn)能、環(huán)保等多重壓力之下，越來(lái)越多的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)主動(dòng)擁抱合成生物學(xué)。研究表明，合成生物學(xué)已經(jīng)在化工、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。其中，合成生物學(xué)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用最為成熟。

根據(jù)麥肯錫預(yù)測(cè)，未來(lái)10-20年，合成生物學(xué)預(yù)計(jì)將每年對(duì)化學(xué)品、能源等領(lǐng)域的1600- 2700億美元市場(chǎng)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)影響。在國(guó)內(nèi)，合成生物學(xué)的影響力則可能更甚。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，我國(guó)作為發(fā)酵大國(guó)，發(fā)酵規(guī)模已占全球發(fā)酵規(guī)模的60-70%，在相關(guān)的人才、技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施等方面積累了豐富的資源，也對(duì)合成生物學(xué)這類更前沿的生產(chǎn)方式提出了更大需求。

在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中，天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果僅利用化學(xué)方法來(lái)合成，途徑繁瑣、得率低、能耗高、污染重。借助合成生物學(xué)，構(gòu)建合理的合成途徑及菌種，無(wú)疑提供了實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的規(guī)?；a(chǎn)新思路。具體而言，引入合成生物學(xué)，能夠極大降低產(chǎn)品生產(chǎn)的能耗，提高產(chǎn)品品質(zhì)，并為多元的產(chǎn)品開發(fā)提供更靈活的技術(shù)平臺(tái)。

首先，利用合成生物學(xué)來(lái)優(yōu)化制造路線，將比傳統(tǒng)石化路線的反應(yīng)過(guò)程更溫和、更節(jié)能低碳。與化學(xué)合成方法不同，這種方式利用天然原材料，在以細(xì)菌為主的微生物體內(nèi)完成物質(zhì)轉(zhuǎn)化，過(guò)程條件相對(duì)溫和。數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)合成路線相比，合成生物學(xué)制造產(chǎn)品，平均節(jié)能減排 30％~50％，未來(lái)潛力有望達(dá)到 50％~70％，同時(shí)減少環(huán)境影響20%~60%。如此高效的節(jié)能表現(xiàn)，無(wú)疑將極大推動(dòng)工業(yè)基礎(chǔ)原材料的化石原料路線替代、高能耗高物耗高排放工藝路線替代以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。這也將推動(dòng)合成生物學(xué)技術(shù)在更多元的產(chǎn)品場(chǎng)景下落地。

此外，部分基于合成生物學(xué)制造的產(chǎn)品具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)。比如，1,3-丙二醇的合成生物制造與石油路線相比，原料成本下降37%；巴斯夫公司開發(fā)的維生素B2，生物轉(zhuǎn)化過(guò)程比化學(xué)過(guò)程成本降低50%；丁二酸的生物法制備路線生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)石化路線降低 20%。此外，華恒生物公司的厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)L-丙氨酸工藝，其產(chǎn)品生產(chǎn)成本和酶法相比可以大幅降低 50%。

其次，一些合成生物學(xué)制造具備技術(shù)的先進(jìn)性，在產(chǎn)品品質(zhì)方面更具優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐表明，飼料、食品添加劑等領(lǐng)域需求旺盛的煙酰胺，采用化學(xué)-酶法新工藝后，可實(shí)現(xiàn)100%的原子經(jīng)濟(jì)性，克服了化學(xué)催化路線中，煙酸到煙酰胺的胺化反應(yīng)有4%煙酸殘留而需要重結(jié)晶分離的問(wèn)題，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。此外，西格列汀采用生物合成方法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品總得率和生產(chǎn)效率均顯著高于化學(xué)合成方法。

第三，合成生物學(xué)制造所具備的平臺(tái)效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)菌種生產(chǎn)多項(xiàng)產(chǎn)品。此前，利用合成生物學(xué)手段改造大腸桿菌，可以由葡萄糖合成正纈氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸等多種氨基酸。同時(shí)，在氨基酸的合成路徑中，通過(guò)酮酸脫羧酶和醇脫氫酶又可以合成一系列高級(jí)醇，包括異丁醇、1-丁醇、2-甲基-1-丁醇， 3-甲基-1-丁醇以及苯乙醇等。

由此可見(jiàn)，合成生物學(xué)與傳統(tǒng)化工業(yè)的融合發(fā)展，即前者助力后者轉(zhuǎn)型升級(jí)，而后者幫助前者補(bǔ)齊商業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正在成為新的趨勢(shì)。在成熟技術(shù)體系的支撐，和巨大未滿足需求的拉動(dòng)之下，合成生物學(xué)或?qū)⒋呱嗟目h城明星項(xiàng)目。