一、合成生物：重塑未来的科学与产业
1.1合成生物学的定义
1.2合成生物学的发展历程
1.3合成生物学产业链梳理
1.4合成生物学的应用
二、医药篇：创新重要抓手原料药企快速切入
2.1合成生物学在医药领域的应用
2.2原料药企与合成生物学一拍即合
2.3合成生物原料药市场重要参与者
三、美护篇：助力突破原料瓶颈，国内企业大力拓展商用
3.1合成生物学有助突破美护原料瓶颈
3.2商业化过程依然面临挑战
3.3国内政策支持力度加大
3.4国内企业展开布局
四、食品篇：监管趋于改善，应用前景广阔
4.1食品领域应用前景具有想象空间
4.2谨慎审批延缓应用落地
4.3商业化待打破“规模-成本悖论”
五、化工篇：成本优势突出，产业体量有巨大提升空间
5.1成本优势为重要竞争力
5.2大规模商用仍存壁垒
5.3国内迎政策机遇期
5.4国内企业快速发展
六、农业篇：发展窗口期已至，育种、饲料领域进展领先
6.1农业合成生物学市场续扩张
6.2育种、饲料等领域应用进展领先
6.3国内企业探索创新应用
七、能源篇：未来能源战略必争之地，产业化尚有距离
7.1全球生物能源市场规模逐年增长
7.2合成生物能源历经三代革新
7.3产业化仍有距离但趋势已明晰
7.4国内外持续探索应用落地
八、AI+合成生物：创新驱动，双向奔赴
8.1AI与合成生物融合发展加速
8.2创新是AI+合成生物快速发展动力
8.3AI+合成生物的模式和壁垒
九、合成生物投资全景图
9.1合成生物领域主要公司
9.2国内主要合成生物公司评价
正文
一、合成生物：重塑未来的科学与产业
合成生物学（SyntheticBiology）作为一门新兴的交叉学科，正在以前所未有的速度发展。它不仅涉及生物学、工程学、计算机科学等领域，更为我们提供了重新构建生物系统和创造新生命形式的无限可能性。
随着合成生物技术逐渐渗透到各行各业，合成生物学在医疗、农业、能源等领域已展现出巨大的应用潜力和市场价值。但合成生物学的发展远未到达巅峰，中国工程院院士杨胜利在《合成生物学路线图2030：驱动下一代生物制造的引擎》一书的序言中指出，随着合成生物技术迭代发展，赋能应用不断拓宽，合成生物学将在未来生物经济振兴中发挥核心作用，为全球可持续发展提供全新解决方案。
1.1合成生物学的定义
按照中国学科及前沿领域发展战略研究（2021—2035）项目组出品的《中国合成生物学2035发展战略》中给出的定义，合成生物学是在工程科学“自下而上”理念的指导下，以创建特定结构功能的工程化生命或实现生命过程的工程化为导向，综合系统、合成、定量、计算与理论科学的手段，以“设计-构建-测试-学习”的迭代研究原理认识生命的理论架构与方法体系。
作为一门新兴的交叉学科，合成生物学通过整合生命科学、工程学、数学、计算机科学、物理学和化学等领域的原理和方法，创建新的生物系统或重新设计现有生物系统。
1.2合成生物学的发展历程
合成生物学的发展历程可以追溯到20世纪70年代，当时科学家们开始探索基因重组技术。1973年，斯坦利·科恩与赫伯特·博耶首次实现了基因克隆，这标志着基因工程的诞生。随后的几十年中，随着基因组测序技术的不断进步，科学家们逐渐掌握了对生命基本单元的改造能力。
进入21世纪，合成生物学迎来了迅猛发展，经历了四个重要的发展阶段。2000-2003年是合成生物学的创建时期，研究者们开发出多种具有领域特征的研究手段和理论；2004-2007年是合成生物学的扩张和发展期，合成生物学概念迅速推广；2008-2013年，合成生物学迎来了创新和应用转化期，底层技术效率的大幅提升，推动了合成生物学技术开发和应用的不断拓展；自2014年以后，随着生物大数据的开源应用与生物工程化平台相结合，合成生物学进入了一个新的发展阶段；合成生物学的“设计-构建-测试”循环逐步扩展至“设计-构建-测试-学习”循环。同时，“半导体合成生物学”、“工程生物学”等新理念或学科的提出，为合成生物学的发展注入了新的活力。
全球合成生物学产业过去五年经历了高速增长。根据CBinsights的统计和预测，市场规模从2018年的53亿美元增长到2023年的超过170亿美元，平均年增长率达27%。预计全球合成生物市场在可见的未来仍将保持较快发展势头，在2028年将成长为体量达到近500亿美元的全球型市场。
1.3合成生物学产业链梳理
合成生物学产业生态覆盖面庞大，不同技术和产业落地方向多元，且都有相当的市场规模。基于此，可以将整个合成生物学产业链分为大致的上、中、下游。
上游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。
中游是对生物系统及生物体进行设计、改造的技术平台，核心技术为路径开发，注重合成路线的选择以及技术上跑通(如底盘细胞选择及改造、培养条件优化、纯化方法开发等)，与下游企业相比，更强调技术平台的通用性，潜在具备CRO属性。
下游则涉及人类衣食住行方方面面的应用开发和产品落地，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。其中在大规模生产上，潜在具备CDMO属性。
严格来说，合成生物中下游企业之间并无明确界限，但与中游企业相比，下游企业更强调应用领域的聚焦、产品的精细打磨及商业化放量。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。
1.4合成生物学的应用
合成生物学的发展带来了一大批行业应用场景，其应用领域涵盖了医疗、农业、能源、环境等多个方面。
据波士顿咨询在2022年发布的报告，预计未来10年内，医疗健康、医美、化工、农业、食品等各行业将陆续受到影响，最后是采矿、能源和建筑等行业。
就下游终端产品而言，医疗健康是第一大应用领域。2021年医疗健康领域的合成生物学终端产品市场规模为23.3亿美元，占下游终端产品市场的50%；预计到2026年该市场规模将达到53.5亿美元，占比为31%，随着合成生物学技术的发展，食品饮料、农业等领域的应用不断拓展，但医药仍有望是是第一大终端产品市场。
本报告将在接下来各章，分别探讨合成生物学各细分应用领域的最新动态与产业前景。
二、医药篇：创新重要抓手，原料药企快速切入
市场上表现活跃的合成生物学概念股中，有不少属于原料药制造企业。此类公司凭借在原料药、中间体生产方面形成的技术和产能优势，快速切入合成生物学赛道。
事实上，生物医药本身也是合成生物学的重要应用领域之一，并被认为是合成生物学较具前景的应用领域之一。
“医药企业向合成生物学转型的最大动力还在于，在政策引导和外部环境变化的双重压力下，传统的利润空间已经被压到了非常低的水平，企业只有走到创新的前列才有可能争取更多的市场空间和市场溢价。”翰森制药中枢神经事业部市场总监杨洋此前对第一财经表示，在这样的行业大背景之下，“不用新技术的医药产品注定会落后，这使得合成生物等一些正在迅速发展的新技术，成为药企创新转型的必经之路。”
2.1合成生物学在医药领域的应用主要包括两大类
第一财经在与医药行业从业人员交流过程中发现，目前部分创新药企业对合成生物学的界定与常见定义并不一致。
据BCG与BCapital联合推出的《中国合成生物学产业白皮书2024》，合成生物学在医药领域的应用主要包括创新药及创新疗法、原料药及中间体制造两大类。其中，在创新药领域的应用又可以具体细分为细菌工程化改造、人工病毒/噬菌体和细胞基因治疗。
但一位生物制品行业人士对第一财经表示，国内合成生物学在医药领域的应用更多是传统化药企业用于生产工艺的升级，通过将原有化学合成为主的生产方式改为生物合成，大幅降低成本并减少环境污染等问题，从而提升企业竞争力和盈利能力。
