合成生物学未来投资主题展望
那么，未来几年内，合成生物学重点投资方向在哪里？
底层技术持续迭代
DNA合成是生命科学、生物医学、材料学及信息存储等领域的关键共性技术。当前，DNA合成主要依赖化学合成法，其合成长度及成本存在难以逾越的极限，无法满足生物制造领域日益增长的需求。
目前仍有几大障碍阻碍了更长寡核苷酸和DNA合成：一是从根本上说，化学反应都是不完美的，100%的耦合效率是不可能的，一些寡核苷酸也不会与新引入的核苷酸反应偶联，这会导致短的、过早截断的寡核苷酸链；二是较大的寡核苷酸会发生亚磷酰胺化学中常见的副反应，该副反应也会对寡核苷酸造成严重破坏，那就是脱嘌呤，即核苷酸中嘌呤碱基（腺嘌呤和鸟嘌呤）的丢失会产生无碱基位点。
所以，随着寡核苷酸长度的增加，“失败寡核苷酸”产品的总百分比也会增加。这从根本上限制了可以通过化学以高产率和准确度制备的寡核苷酸的长度。
鉴于传统化学合成的缺陷，酶促DNA合成方法就被开发作为亚磷酰胺化学的替代方法。
酶促DNA合成的最常见形式是末端脱氧核苷酸转移酶(TdT)，在自然界中其用于向B细胞和T细胞受体序列添加碱基。与亚磷酰胺化学一样，TdT需要顺序和受控地添加核苷酸碱基，但尚未达到亚磷酰胺合成的n-mer长度。除此之外，寡核苷酸的二级结构也可能会影响合成的效率，但这可以通过提高温度来控制，以防止退火形成二级结构。
▲酶促DNA合成示意
来源：https://www.sohu.com/a/594474128_121124574
2023年3月，酶促DNA合成先驱Ansa Biotechnologies宣布，成功从头合成1005个碱基的DNA序列，这是目前世界上单次合成最长的DNA寡核苷酸，也是DNA合成领域的一个重要里程碑。该合成过程中的平均逐步产量约为99.9%，处于行业领先水平。
Ansa采用的是一种独特的酶促DNA合成技术，与其他合成技术相比Ansa独创的酶促合成技术具有三大关键优势：一是快速合成长的DNA序列和复制的DNA序列；二是整个合成过程不会有DNA损伤的产生；三是环保、不含刺激性化学品。
这种独特的酶促DNA合成技术主要依赖于dNTP（脱氧核糖核苷三磷酸）连接的模板不依赖的末端脱氧核苷酸转移酶(TdT)。TdT-dNTP偶联物允许快速和受控的单核苷酸添加到生长的DNA分子中。这种独特的方法克服了化学合成DNA的长度和准确性限制。
值得一提的是，我国科学家在酶促DNA合成方面也实现了重大突破。2022年2月，中科院天津工业生物技术研究所研究员江会锋带领的新酶设计团队，通过生物信息数据库的筛选与功能测试，获得对天然核苷酸底物具有高效催化活性的全新非模板依赖性DNA合成酶。采用分子动力学模拟等手段，解析了该酶催化活性较已知同类酶大幅提升的分子机制，设计与改造蛋白质工程，使该酶对修饰核苷酸底物的催化效率提升了3个数量级。
该研究团队利用改造获得的合成酶创建出二步循环酶促DNA合成技术，合成DNA的平均准确率高达98.7%，与商业化的DNA化学合成法准确率相当。
▲来源：ACS Publications官网
作为酶促DNA合成技术商业转化平台的天津中合基因因此获得了数千万元天使轮融资。中合基因作为全球拥有DNA生物合成核心技术的公司之一，其布局的一体化桌面式Kb级基因合成仪，将有望超越国际先进水平，率先打开基因直接合成的蓝海市场。
随着我国合成生物学产业链逐步完善，各环节分工进一步细化，一批拥有平台型技术、能为产业链下游产品公司提供快捷、高效、低成本的生物技术服务的公司涌现，这些上游公司有不少在2022年斩获了高额融资。
如酶赛生物、宜明细胞、云舟生物均进行了C轮数亿元的融资；耀海生物、擎科生物等进行了B轮数亿元的融资。
医药和生物技术领域不断拓展
合成生物学可以经人工设计的基因合成或敲除方案改造人体自身细胞，或改造细菌、病毒等微生物，再使其间接作用于人体，以达到感知疾病特异信号、特异性靶向异常细胞区域、表达特定分子或释放治疗药物的目的，从而实现相关疾病的预防、诊断与治疗；同样，合成生物学通过设计全新的细胞代谢途径，通过微生物细胞以糖类等生物质原材料合成天然化合物或医药中间体，能大幅降低生产成本、提升效率。
2022年，合成生物学在疫苗、细胞与基因治疗、微生态疗法、重组蛋白药物等领域获得不少科研或临床领域的突破。
疫苗研发
在过往疫苗开发的过程中，遗传学、生物化学、结构生物学和生物信息学方面的创新使疫苗设计和生产取得了重大进展，但仍面临许多挑战。而生物合成学可为疫苗研发提供全新的技术平台和路线，能够模块式组装和替换不同的元件，加速疫苗形式的更迭和递送载体的构建，快速研制生产出不同的疫苗。
