文医曜
2024 年夏初之季，合成生物学是资本市场风口之一。
从 4 月 20 日至 5 月 8 日，A股 50 支合成生物概念股中，只有两支出现下跌，平均涨幅幅度达 23.5%。其中，川宁生物、蔚蓝生物更是分别上涨 91.42%、90.41%，差点实现股价翻倍；富士莱、广济药业、圣达生物期间股价累计涨幅也超过 50%。
繁华之下，投资者总是会被利好蒙住双眼。如今合成生物学热度消退，让我们静下心来冷静思考，这究竟是一个怎样的赛道？它真的可以颠覆未来吗？
01 第三次生物科技革命
合成生物学可以理解为生物学的工程化，相当于解构各种基础生物元件，然后重新构建具有期望功能的生物系统，生产各种我们想要的东西。看似神秘的合成生物学，最初实则是用来生产“合牛”（人工合成结晶牛胰岛素）的。
图：合成生物学链条，来源：国联证券
20 世纪前页，胰岛素刚被证实能够治疗糖尿病，仍是一种极为针对的药品。在当时，胰岛素主要是从猪的胰腺中提炼，不仅数量稀少，价格昂贵，而且还经常伴有副作用。直至 1956 年，我国科学家开始运用合成生物学人工合成结晶牛胰岛素，才将胰岛素价格打下来，而且纯度更高、副作用更小，拯救了无数糖尿病患者的生命。
这是合成生物学的第一次应用，虽然硕果丰厚，但却并未引起业界重视。直至千禧年之后，随着一系列新技术的突破，如 DNA 测序、合成、基因编辑、底盘细胞构建、人工智能等，让合成生物学重新被产业科学家所重视。
2000 年，美国科学家 Gardner 成功在大肠杆菌中利用基因元件构建 “逻辑线路”，标志着合成生物学作为一项新的领域正式产生。
2003 年，美国加州大学 Jay D. Keasling 教授在大肠杆菌中成功合成青蒿酸的前体物——青蒿二烯，开启了人造细胞工厂生产植物来源天然化合物的新时代。
2015 年，美国斯坦福大学的研究人员利用基因改造的酵母，实现了阿片类药物的全合成。
2021 年，中国科研团队利用二氧化碳合成淀粉，又将合成生物学带到了一个新的高度。
通过合成生物学，人类以类似计算机编程的方式，利用基因编辑技术“编写”改造生命体，借助生命体高效的代谢系统，在生物体内定向、高效组装物质和材料。合成生物学正在发展成为一个基础性和工具性的学科，理论上，可以合成任何想象的到物质。麦肯锡数据显示，未来全球 60% 的物质生产可通过生物制造方式实现。
基于合成生物学强大的颠覆能力，它被视作继“DNA 双螺旋结构”、“基因组技术”之后的第三次生物科技革命，推动人类实现从“认识生命”到“设计生命”的伟大跨越。
目前，合成生物学已在医药、化学品、食品、材料、生物燃料、环境等领域展现出广阔应用前景。与传统的生产方式相比，合成生物制造凭借细胞工厂高效的代谢系统，表现出的核心优势包括产品成本低、反应条件温和、对环境污染较小等。以上述二氧化碳合成淀粉为例，1 立方米体积的生物反应器年产淀粉量约等于中国 5 亩玉米地的年产总淀粉量。
根据白宫简报《拜登总统将启动国家生物技术和生物制造计划》，到本世纪末，生物制造可能占全球制造业产出的三分之一以上，价值接近 30 万亿美元，合成生物学的发展极有可能带来新一轮的产业革命。
图：全球合成生物学行业规模（亿美元），来源：交银国际
在我国，《“十四五”生物经济发展规划》中，明确提出了合成生物学作为关键技术创新领域，要求突破一系列核心技术，促进其在医药、农业、化工、能源等多领域的应用转化。同时出台的一系列支持科技创新和战略性新兴产业发展的政策文件中，都包含了对合成生物技术研发、产业化项目的支持措施。
虽然合成生物学在各个领域展现出广阔的应用前景，在政策和资本层面表现活跃，但就目前而言，受限于技术成熟度和市场拓展等因素，下游应用领域中只有医药领域和化工领域是最具确定性的。
02 当合成生物学遇见医学
预计未来 10-20 年，合成生物学应用可能对全球每年产生2-4 万亿美元的直接经济影响。其中，医药与健康领域占比最大，行业规模达到 0.5-1.3 万亿美元（占比 35%）。
从技术角度，合成生物学对医药行业的影响主要有两种方式：一是涉及生物合成途径、基因网络、蛋白质和分子开关的工程，以改善用于体外和体内应用的自然细胞过程；二是包括对天然细胞、生物体进行工程改造以改善其功能或创造具有新功能的新型合成细胞或生物体。具体到应用领域，合成生物学可以在药物研发、医疗诊断、药物制造等领域产生“颠覆性”的变革。
（1）药物研发领域
在药物研发领域。药物研发流程通常包括药物探索、药学研究、临床前生物研究、临床研究以及临床后审批上市等五大基本阶段。在传统药物研发过程中，不仅需要耗费大量的资金和时间，其中任何一个阶段失败都将前功尽弃。据统计，一款新药从I期临床到成功获批上市的平均成功率仅有 7.9%。
合成生物学有望大幅提升新药研发的成功率。在药物探索和药学研究领域，合成生物学能够通过设计和构建合成基因组，快速生成大量候选药物，并通过高通量筛选技术，快速鉴定出具有潜在药效的化合物。
图：合成生物学研发模式，来源：东方证券