该人士称，作为生物制药企业，原本就是通过基因改造等先进的生物技术进行药物生产，尽管技术上与合成生物有所交叉，但作为生物制药企业运用合成生物学并不旨在解决高成本和高污染等问题。
另一家CAR-T疗法公司相关负责人也表示，并不认为该公司现有细胞治疗业务与合成生物有较为紧密的关联，这与目前第三方关于合成生物概念的定义存在一定差异。
中科欣扬研发总监张岩峰则表达了另一种观点，“合成生物学在新药物和新疗法的应用上依然十分具有潜力。”他表示，随着基因编辑技术的发展和应用，全球范围内合成生物学在创新药领域的应用也已渐趋成熟，有一些利用合成生物学技术将肠道菌群进行改造，再注入体内后参与部分疾病治疗的疗法已有项目进入临床试验阶段。不过他同时也指出，由于国内对于合成生物学应用于食物、药品等领域的监管依然十分严格，国内在这方面的研究进展相对较慢。
2.2原料药企与合成生物学一拍即合
从实际应用情况来看，国内从事化药原料药/医药中间体生产等对降本增效诉求强烈的药企的确更早在合成生物学领域进行布局，如川宁生物（301301.SZ）等行业代表性企业均已形成规模可观的合成生物学产品生产能力。而在前端药物研发领域，由于细菌工程化改造、人工病毒/噬菌体等技术的研究尚处于概念验证阶段，仍有待于技术的持续突破以及政策的进一步支持。
中国是全球原料药、中间体的最大供应国，在产业链中占据重要地位。据仿制药协会分析，中国原料药企业数量占全球48%，产能占比30%。此外，中国的中间体产量占全球总产量的80%。
但由于多数企业依然停留在上游低附加值环节，国内原料药企业整体盈利能力并不强，加上2018年我国开始征收环境保护税，环境污染较为严重的化药原料药盈利空间被持续压缩。
当前全球需求整体不振，多数原料药价格处于历史低位，使得原本不高的企业毛利率加速下滑，控制成本成为国内原料药企业稳定盈利能力的重要手段。华创证券表示，尽管地缘政治对全球原料药产业链分工带来一定扰动，但成本依然是原料药行业竞争的首要因素。
在合成生物学的推动下，原本原料药、中间体的制造工艺将逐步由动植物提取、化学合成或微生物发酵向酶法工艺、细胞工程过度。一些原有合成方式下成本较高、制备难度较大，但拥有较大市场需求的原料药品种，有望通过合成生物技术实现在生产效率、节能减排等方面的较大提升，从而帮助企业形成更强的成本优势，这成为目前原料药企业更热衷于布局合成生物学的重要原因。
2.3合成生物原料药市场重要参与者
目前国内主要的大宗原料药品种以抗生素、维生素、氨基酸、激素类药物等为主，由于技术门槛较低，竞争激烈，毛利率也相对更较低，企业对于进一步控制成本的需求更为强烈。也因此，有一批原料药上市公司较早以前以自建方式对合成生物学进行研究，并率先形成规模化效应，帮助企业在细分赛道建立了竞争优势。
与此同时，随着近年来合成生物学概念的快速兴起，更多公司选择以对外合作的方式，例如引入专业平台公司或与科研机构进行合作，从而在较短时间内切入赛道，同样获得了一定竞争优势。
A股公司中，川宁生物是科伦药业（002422.SZ）旗下原料药、医药中间体生产商，主营业务为抗生素中间体，其中青霉素类中间体、头孢类中间体及硫氰酸红霉素产能处于行业领先地位。
近年来，该公司大力布局合成生物学，短期内已有红没药醇、5-羟基色氨酸、麦角硫因、依克多因等多个产品进入生产、销售阶段，是国内首批实现产品交付的合成生物学企业。
该公司表示，接下来的中期产品已聚焦氨基酸类、维生素类等需求量大、产值高的产品领域进行了针对性的布局。同时，将利用合成生物学技术和AI技术来对现有的抗生素中间体生产菌种进一步改造，从而实现节约成本、提质增效。
赛托生物（300583.SZ）是国内甾体药物原料的龙头供应商，也是国内首家规模化采用合成生物法制取甾体药物原料的生产商，早在2011年就运用基因工程以及合成生物法实现了对雄烯二酮等甾体原料五大母核系列的覆盖，用于开发糖皮质激素类、性激素类、孕激素类和蛋白同化激素类甾体药物
凭借合成生物、菌种改造等工艺的持续发展，该公司还依靠技术优势提升了高毛利、高附加值的高端中间体销售比例，持续优化产品结构和盈利能力。中邮证券认为，随着甾体药物行业集中度的逐步提升，赛托生物甾体中间体业务有望实现平稳增长，在细分领域的龙头地位有望持续巩固。
三、美护篇：助力突破原料瓶颈，国内企业大力拓展商用
原料是美妆个护产品的灵魂，一款美护产品要实现功效并获得市场认可，配方中必须要有能够起效的功效原料，如烟酰胺、二裂酵母、玻色因等，皆因在美护方面能够实现较为均衡的效果而备受消费者及各大品牌青睐。
近年来国产美护品牌逐渐崛起，但产品原料的限制依然存在。长期以来我国美护产品原料的80%源自进口，本土品牌在产品研发和创新上始终处于被动局面。“国内企业开始做自研原料也就是最近10年左右的事情，做得比较多的是植物提取，整体来看，近几年美护产品原料市场依旧是外资品牌主导。”中科欣扬研发总监张岩峰告诉第一财经。
原料的限制使得国内美护产品同质化现象严重，行业竞争持续激烈，合成生物学的应用为行业创新带来更多可能，有望推动国内美护市场迎来洗牌契机。
3.1合成生物学有助突破美护原料瓶颈
作为近年来快速发展的新兴技术，合成生物学的加持不仅可以使美护产品在安全性、生产效率等方面有较大的提升，同时新的合成工艺也可以使原料实现传统技术无法达到的功效。
华熙生物（688363.SH）相关负责人对第一财经表示，合成生物学方法生产的化妆品原料来源于可再生、天然生物质资源，主要通过基因编辑技术获取和创造人类生命健康需要的各种物质，因此安全性和生物相容性更高。特别是对于敏感肌肤和医美后创口期的消费者来说，合成生物学方法生产的原料更加安全温和，能在发挥较强功效的同时，减少传统方法可能产生的安全隐患和生物相容性差的问题。
该负责人还表示，传统的美护产品原料生产多依赖于动植物提取或化学合成，这些方法不仅效率低、成本高，而且可能对环境造成负面影响。合成生物学通过改造微生物底盘细胞，能够以安全环保的方式定向生产高质量化妆品原料，使生产过程环保和可持续的同时，进一步提升了生产效率，降低了成本。
“麦角硫因是合成生物法替代化学合成最经典的案例。”张岩峰介绍道，“以往化学合成制造的麦角硫因单价约为2000万一公斤，现在使用合成生物技术进行生产，价格已下降至一万元一斤甚至更低。”他认为，结合麦角硫因的案例来看，目前降本增效依然是合成生物学在化妆品领域应用最核心的目标之一。
已有越来越多美护品牌，尤其是国内品牌开始布局合成生物技术，以生物合成法代替传统的动植物提取等方法已逐渐成为行业发展趋势，同时美护行业也正成为合成生物重要的应用领域之一。
据CBInsights和BCapital测算，至2028年合成生物在消费品牌领域市场规模预计达到36亿美元，预计2023-2028年年均增长37%，占比约7.2%。
3.2商业化过程依然面临挑战
合成生物学在美护产品领域展现了巨大的应用前景，但从物质合成，到功效确认，再到商业化生产，诸多环节依然面临着限制和挑战。
华熙生物上述负责人表示，合成生物学主要通过改造微生物底盘细胞实现化妆品原料的定向生产，虽然这项技术已经在DNA合成、基因编辑、代谢工程等方面取得了进展，但在提高合成的精确性和合成效率方面依然面临技术挑战，例如，如何确保基因编辑的精确性、如何提高代谢途径的效率和稳定性等。该负责人表示，生命体系极其复杂，涉及众多的基因、蛋白质、代谢途径等。要完全模拟或合成一个生命系统，需要深入理解其复杂性和相互作用，这是目前科学尚未能完全达到的水平。
对此，张岩峰也表示，相对于物质合成，化妆品新原料的商业化过程中可能遇到更多的困难。
“一些具有高价值的物质，比如紫杉醇等，可能会吸引很多研究者的关注，得出的合成路径也会很多，这样利用合成生物技术去推动这一原料的商业化生产，所需周期就很短。”他表示，在化妆品领域，对于新物质的关注度就没有那么高，光甘草定等一些筛选出的全新物质，虽然在美白等方面功效十分出众，但是其合成途径尚需要科研人员从头去解析并确定商业化生产工艺，最少需要五年以上的时间，“在化妆品这样一个高度内卷的赛道，谁也无法保证五年以后这一物质是否还会受到消费者和品牌的青睐，这时候研究就会陷入停滞。”
除此之外，合成生物企业还可能面临诸如产品功效确认、行业资质认证等一系列进入壁垒。其中，如何判断所合成物质具有的价值是一个系统性的过程，需要通过对物质进行功效评估和市场接受度两方面来进行调节，并通过系统的实验验证、市场调研和竞品分析等一系列复杂的手段。
不过，华熙生物在这方面已经取得了不错的成果。张岩峰称，华熙生物通过直接运营自有品牌，极大程度缩短了反馈的链条，能对客户需求作出及时响应，因此在C端市场获得了很好的回报，“目前来看还没有几家企业能真正做到这一步。”
3.3国内政策支持力度加大
政策层面上，2021年以来，我国对于化妆品原料创新的支持力度开始持续加大。
2021年5月，国家药品监督管理局发布的《化妆品新原料注册备案资料管理规定》开始实施，由过去的“审批制”变为“备案制”，仅对高风险新原料实施注册管理。
此前在2004年至2021年4月，仅14个新原料获批，并且其中6个是在2021年下半年完成备案。随着新原料备案的放开，品牌企业在原料创新方面的积极性持续高涨，2022年至2023年累计有111个新原料完成备案，其中2023年提交备案的新原料数量达到69个。根据最新数据，截至2024年上半年，提交备案的新原料数量已达到46个，较去年同期增长近90%，且国内企业占比依然维持在78%以上。
地方层面对于合成生物在美护产品原料领域应用的支持力度也在持续加大。2023年9月，北京市商务局等9部门印发《关于支持美丽健康产业高质量发展的若干措施》，其中提出支持化妆品新原料创新研发及应用，鼓励企业基于生物工程学、皮肤科学等科技成果，开发高品质生物技术、化学新原料，并将对注册备案化妆品新原料的企业、取得新功效化妆品注册证的企业，分别给予奖励。
同一时间，杭州市政府印发了《支持合成生物产业高质量发展的若干措施》，提出重点支持化妆品原料研发，并将对成功注册或备案的合成生物化妆品新原料给与一定的资金奖励。
在一系列政策以及市场的双重驱动下，本土企业通过合成生物技术加快化妆品原料研发和创新的趋势有望延续，从而持续推动行业快速发展。
3.4国内企业展开布局
合成生物在美护领域的乐观应用前景，使其越来越受到资本关注，相关企业也获得众多投资机构追捧。
SynBioCon统计数据显示，截至2023年12月10日，国内共有52家合成生物学相关企业共完成了累计57起融资/募资事件，涉及美护项目的有近20个，其中，蓝晶微生物在B4轮获得融资规模超4亿元。据了解，该公司主要利用合成生物技术帮助消费品、食品、医疗、农业和工业等行业的B端客户在行业内开展差异化竞争，项目主要涉及生物可降解材料PHA、再生医学材料、美妆新功能成分、新型食品添加剂、工程益生菌等。
上市公司中，也有越来越多企业布局合成生物在美护领域的应用。
华熙生物在国内合成生物领域处于第一阵营，2018年起该公司就将合成生物作为底层技术，致力于化妆品原料的开发。基于技术平台优势，该公司在透明质酸领域取得成功之后，还先后推出了麦角硫因、重组III型胶原蛋白等多款新原料。同时，该公司目前还建成了全球最大的中试转化平台，为新产品的商业化能力提供保障。该公司表示，未来将继续围绕功能糖、氨基酸、蛋白质、多肽、核苷酸和天然活性化合物六大类物质，全面布局生物活性物质产业体系，深耕功能性护肤品及功能性食品等消费领域。
巨子生物（02367.HK）于2009年在全球率先实现重组胶原蛋白护肤品产品的量产，目前重组胶原蛋白和稀有人参皂苷的年产能分别达到10880千克和630千克，均为全球最高水平。该公司旗下拥有可复美、可丽金、欣苷等品牌，涵盖功效性护肤品、医疗器械、功能性食品及特殊医学用途配方食品三大产业方向。
锦波生物（832982.BJ）是国内重组人源化胶原蛋白的头部企业之一，该公司成功研发了重组III型人源化胶原蛋白，并开发了三类医疗器械产品“重组Ⅲ型人源化胶原蛋白冻干纤维”，产品于2021年6月获得国家药品监督管理局批准上市，用于面部皱纹纠正。2023年，得益于重组人源化胶原蛋白为核心成分的植入剂产品销售额大幅增长，锦波生物全年营收和归母净利润同比分别增长99.96%和174.60%。
四、食品篇：监管趋于改善，应用前景广阔
合成生物在食品领域的应用被寄予厚望，不过从商业化情况来看，合成生物在食品领域的发展相对缓慢。这其中有法律法规严格管控的政策因素，也有民众接受度相对较低等一些市场因素的存在。
对于行业发展前景，市场研究机构依然表示乐观。CBInsights数据预计，到2028年，食品将成为合成生物领域仅次于医疗健康的第二大应用，市场规模有望超过120亿美元。
合成生物在食品领域的应用潜力究竟体现在哪些方面？行业现阶段面临的主要挑战是什么？相关企业又该如何在其中找到生存发展之道？
4.1应用前景具有想象空间
随着人口数量的持续增长，以及可持续发展需求的提升，合成生物技术在食品领域的应用潜力备受关注。
北京绿色康成生物技术有限公司总经理陈家琦表示，合成生物在食品领域应用的最大优势，是可以连续高效地进行生产，更少受到环境变化、土地条件等因素的干扰；其次，合成生物技术生产的食品相对传统农业及畜牧业对资源的消耗和环境的污染更少，通过减少使用农药、抗生物素等生化药剂，食品生产过程更为安全可控；最后，可以快速扩产也是合成生物食品的一大优势，尤其在面对供应短缺甚至突发灾害的情况下，工业化生产的合成生物食品可以迅速弥补需求缺口。
合成生物学在食品领域的应用主要有两大类，一种是生产替代蛋白，即通过合成生物技术获得非动物来源的蛋白质，主要应用方向包括人造肉等；另一种则是用于食品添加剂、食品原料等的生产。
按照不同技术路径和实现难度，替代蛋白分为植物蛋白、发酵蛋白和细胞培养蛋白，其中，通过细胞培养获得的动物蛋白更具市场前景，但目前工艺尚不成熟，由于成本和口感等问题，市场接受度也较低，尚处于商业化早期阶段。业内预计，由动物细胞直接培养的替代蛋白要到2032年才能与相对昂贵的牛肉形成成本平价，之后才有望启动工业化生产。
相比之下，基于大豆蛋白和豌豆蛋白研发的植物基蛋白在2023年就已实现与肉类生产成本持平，现阶段商业化应用发展较快，如全球人造肉品牌ImpossibleMeat的素食汉堡肉相关产品已获得FDA批准进入零售市场。据波士顿咨询公司（BCG）分析，2025-2030年，植物蛋白市场年复合增长率有望达到16%左右，到2030年，植物蛋白市场消费量为5000万吨左右，
根据美国农业部预测，到2030年时，全球肉类消费水平将达到3.58亿吨。以植物肉为代表的合成生物替代蛋白在成本下降后，有望在人类蛋白供应中扮演越来越重要的角色。
相比于替代蛋白，当前合成生物在食品原料、食品添加剂领域的应用落地更快，是现阶段合成生物技术在食品领域的主流应用。
食品添加剂和食品原料包括营养强化剂、抗氧化剂、甜味剂、着色剂、新食品原料、功能性配料等多种物质。在现代食品工业中，随着全球食品饮料市场规模持续扩容，对食品添加剂的需求不断增长。