同时，基于合成生物学原理，还发展出多种新型的疾病治疗手段，包括基因编辑、治疗性核酸药物、细胞治疗、基于病毒的疾病治疗、细菌治疗和一些类器官应用等。特别是 CRISPR-Cas 技术的应用，让基因编辑技术可以对特定基因进行精准调控，理论上通过基因编辑可以治愈所有这种类型的疾病，让过去认为的不治之症有了希望。
（2）医疗诊断领域
在医疗诊断领域。传统的诊断方法，可能无法准确诊断所有类型的疾病，尤其是在早期或症状不典型的疾病。
基于合成生物学的诊断方法，可以解决传统诊断方法存在的延迟性、成本高、侵入性等问题。其中，癌症等非传染性疾病诊断主要利用生物传感器来检测早期肿瘤或其前体的失调特征产生放大的信号，极大提高定量诊断的灵敏度、特异性和准确性，降低诊断成本。
（3）药物制造领域
在药物制造领域。传统的生产方法通常依赖于天然资源，存在着生产效率低、资源浪费和环境影响等问题。合成生物学制药则能够通过合成基因组和合成细胞的方法，将目标基因导入到工程菌株中，使其能够高效地生产所需的化合物。理论上，通过传统技术合成的医药中间体、原料药、天然产物、大健康原料等产品均可以通过合成生物学优化生产工艺，在降低成本的同时获得绿色低碳的优势。
例如抗疟药物青蒿素的传统生产模式是通过种植黄花蒿，经过 18 个月生长周期才可进行提取。而利用合成生物学技术，在大肠杆菌内构建青蒿酸的生物合成途径，通过生物合成青蒿酸，然后再通过体外化学合成得到青蒿素，几周内便可大量生产青蒿素。
图：青蒿素合成链条，来源：东兴证券
随着技术的进步和应用的深入，合成生物学有可能在未来医药领域扮演越来越重要的角色，药物研发生产也将进入新纪元。
03 理想与现实
随着各种新兴技术的加持，合成生物学技术得到快速发展，让全球知名投资机构、创新研发企业纷纷加入合成生物学阵营。
据 SynBioBeta 的数据，2010-2020 年，全球合成生物学投融资 1130 起，总金额超过 210 亿美元。2021 年，合成生物学领域的融资额达到了 180 亿美元，几乎相当于前面 12 年的总和。但随着热潮褪去，投资热度从 2022 年走向下降曲线。2023 年全年，合成生物学初创公司共计融资 69 亿美元，比 2022 年总融资额减少了 31 亿美元。
图：全球合成生物融资概况，来源：SynBioBeta
与此同时，中国市场的合成生物学投融资则是方兴未艾。2018 年至 2022 年，国内合成生物学项目融资金额分别为 26.71 亿元、4.03 亿元、21.59 亿元、22.95 亿元、66 亿元，并有望在今年达到新的高度。
从产业链分析，合成生物学产业链可以分为上中下游。
上游为工具类公司，包含基因测序、基因编辑和基因合成等公司，这类公司为合成生物学公司提供底层技术。国内代表企业包括华大智造、金斯瑞生物、百奥赛图、近岸蛋白等。
中游为平台型企业，主业涉及对生物系统和生物体进行设计、开发和改造等，此类公司专注于菌株设计和改造，为产品型公司提供合成生物的研发外包服务。国内代表企业包括恩和生物、引航生物、大湾生物、惠利生物等。
下游为产品应用型企业，直接面向各个终端领域进行生产，目前在工业生产及医药等领域进展较快。国内代表企业包括凯赛生物、川宁生物、华东医药、华熙生物等。
然而，虽然市场炒作很热，但合成生物学仍然处于发展的早期，还面临着一些挑战和风险。
一方面，合成生物学概念性比较足，但企业盈利能力还十分弱；另一方面合成生物学涉及到大量的基因工程和基因组改造，对技术和人才的要求较高，距离大规模运用还有较大的差距；此外还面临着伦理和安全性的问题，如基因突变的可能性和合成生物体的释放对环境和生态系统的影响等。
2023 年 8 月，全球合成生物学三巨头之一 Amyris 宣布公司申请破产。这家合成生物产业化的鼻祖公司早在 2005 年就研发出一种能够生产青蒿素的酵母菌株，并因此受到市场的广泛关注，2010 年成为合成生物学领域首家在纳斯达克上市公司，2011 年巅峰股价超过 500 美元/股。
随后 Amyris 聚焦生物燃料赛道，试图通过设计一种细菌，将甘蔗汁转化为金合欢烯，再通过氢化过程制成与柴油特性相似的燃料。虽然技术上可行，但量产过程中遇到酵母细胞死亡和转化率不足的问题，经过两三年的商业实践，最终未能实现产量目标，导致巨额亏损和股价大跌。
图：合成生物学鼻祖 Amyris 股价，来源：雪球
除了 Amyris，平台型合成生物学公司 Zymergen，累计融资金额近 10 亿美元，在首款商业化产品失败后，被 Ginkgo Bioworks 以 3 亿美元收购；而 Ginkgo Bioworks 的日子也不好过，上市前累计获得了近 15 亿美元融资，后续市值最高一度达到了 260 亿美元，如今市值已不足 20 亿美元。
以国外合成生物学巨头发展脉络来看，在一个新兴的领域，先行者未必意味着占据先发优势，如果时机不成熟，前期的巨额投入却只能是为后来者开路。合成生物学或许在未来能够颠覆一切，但绝对不是现在。