泰信基金研究员张振卓表示，相比传统的化学法和发酵法，生物法食品添加剂在食品安全方面更有保障，在生产效率和创新产品开发方面也更具优势。
据介绍，目前合成生物技术生产的食品添加物质，既有L-丙氨酸、维生素E、番茄红素等依靠动植物提取或化学法合成能够获得并已被应用于食品领域的产品，也包括HMO（低聚母乳糖）、赤藓糖醇等原先无法合成的新产品，其中，HMO作为创新的营养强化配料，是当前合成生物学在食品领域相对有潜力的探索成果之一。
陈家琦也表示，在消费品领域，尤其是在功能性营养品这样一个细分赛道，消费者对于创新原料的接受度更高，而对价格的敏感度更低。在强大技术的背书下，合成生物学开发的食品原料更容易得到认可。
目前在全球范围内，帝斯曼是从传统化学合成向生物合成转型最成功的龙头企业。2021年以来，生物基生产或从自然界提取的营养添加剂占该公司收入超过50%以上。
随着帝斯曼等龙头的多个食品添加剂专利陆续到期，国内合成生物企业近年来逐渐在ARA（花生四烯酸）、苹果酸、1.3丙二醇等领域实现突破，华恒生物（688639.SH）、嘉必优（688089.SH）为首的上市公司，以及绿色康成等初创企业迎来了重大发展机遇。
对于这一赛道的需求前景，陈家琦表示，2017年发布的国民营养计划（2017-2030年）明确表达了对于保健食品、营养强化食品等新型营养健康食品的认可和支持。目前国内功能性食品的市场规模已突破6000亿元，以合成生物学为基础的功能性食品、营养强化食品未来的需求空间还是非常广阔的。
4.2谨慎审批延缓应用落地
我国对于食品安全高度重视，对于食品添加剂等产品审批严格，张振卓认为，这在客观上延缓了合成生物学在食品领域的应用速度。
“在食品应用领域，涉及基因修饰微生物生产工艺的合成生物学产品，需要经过农业部、卫健委等不同部委的安全认证和审批之后，才能够进入市场。”陈家琦向第一财经介绍称，这个过程中需要经过大量的安全测试和审查，时间周期大约在1-2年。
此外合成生物食品在国内还缺乏相匹配的质量标准和生产工艺认证，陈家琦表示，“如果要获得食品及食品添加剂的生产许可证，企业就一定要遵循国家颁布的质量标准以及符合规定的生产工艺，但对于合成生物食品来说，其新型的生产工艺尚没有相应的标准可匹配，这就对生产许可证的申请造成了巨大的障碍。”
通常国家相关标准制定需要征询业界广泛的意见，对合成生物食品行业而言，要想打破发展瓶颈可能还需要一定时间的等待。不过陈家琦也透露，针对当前行业现状，已有相关机构在积极推动行业标准的更新工作，并且已经形成了明确的工作计划，“目前合成生物在新食品添加剂领域的审批路径已经打通，后续其他细分领域的相关工作也在加快推进，有望为合成生物食品推向市场奠定基础。”
据悉，2023年10月7日，国家卫生健康委员会批准了2'-岩藻糖基乳糖和乳糖-N-新四糖作为食品添加剂新品种，用于婴幼儿配方奶粉、调制乳粉（儿童用）以及特殊医学婴儿食品。同时，还有两种HMOs正在征求意见中。
对此张振卓乐观表示：“HMOs的获批标志着我国合成生物学食品原料监管政策正在推进，未来合成生物学在食品领域将得到更广泛的认可和应用。”
4.3商业化待打破“规模-成本悖论”
基于更为严格的安全监管，国内合成生物食品原料及添加剂在商业化生产方面仍面临挑战。
根据国家相关法规要求，应用于食品领域的相关原材料必须单独建立更高安全标准的生产线，不能与其他工业品共线生产。这意味着合成生物企业在对市场多样性需求快速反应的同时，还需要针对同一类原料建立不同标准的生产线。陈家琦表示，这对于合成生物企业，尤其是初创企业而言，是一笔不小的开支，对企业拓展产品应用形成了一定的阻碍。
除了产能建设，品牌建设、销售团队搭建等方面也需要企业投入大量资源。据介绍，目前合成生物企业在市场销售方面的投入普遍要达到整体运营资金的20%-25%左右，一些ToC的企业可能比例会更高。
具体到不同合成生物食品的商业化过程，部分新产品还面临特殊问题。“商业化是打开下游应用场景的核心，对大多数以产品为主的合成生物学公司来说，主要问题是‘规模-成本悖论’。”张振卓表示，对于新产品而言，更低的价格和稳定的供应是下游客户愿意尝试的基础，但规模起量需要足够的商业化作为支持，也就是说必须有足够的需求来支撑大规模的工业化生产。
不过他也表示，由于食品添加剂和营养品等领域市场空间足够大，并且消费者在价格方面相对不敏感，有利于合成生物学企业打破“规模-成本悖论”。“如果有合适的合成生物学技术或者新产品，并且有稳定、成本相对低的供应，合成生物学在食品领域可能会有很大的发展空间。”
五、化工篇：成本优势突出，产业体量有巨大提升空间
由于生产过程更为环保，且对石油等自然资源依赖较少，用生物法替代化学法制造大宗化工品原料，一直是合成生物学应用的重点领域之一。CBInsights预计，2023年全球合成生物市场中，化学工业市场规模达到34亿美元，占比近20%。
相比于传统的化工法，以合成生物为基础的生物法使用可再生原料，酶法或发酵法等生物制造工艺的反应条件更为温和，因此研发及后期制造过程中的二氧化碳、废水等污染物排放大幅减少，同时也降低了对于石油等石化资源的依赖和消耗。选择生物制造的化工品，正成为企业应对区域环保准入门槛时的重要策略之一。
值得注意的是，目前合成生物可合成的大宗化工品数量仍相对有限，产业体量相对于整体化学品仍有巨大提升空间。凯赛生物（688065.SH）董秘臧慧卿表示，目前合成生物的应用还处于相对早期，尤其在大宗化工原料生产的应用整体规模依然较小，因此所产生的节能减排等正向影响还未在社会经济发展中明显体现，未来随着合成生物在各方面应用的持续铺开，以及大规模产能的逐步落地，它在环保方面的价值才会逐渐显现。“什么时候合成生物工厂的产值可以和一家差不多规模的炼油厂达到同等水平，才真正意味着合成生物法在生物制造领域所展现出的价值，可以与化学法相抗衡。”
5.1成本优势为重要竞争力
化学原料成本控制一直是化工产业链中，企业提升产品竞争力的重要手段，而降本增效恰恰是合成生物学的另一个重要优势。相比一些化工法动辄数十道合成工艺，只要培育出合适的菌群，合成生物法仅需简单的几步就可以实现目标原料的合成与生产，因此在工艺难度和成本上具有较为显著的优势。
长链二元酸市场的易主，是生物法替代化学法的一个绝佳案例。该物质作为长链尼龙、涂料、润滑剂、增塑剂以及农药等领域的重要原材料，全球主要市场份额原先一直掌握在杜邦、英威达等企业手中。凯赛生物战略发展总监郑倩介绍，依托合成生物等工艺优势，凯赛生物凭借更低的成本实现对化学法同类产品的市场替代成为全球化工品领域以生物法替代化学法重要的成功案例。
不过她也指出，在化工品领域，合成生物法对化学法的替代依然受到诸多因素限制。一些通过石油简单裂解后即可获得的化工品，例如乙烯、丙烯等，其本身的工艺难度和成本均已处于极低水平，现阶段的合成生物工艺并没有办法把成本做得更低，因此无法对传统工艺形成替代。另一方面，一些小品种即使可以通过生物法实现更低成本，但有限的市场空间也注定鲜有合成生物企业愿意涉足这一领域。
“我们仍在不停的摸索，寻找具有巨大潜力的品种，但这是一个长期的过程，需要不断的技术迭代和研发。”郑倩表示。
5.2大规模商用仍存壁垒
推动产品放量，目前仍是合成生物企业所需要面对的最重要的问题。
合成生物法在生产成本、生产效率以及环境保护等方面的优势毋庸置疑，但在大宗化工品领域，从原材料到终端产成品，中间涉及环节较多，而合成生物企业一般只扮演上游原材料供应商的角色，要完成对原有化学法产品的替代并投入大规模商业化生产并不是一蹴而就的事。
据介绍，生物法生产的材料并不是单纯复制化学法生产材料的性能，两者存在一定的差异性、各有优势。因此，大规模商业化生产的后期加工过程中，需要从生产设备、生产工艺、技术参数等各个环节进行匹配，这将显著增加企业的替换成本。臧慧卿表示，生物基材料要完成替代，产业链上每一个环节都需要对产品形成统一的认识，但当前来看，下游客户对于大宗原材料的应用创新能力仍显不足，这导致生物制造原材料的推广需要大量市场教育，“仅仅是尼龙56在纺织服装领域的应用推广，我们就投入了大量的精力进行应用开发和市场教育，但产业链各环节的广泛接受需要一个过程，到目前为止下游应用还未完全跑通。”
除了产业链环节的沟通，合成生物化工品在部分领域的应用还涉及到较为严格的资质认证，例如在乘用车及公共交通设备、光伏风电等新能源设备等领域，合成生物材料要进入相关市场还需要通过诸多资格认证。“在乘用车领域，如果要进入相关供应链体系，平均周期可能是两年，当然好处是一旦进入这个体系就会形成比较强的客户粘性和较高的进入壁垒，并给整个材料带来非常强的背书作用。”郑倩介绍道。
因此目前来看，至少在化工品领域，合成生物技术要实现大规模推广应用，不仅在选品时需要找到需求广泛，且具有显著成本优势的产品，也需要在产业链环节上得到上下游的一致认可，可以预见仍将需要相当长的时间周期和巨额投入，这对于目前国内合成生物领域的民营企业而言，无疑是一项巨大的挑战。
5.3国内迎政策机遇期
随着国家政策逐渐向生物制造产业倾斜，我国合成生物产业正迎来新的发展动力。
我国对于合成生物学产业发展的支持起步较晚，直到《十三五规划》中，才明确提出要加快发展合成生物学技术，推动创新以及行业应用，之后在《“十四五”生物经济发展规划》中，进一步高频率提及合成生物学，要求将该技术作为关键技术创新领域，促进其在医药、农业、化工、能源等领域的应用转化。
从落地情况来看，央企有望作为相关支持政策的执行方，成为我国合成生物产业发展的重要推手。事实上，当前经济环境下，不少国有企业正在积极寻求转型，试图摆脱原先以金融、地产为主要收入的经营模式，而在我国大力推进新质生产力发展的当下，合成生物自然成为这些企业转型的重要抓手。目前有不少央企正通过设立投资基金、提供融资支持等方式，越来越多参与到了合成生物产业的发展中。
凯赛生物于2023年披露定增预案，拟定增66亿元引入招商集团作为间接股东，通过后者提供的资金和资源优势，联合布局生物基复合材料建设基地。该公司表示，达成合作后，公司的合成生物制品可应用于招商局集团下属多个实业板块，可以见这一合作模式将有助于合成生物企业迅速打开市场，对推动产品放量带来积极影响。
5.4国内企业快速发展
海外合成生物产业发展较早，并诞生了一系列行业头部公司，其中AMYRIS被视为全球合成生物产业的鼻祖，2007年便以甘蔗为原料，成功利用合成生物法合成了法尼烯。法尼烯被认为在美妆、食品、能源以及材料等领域均有广泛应用前景。
Genomatica是一家专注于利用生物技术和代谢工程，将可再生原材料转化为各种化学产品的合成生物公司。2008年，该公司率先使用合成生物技术产出1.4-丁二醇,开创了生物技术在石化产品领域替代传统化工技术的先例。
此外，一些化工巨头也较早在合成生物领域进行了尝试，并先后在工业化生产方面取得突破。杜邦自2013年以来先后利用生物基工艺成功实现了1.4丁二醇、1.3-丙二醇等化工原料的工业化生产；巴斯夫作为化学中间体的重要生产商之一，通过开发可适应不同原料的专利菌种，分别于2014年和2017年成功利用合成生物法实现了琥珀酸和1.4-丁二醇、Γ-丁内酯等产品的工业化生产。
相比之下，国内合成生物企业在大宗化工品的生产领域起步较晚，但发展迅速。华恒生物（688639.SH）是全球首个用微生物厌氧发酵法规模化生产L-丙氨酸产品的企业，据该公司招股说明书，至2023年，公司L-丙氨酸的全球市场份额已跃居首位。
凯赛生物是国内合成生物领域的另一代表性企业，分别于2003年和2014年实现生物法长链二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺的产业化技术突破，目前已成为全球长链二元酸市场的主导供应商。
六、农业篇：发展窗口期已至，育种、饲料领域进展领先
此前人们通过大规模开发合成和天然肥料、优化育种等策略，大力改善植物结构和提高植物光合作用利用率，以获得更高的产量。但传统的农业策略更侧重于个体成分的调控，难以实现提升营养的目标，且导致农业排放中的甲烷及氮氧化物占比较高，不利于环境保护。
随着合成生物学在农业领域的逐渐推广，它在减少肥料使用、减少碳排放、强化病害防控、提高生长效率等方面的优势日益凸显。
6.1农业合成生物学市场持续扩张
根据BCG（波士顿咨询）与BCapital（波士顿投资）联合推出的《中国合成生物学产业白皮书2024》，国际上提出了农业合成生物学三大重点发展技术，即推动人工光合体系、固氮体系及生物抗逆体系方面的技术发展应用。这三大技术发展方向同样是中国在技术跨越阶段（2020年-2025年）的首要目标。
中国还计划在2026年-2030年进入产业跨越阶段，人工固氮和部分抗逆品种、新一代酶制剂与农药等实现产业化，农业合成生物技术研发水平跻身世界先进行列。在2031年-2035年进入整体跨越阶段，中国农业合成生物技术研究开发与产业化整体达到世界先进水平。
未来农业服务平台35斗发布的《2023合成生物农业食品应用白皮书》预测，在2025-2030年间，合成生物农业食品各细分领域市场规模均超百亿元。其中，创新食品和添加剂领域市场规模最大，预计2025年将超3000亿元；动植物育种领域种子基因编辑的市场规模也达到400亿元；动植物营养、动植物健康、创新材料、农业废弃物资源化等领域在2025年市场规模均达到百亿级别；而食品安全检测和绿色保鲜领域目前开发尚不充分，但在技术突破及政策和资本的加持下，预计将快速壮大。
根据CBinsights的预测数据，随着合成生物学在各领域应用更加广阔以及技术改善，合成生物学行业市场规模有望快速扩容，预计到2027年将达到387亿美元。因动植物选择性育种、DTC基因测试、基于微生物美容产品等带来的广泛前景应用，食品饮料和农业将是增速最快的赛道，预计2022年至2027年的年复合增长率将达到45.4%和56.4%。
6.2育种、饲料等领域应用进展领先
从技术角度来看，合成生物学在农业中的应用目前主要围绕微生物改造、植物改造方面，在育种、肥料、饲料添加剂、农药等细分领域已实现商业化。
以育种为例，合成生物学应用主要分为三类：一是通过野生植物驯化，提升产量和质量；二是提高果实质量、固氮、抗虫抗药等性能改造；三是通过合成生物学来促进羧化反应，提高光能利用，降低光呼吸损失。
相比传统育种技术，运用合成生物技术通过高精度的基因编辑手段改造种子，在新作物开发、性状开发等方面具有目标明确、成本更低、耗时更短等明显优势。相较于转基因技术，基因编辑技术的门槛更低，并且基因编辑技术的育种速度更快，投入成本更低，在育种端可以开发的产品更多。
在全球范围内，基因编辑已经在水稻、玉米、大豆、小麦和番茄等农作物中广泛应用，糯玉米、高油酸大豆、抗褐变马铃薯、高GABA番茄、抗褐变蘑菇等基因编辑产品已陆续在美国、日本、英国等国家上市推广。
第一财经整理公开资料发现，目前多家育种企业如大北农（002385.SZ）、隆平高科（000998.SZ）均已布局基因编辑育种。某育种企业相关人士表示，我国基因编辑育种企业已蓄势待发，在技术端已经处于领先水平。虽然目前国内相关政策还没有正式放开，但2022年1月，我国发布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，对基因编辑植物的安全评价管理进行了规范，农业农村部也密集就基因编辑技术征求意见，为下一步全面放开基因编辑市场打开通道奠定了政策基础。
肥料方面，农业生产的产量很大程度上依赖于化肥的大量使用，在提高作物产量的同时，也严重威胁着农业的可持续发展。近年来，国内外的研究学者将目标转向了生物固氮途径，通过构建人工高效固氮植株体系为农作物提供氮源，部分替代或大幅度减少化学氮肥的使用，开创了固氮合成生物学的新领域。
以固氮菌为例，据北京绿氮生物相关负责人介绍，原始土著固氮菌株存在天然缺陷，固氮效率低，且对环境适应性差，对土壤氮敏感，固氮功能得不到有效发挥，导致大田测试效果不稳定，通过合成生物学（基因编辑）的改造，可以突破固氮菌的固氮限制，增加其环境适应性，保证其功能发挥的稳定性。
饲料添加剂方面，据华西证券农林牧渔行业首席分析师周莎介绍，从养殖业来看，蛋白为重要的饲料原料，豆粕为当前饲料工业中的主流蛋白原料，由于我国大豆长期依赖进口，饲料中豆粕添加受影响较大。国家前期出台多项政策推动我国大豆产量提升，并出台《饲用豆粕减量替代三年行动方案》以减少饲料中豆粕的添加，未来低成本合成蛋白替代是解决饲料中蛋白添加的重要途径，且有望进一步降低养殖成本。
农药方面，合成生物技术可赋能绿色生物农药制造，在突破绿色农药新靶标和分子设计、植物免疫诱抗剂创制、生物农药合成生物学等核心技术的同时，利用合成生物智能制造平台，建立绿色农药产业化关键技术和高效化应用技术、开展新型生物源农药研制已经形成趋势。此外，还可利用合成生物学来搭建光自养平台，能覆盖诸多产业，想象空间巨大。
6.3国内企业探索创新应用
对于产业而言，合成生物所带来的是“造物革命”，将颠覆传统生产方式，同时降低能耗、减少碳排放。而对于企业而言，这种“造物”方式，有望进一步放大企业成本优势。在国内市场，一批领军企业正聚焦动植物健康、营养，利用合成生物学搭建技术平台，并不断探索技术创新在商业领域的应用。
2023年4月，山东舜丰生物科技有限公司获得我国第一张农业用基因编辑生物安全证书（高油酸大豆安全证书），迈出国内植物基因编辑由实验室向产业化发展的重要一步。2024年1月，舜丰生物研发的长童期大豆再获植物基因编辑安全证书。
北京绿氮生物科技有限公司围绕国家农业生产需求，致力于推动合成生物固氮技术的产业化。据绿氮生物相关负责人介绍，公司基于高通量筛选、合成生物学、机器学习和计算建模技术，首创定向微生态理论（DirectedMicro-Ecology/DME）及其应用体系，推出固氮菌便携式培菌箱（DME-05）、固氮菌专用培菌机，实现就地一步发酵培养，在20小时内分别可实现＞5亿及10-20亿CFU/mL的扩培。目前该培菌产品正在与高校院所、种子企业开展试点，进行田间效果测试，未来将积极参与固氮菌的政采项目，计划两年内完成市场布局，预计可实现千万元级以上的营业收入。
在A股市场中，亦有多家公司探索合成生物学在农业领域的应用。
瑞普生物（300119.SZ）2023年投资2000万元与中国科学院天津工业生物技术研究所等企事业单位合资成立天津国家合成生物技术创新中心有限公司，旨在通过应用生物合成学技术，攻关研发核酸疫苗、重组蛋白疫苗等兽用疫苗，酶制剂、益生元等生物制剂，以及兽用抗生素、饲料添加剂等。据该公司在互动平台表示，与中科院天津所联合研发的动物饲料维生素新产品已进入验证阶段。
据华西证券研报，2023年全国工业饲料总产量超过3亿吨，饲用蛋白空间巨大；另外合成生物合成的蛋白也可以用于食品加工，应用场景广泛。未来瑞普生物“微生物蛋白规模化制造”项目落地蛋白批量生产之后，有望为该公司贡献新的收入和利润。
播恩集团（001366.SZ）此前在互动平台表示，2023年度，该公司获授农业农村部饲料合成生物技术重点实验室。饲用氨基酸维生素合成生物技术是其重点研发方向之一，通过这些研发工作，公司拥有OEN效能营养、播恩双酸清洁养殖模式、SFF（部分生物发酵技术）、播恩补钙技术等独有技术，并深耕幼小动物营养，开发出SFF开心套餐（播恩TTT+SFF保育料）、播恩蛋鸡料等产品。数据显示，2023年度，该公司采用生物发酵技术的产品收入约占公司营业收入的六成。
富邦股份（300387.SZ）已在生物肥料与禾本科固氮、生物农药与根结线虫防治、单产提升、绿色种植等领域布局。未来，公司将积极运用CRISPR基因编辑技术、同源重组等技术，利用分子生物学、合成生物学等方法，在生物农业领域不断展开研发与技术创新，为实现绿色环保、低碳降碳、降本增效、提质增产的目标而努力。
在L-草铵膦生产制造方面，利民股份（002734.SZ）以合成生物学技术为核心，利用细胞及其组分介导物质加工，并融合工程学、化学、物理学等理论和方法，可实现近100％转化率，且无中间物残留，真正做到了实现农药的增效减量和生产过程减碳。该公司表示，合成生物学为新型生物农药的研发提供了无限可能，公司技术团队可以通过基因编辑技术创造新的生物活性物质或者改良现有的杀虫基因，隐形基因簇的表达能发现新的候选化合物，从而开发出更有效、更安全的生物农药。
蔚蓝生物（603739.SH）也已经设立了合成生物技术创新实验室，主要用于研发饲料用功能性蛋白、食品用甜味剂等。据该公司内部人士透露，该实验室储备的研发项目较少，目前仍处于前期菌种实验室研发阶段，距离规模化放大还有较大差距，尚不具备产业化条件。
七、能源篇：未来能源战略必争之地，产业化尚有距离
合成生物能源是以农林废物资源、城市有机垃圾资源，甚至合成气和CO2等为原料，利用人工设计的合成生物生产获得的能源产品，符合低碳环保的发展要求。
合成生物能源包括生物乙醇、生物柴油、高级醇、生物沼气（甲烷）、生物氢气及生物电等不同产品类型。
与化石能源相比，合成生物能源因生产原料主要来自可再生的生物质资源，燃烧产生CO2不仅不会增加排放，甚至可以降低温室气体的净排量。发展合成生物能源对于保障能源安全、改善生态环境、助力“双碳”目标实现等具有重要意义，已成为全球“未来能源”的战略必争领域。
7.1全球生物能源市场规模逐年增长
在19世纪中后期，生物沼气和生物乙醇实现了工业化生产。之后19世纪70年代爆发的石油危机导致生物能源发展被广泛关注，客观上加速了各类生物能源研发及产业应用。
2000年以来，随着全球对可持续发展的关注叠加合成生物学逐步兴起和发展，包括纤维素乙醇、高级醇、脂肪烃、生物沼气、生物氢和生物电在内的新一代合成生物能源技术逐步发展，为生物能源市场空间的拓展注入了新动力。
根据国际可再生能源机构（IRENA）发布的数据，全球生物质能源市场规模2014年至2019年年均增长率约4.6%，预计2025年将达到5000亿美元，其中，生物质电力将成为主导，生物燃料市场预计增速最高。另据国金证券援引statista数据，预计到2024年，全球生物燃料市场规模超过1200亿美元，2021至2030年行业年均增长率可达5.4%。
7.2合成生物能源历经三代革新
从技术迭代的角度来看，合成生物能源历经三代革新。第一代主要以植物油、废弃食用油等为原料来合成生物燃料；第二代原料发展为非粮食类生物质，包括谷物秸秆、甘蔗渣等；第三代以大气中的CO2为原料进行微生物利用，生产燃料与化学品。目前，第三代生物合成已经取得了初步进展。
以生物乙醇为例，第一代生物乙醇以糖/淀粉作物为原料，已在全球范围内实现大规模商业化生产，美国（以玉米生产为主）和巴西（以甘蔗生产为主）是最主要的两大生产国，产量规模合计占全球80%左右。第二代生物乙醇以农业废弃物和木质纤维素材料为原料，在合成生物学等先进生物技术推动下正趋于成熟，全球各国陆续建设了纤维素燃料乙醇生产示范项目。第三代生物乙醇则以微藻为原料，尚处培育阶段，多个能源公司正加速推进研发布局，如能源巨头道达尔能源与威立雅集团（Veolia）正联手推进二氧化碳培养微藻的技术研究。
生物柴油是一类长链脂肪酸甲酯（FAMEs）/乙酯（FAEEs），由植物、动物或微生物源油脂与短链醇（甲醇和乙醇）通过酯交换反应生成。早在20世纪30年代，人们就尝试利用植物油来制备生物柴油。与化学催化相比，酶法酯交换反应条件温和，环境友好，易于分离副产物甘油等，是绿色化工的发展趋势。近年来，基于大肠杆菌和酵母生产生物柴油的代谢工程也取得了一定进展，以外源添加或内源合成的脂肪酸、乙醇为原料合成生物柴油的效率不断提升。
从成本效益的角度来看，微生物全细胞介导的生物柴油生产也更具吸引力。据悉，印度国家科学研究所（INRS）的研究人员开发了一种利用微生物、污水污泥和生物燃料副产物的生物柴油生产新方法，可以将生产成本降低至0.72美元/L（传统生产工艺价格约为6.78美元/L）。此外，微生物细胞从头合成生物柴油可以利用多种原料，包括葡萄糖碳源、甘油、木糖、稻草水解物、废油，甚至木质纤维素生物质。
氢能方面，在绿色能源转型与“双碳”目标背景下，化石燃料制氢、工业副产物制氢等传统制氢方式因不可持续性只能作为氢气制备的过渡性技术手段，以生物制氢为代表的“绿氢”技术被视为未来发展绿色氢能的最佳方式之一。通过合成生物技术改造工程菌、优化过程调控等，生物制氢效率得以大幅提升。
此外，在合成生物学推动下，BPV（biophotovoltaics，生物光伏）开发取得重大突破性进展。研究人员通过在遗传环境和装置层面的设计改造和优化，构建出合成微生物组（双菌、四菌等），有效提升了BPV系统的电能输出。
例如，中国科学院微生物所朱华伟、李寅团队构建的双菌BPV系统最大功率密度比单菌BPV系统提高10倍以上，可稳定产电40天以上；四菌BPV系统最大功率密度最高可达1700mW/m2，打破了长期以来BPV效率低、寿命短的技术瓶颈，为进一步推动BPV开发利用奠定了重要基础。
朱华伟等在研究论文中称，合成生物学在微生物组和材料学方向的拓展有望助力开发出更多元的高效BPV系统，特别是合成微生物组生物光伏已经在功率密度和系统稳定性方面显示出较大的发展潜力。理论上，只要初级能量载体能够持续再生，合成微生物组就可以持续产电，能量载体通量越大，输出功率越高。目前，合成微生物组还存在能量载体通量低和持续合成能力不足等问题。未来应强化能量载体的合成速率，解决因细胞生理调控引发的代谢停滞问题，突破能量载体持续合成关键技术。
总体来说，合成生物技术已在生物质的转化与利用、细胞工厂与生物催化剂的开发与优化、全新能量转化路线的设计与构建等方面实现变革性突破，为生物能源的高效制备与生产提供了有效手段。
7.3产业化仍有距离但趋势已明晰
从原料到技术再到产品，任何一环都不可能孤立存在。因此，判断一个产业成熟的关键，主要是看其“是否打通了供应链上下游，是否形成了完整的产业链”。而在目前的生物能源供应链中，无论是上端原料资源的供应、还是下端的产业需求都尚未成熟。
《中国合成生物学2035发展战略》中提出，合成生物能源面临高昂生产成本和低廉产品价值之间的矛盾、巨大市场需求和较低技术成熟度之间的矛盾，这两种矛盾是当前合成生物能源技术发展及产业应用的关键瓶颈。因此，需要研究生物发酵工艺优化、智能发酵控制、发酵产品分离纯化等，实现合成生物能源的高效低成本生产，从而在与石化能源的竞争中取得优势。
中国科学院天津工业生物技术研究所副所长王钦宏建议，未来需要优先发展以下5个方向：纤维素生物燃料整合生物炼制系统设计构建、利用含碳气体人工生物转化系统制备生物燃料、生物甲烷高效转化的多细胞体系设计构建、高效生物产氢体系的设计组装、便携式与植入式生物燃料电池系统创制。
王钦宏认为，未来要实现生物资源产业化发展，一方面需要加强生物能源的原料技术研究、提高转化效率并形成规模化产业优势；另一方面，还需要建立生物质资源从收集、储存、运输到交易的全方位商业模式。
7.4国内外持续探索应用落地
能源类的合成生物学公司可谓整个行业中起落最大的类别，有过早期的辉煌，也经历过行业泡沫破灭、大量公司“死亡”的时刻。
这里，不得不提起合成生物鼻祖Amyris的教训。Amyris于2003年成立，总部位于美国加州。在成功利用微生物合成青蒿酸之后，这家公司就把目光转向了利用基因工程细菌将糖转化为石油的实践。
Amyris的目标是设计一种细菌，将甘蔗汁转化为法尼烯（Farnesene,C15H24）。经过简单的化学步骤（氢化），法尼烯就能够变成高度可燃的燃料，特质与柴油几乎一样，并且这和化石燃料不同，燃烧不会排放出污染环境的废气，是实打实的绿色能源。这项技术获得了盖茨基金会的支持，并吸引了硅谷风投的关注。2010年，Amyris成功登录纳斯达克。
然而，从实验室到规模化生产的跨越充满挑战。Amyris在巴西建立了工厂，但量产过程中遇到酵母细胞死亡和转化率不足的问题。尽管Amyris的生物燃料在技术上可行，但2011年后，美国页岩油革命，油价下降，对比之下，生物燃料的高成本使其商业化之路变得艰难，最终，也未能实现产量目标。随后尽管Amyris在产品方向上不断谋求转型，但依然未能挽回颓势，于2023年8月申请破产。
在利用藻类生产生物能源方面，代表公司是美国的LanzaTech。该公司主要利用微生物将废气（如二氧化碳或甲烷）转化为燃料和化学物质。在国内，LanzaTech与首钢集团合资成立首钢朗泽，将自主研发的合成生物与CCUS有机结合技术，可将含碳工业尾气直接转化为生物乙醇及微生物蛋白等高价值产品。首钢朗泽是全世界第一个实现以钢铁工业尾气制饲料蛋白和燃料乙醇的企业，目前已投产运行项目4个，形成乙醇产能21万吨/年、饲料蛋白产能2.5万吨/年。
与工业尾气直接燃烧相比，首钢朗泽一代技术可实现二氧化碳减排33%以上，氮氧化物减排90%以上；二代技术可实现二氧化碳零排放，且每吨乙醇直接消耗二氧化碳0.5吨。与燃烧发电比，同样的原料气产生的经济价值是发电的2倍以上。
中粮科技（000930.SZ）2023年年报显示，该公司已构建了以玉米燃料乙醇为主，灵活使用木薯和不宜食用的水稻、小麦等原料的燃料乙醇生产线，已建成并持续优化纤维素燃料乙醇中试线，具备非粮生物质乙醇生产技术储备。
与乙醇相比，高级醇可以以更高的体积混合，但多数生物醇的工业化生产仍有待开发。其中Butamax（BP和杜邦的合资企业）和Gevo已经开始着手实现异丁醇生物生产的商业化。
当然，在合成生物能源研究及应用探索方面，高校/研究所仍然是第一主力。
例如，中国工程院任南琪院士团队首创“发酵法生物制氢技术”，通过培养高效产氢新菌属、开展生产规模试验等加快生物制氢降本增效，逐步推动暗发酵生物制氢技术进入中试放大阶段。依托于其团队最新科研成果，国内首个生物制氢及发电一体化项目于2023年2月在哈尔滨市启动试运行。该项目以秸秆、厨余、有机废水等为发酵底物，以高效厌氧产氢菌为生产者，实现了在处理废弃物的同时回收大量的清洁能源氢，有力推动了生物制氢技术的示范推广和产业化应用。
八、合成生物+AI：创新驱动，双向奔赴
合成生物学产业近年来快速发展，技术创新和商业模式的探索步伐也持续加快。其中，合成生物与AI技术的融合逐渐成为一种新趋势。从全球头部公司Ginkgo到国内领军企业凯赛生物，引入AI技术正成为越来越多合成生物企业的新议题。
AI+合成生物，两大前沿学科的相互奔赴将碰撞出什么样火花？AI技术又将如何赋能合成生物企业，甚至创造全新业态？
8.1AI与合成生物融合发展加速
同样是高速发展的前沿领域，AI技术与合成生物学融合发展的趋势日趋明显。
2024年2月，全球合成生物领域的头部企业之一Ginkgo宣布收购两家AI驱动的药物发现初创公司ReverieLabs和PatchBiosciences。此时，Ginkgo正因为“没有核心技术”的质疑市值大幅缩水，较巅峰时期跌落近90%。经过一系列尝试之后，并购AI公司被其视为弥补核心技术缺失和产品不足的重要手段之一。
Ginkgo并不是第一家并购AI公司的合成生物学公司，在此之前，Amyris、TwistBioscience等合成生物领先企业均有类似布局。
国内企业中，凯赛生物于2023年初投资了AI蛋白质设计平台公司分子之心，并在此后展开了一系列合作。凯赛生物创始人刘修才多次表示，AI技术将在合成生物领域发挥积极作用。
除了投资并购，合成生物企业与AI公司的合作也不断增加。全球范围内，特种矿物和材料公司ICL与农业科技公司LavieBio7月宣布，双方在生物刺激素上的合作取得了重要里程碑，将进一步利用AI技术推动合成生物产品开发。国内市场上，川宁生物今年签署了与金珵科技的战略合作协议，双方拟利用AI辅助合成生物学研发并合作开发新产品；朗坤环境7月宣布与华为云、软通动力签署三方合作协议，共同推进生物智造与人工智能、数字孪生等领域的合作。
“从合成生物产业本身出发，对AI技术产生需求是必然的结果。”元星智药董事长王梅杰接受第一财经采访时表示，AI技术与合成生物的结合是大势所趋，“只要有数据产生，任何行业最终都会需要AI技术的支持，合成生物的底层逻辑是通过基因编辑等技术去寻找新的原材料以及新的生产工艺，在不断尝试的过程中会产生大量实验数据，而对海量数据的处理就必然会催生对AI技术的需求。”元星智药是一家专注于将AI与生命科学相结合的代谢药物研发商。
通过AI技术对所设计蛋白结构进行功能预测，可以大大提升蛋白质设计效率，降低研发成本，而这只是AI技术在合成生物领域所发挥众多作用中的一种。王梅杰介绍，目前在帮助合成生物企业设计新的分子结构或者新的研发方案、帮助理解靶点作用机制、进行酶等催化剂的设计、帮助完成基因编辑或者菌群筛选工作等方面，AI技术都有较大的发挥空间，“用于蛋白质结构预测的Alphafold已更新至第三代，该项技术平台的发展直接驱动了蛋白设计的进步，尤其是酶的设计得到优化，进一步改善了合成生物生产发酵的工艺，这是AI技术驱动合成生物产业的发展最直观案例。”
另一方面，合成生物大量试验所获得的试验数据，能够进一步促进垂直领域AI模型的升级迭代，从而进一步加深对合成生物技术的理解，“长期来看，AI技术在整个合成生物领域一定会得到广泛且深度的应用。”王梅杰如是表示。
8.2创新是AI+合成生物快速发展动力
现阶段AI技术在合成生物领域的应用更多是提升研发效率、降低成本，以持续压低合成生物产品价格，提升市场竞争力，但在材料结构创新方面的成果还相当有限。
王梅杰认为，导致这个现象的主要原因，是以往合成生物企业的产品研发思路都是从上游技术端向下游应用端线性推进，产品研发完成后才去寻找市场，而这与合成生物企业原有的发展目标背向而驰，“从解决下游应用端需求出发主导上游技术创新方向，才是合成生物企业应有的研发思路。”
她表示，之所以无法从解决下游应用需求的角度出发，是因为依靠人类思维逻辑和创新能力无法设计出满足需求的材料结构，而这正是AI技术可以切入的痛点。“通过海量的数据、更强的计算能力，AI技术可以为解决问题创造更多可能性，这才是AI技术在合成生物领域最主要的应用场景。”
较早引入AI技术的凯赛生物，对于AI在合成生物创新领域的作用寄予厚望。“尽管基因编辑技术在不断发展，但合成生物学整体的研发范式没有重大突破。我们希望借助AI技术的预测结果对蛋白质结构进行改造，从而极大程度突破原有研发模式，实现更好的产品效果以及更高的转化率。”该公司战略发展总监郑倩表示，未来凯赛生物将在AI技术领域加大尝试力度，“最理想的情况是希望通过AI技术对蛋白质结构的预测，按照实际需求反向定制所需要的蛋白质结构。”
从具体应用来看，在目前合成生物众多应用领域中，化妆品行业对于原材料的创新需求更为强烈，给AI+合成生物技术的发展提供了更好的发展土壤。
随着客户消费能力和消费观念的不断升级，对美妆产品性能的个性化需求不断增长，“但在与客户的合作过程中我们发现，无论是品牌端还是合成生物企业，对于用户需求的认知依然不足，同时对一些合成生物原料本身也缺乏深度生物学研究，类似痤疮、脱发、头皮屑等，很多实际问题并没有很好的产品去解决。”
不断反馈的需求正倒逼上游合成生物企业加大对化妆品原材料的研发创新力度，这也给AI技术的介入创造了巨大的机会。
“现阶段合成生物企业的研发重点更多在于工艺的创新，但是对于原材料的功能、功效、作用机制等方面的理解并不清晰。”王梅杰表示，通过与AI技术企业合作，可以帮助合成生物公司更好地进行新原料的发现、作用机制的理解以及产品筛选，从而对消费者需求做出更及时的反应。
8.3AI+合成生物的模式和壁垒
目前AI+合成生物的结合模式有两种，一种是以合成生物企业为主导，类似于Ginkgo或者国内凯赛生物等，头部合成生物企业在研发过程中，通过合作或并购的方式引入AI技术。此类公司更多关注的是利用AI技术来解决合成生物研发创新过程中遇到的一系列实际问题。
另一种是以AI技术公司为主导，类似分子之心、元星智药等一些以AI为底层驱动的技术型企业，这些公司致力于在合成生物领域依托自身AI技术驱动研发效率和产品性能的提升，并对外提供服务合作。同时，借助专业经验、技术以及数据积累等多方面优势，实现在合成生物材料方面的重大创新。
王梅杰表示，相对于传统的合成生物企业，AI驱动的公司在生物机制的研究和理解方面更具优势，“跨学科的专业知识积累，在持续研发过程中累积的研发经验和研发数据，尤其是诸如蛋白设计领域不断积累的技术专利，是AI企业在合成生物应用领域的重要护城河，基于此开发的一系列产品则构成了AI企业最主要的竞争力。
不过，与在生物制药领域的应用一样，AI技术在合成生物领域的应用也面临一个问题，就是其结果的有效性缺乏大规模验证。到目前为止，尚未有企业披露通过AI技术设计的新材料投入商业化生产和销售。
“在与AI企业的合作过程中，有些结果还是很让我们眼前一亮的，但是在这其中AI技术究竟发挥了多大的作用，是否有一些偶发性因素存在，还需要通过不断尝试验证才能最终确定。”郑倩表示，在引入AI技术的过程中，凯赛生物本身也是在摸石头过河，“我们知道AI技术有用，但究竟多有用还需要持续的观察。”
九、合成生物产业投资全景图
9.1国内合成生物领域主要公司
9.2国内主要合成生物公司评价
本报告参考文献
[1]中国学科及前沿领域发展战略研究（2021—2035）项目组，《中国合成生物学2035发展战略》
[2]中国生物工程学会合成生物学分会合成生物学发展战略研究组，《合成生物学路线图2030：驱动下一代生物制造的引擎》
[3]BCG、BCapital，《中国合成生物学产业白皮书2024》
[4]35斗，《2023合成生物农业食品应用白皮书》
[5]《合成生物能源的发展状况与趋势》(张媛媛、王钦宏)
[6]《生物光伏:环境友好的新型太阳能利用技术》(朱华伟、李寅)
数据说明
数据｜案例｜观点来源
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