新冠疫情使得mRNA疫苗大放异彩。目前，合成生物学方法已经应用于提高疫苗RNA在细胞内的稳定性、降低细胞毒性、提高蛋白质生产等方面。利用合成生物学提高RNA稳定性和翻译效率的主要方法是工程化改造RNA结构或碱基组成，RNA结构上的改造比较常见的就是在RNA上新增一个完整的5’端帽子结构Cap1、增加模块化的5’端非编码区(UTRs)和3’端非编码区，以增强翻译和mRNA稳定，并进一步减少磷酸酶使用。对mRNA碱基组成的修饰可抑制先天免疫识别、减少细胞毒性并增强抗原的产生。
例如Moderna和BioNTech公司使用假尿苷、N-1-甲基假尿苷、5-甲氧基尿苷、5-甲基胞苷等合成了能规避先天免疫效应物的mRNA。
▲mRNA疫苗作用机理
来源：参考资料
除了mRNA疫苗，基因组密码子去优化疫苗和DNA疫苗也依赖于合成生物学的技术。
密码子去优化疫苗最大的好处就是速度快，该方法不需要详细了解病毒功能，设计一个去优化基因组需要3-5天，基因组合成、细胞系测试到临床应用可在48天内完成。
与早期的RNA制剂相比，DNA疫苗因其具有更强的稳定性和能减少非特异性炎症而备受青睐。DNA疫苗的最大优点之一就是热稳定性比较高，例如，基于DNA的埃博拉糖蛋白疫苗INO4201在37°C可存放1个月，25°C可存放1年，4°C可存放3年。另一个潜在的好处是在啮齿动物肌肉注射后可以延长抗原表达。
微生态疗法
微生态疗法就是利用微生态制剂或者外源性干预手段，比如补充对人体有益的活菌制剂或者菌群移植等，恢复体内正常菌群的生态平衡，达到微生态的平衡，以抵御病原菌的定植侵袭。机理就是这些微生物之间、微生物与人体之间，互相制约、互相依存，处于微生态平衡状态。
《Nature》《Science》《Cell》等发表的大量研究结果证实了目前高发的糖尿病、肥胖、抑郁、湿疹过敏等皮肤病、溃疡性结肠炎、肠癌、胃溃疡等胃肠疾病、阴道炎以及类风湿等50余种大病、慢病都是起因于人体肠道菌群失调、微生态失衡。
▲来源：http://cawww.tutengyisheng.com/news/1194.html
2007年美国发起人类微生物组计划以来，微生态疗法已成为生命科学研究的热门方向。目前微生态疗法赛道内各玩家的竞争一方面集中在菌种资源的挖掘与选择，另一方面集中在通过合成生物学技术合成、培养、筛选底盘菌株。菌种资源的挖掘与选择主要通过快速发掘新菌种并通过专利保护的方式构建竞争壁垒；底盘菌株的合成与生产则更多依靠企业自身积累的合成生物学技术与经验。
未来拥有庞大菌种库及坚实的合成生物学底层技术、研发管线涵盖适应症丰富、临床进展领先的微生态疗法公司将受到青睐。目前，我国微生态药物行业市场龙头企业为慕恩生物和未知君。此外，知易生物、奕景生物和东北制药等也均布局了相关管线。
多肽及重组蛋白药物
重组蛋白是应用基因重组技术，将能翻译成目的蛋白的DNA/RNA基因片段插转入可以表达目的蛋白的宿主细胞中，从而获得重组载体。目前重组蛋白药物主要包含多肽类激素、细胞因子、重组酶等类别。
经过30余年发展，重组蛋白药已成为现代生物制药领域最重要的产品之一，占据生物药市场三分之一以上的份额。合成生物学基因编辑技术的迭代将为重组蛋白药物从生产源头上降本增效提供更多可能。
如GLP-1赛道中，质肽生物以合成生物学技术改造大肠杆菌生产GLP-1受体激动剂，有效降低了生产成本。未来几年，我们将看到合成生物学技术在重组蛋白药物领域得到进一步应用，持续优化成本、提升效率。
大势所趋的化学品替代
化石能源是一种有限的资源，随着人类历史的快速进步和发展，能源枯竭问题亟待解决；再加上人类活动对化石资源的依赖与日俱增，环境污染、安全风险等问题也逐渐浮出水面。人类开始寻找一种更为清洁、且可持续发展的能源去替代传统化石能源，合成生物技术的出现为人类提供了一种全新的解决方案。
拥有平台化技术，同时选品逻辑优异、产品市场规模大、差异化程度强、成本优势明显、量产工艺稳定的材料化工企业将在2023年保持热度，成为合成生物学投资的主要热点之一。
生物塑料
合成生物学的出现加速了生物塑料的发展，通过生物合成技术人们可以定向设计一个能够持续产生塑料化合物的细胞工厂。这种设想已经在PHA（聚羟基脂肪酸酯）上得到了验证，PHA常被用于食品包装和一些一次性物品上。
在自然界，PHA是由食糖或脂类经过细菌发酵而成的线性聚酯，它们帮助细菌储存碳和能量。基于这套原理，目前已经有一些公司通过菌株发酵优化，成功实现从细菌中生产PHA。例如意大利生物材料公司Bio-on和法国Cristal Union在2015年宣布在法国建立PHA工厂。2018年，Bio-on又宣布与西班牙公司Acor达成协议，开始从甜菜中生产PHA生物塑料。
在中国，也有一家专注于PHA绿色塑料合成的生物技术公司——蓝晶微生物。该公司选取了油田土壤中发现的一种耐油细菌，再利用合成生物技术对该细菌进行工程化改造后，可以稳定合成产出高性能的PHA材料；由于该细菌本身生存于较为恶劣的野生环境，因此其对生长环境和“食物”的要求并不高，这就使得PHA的生产成本大幅度降低。据悉，蓝晶微生物在降低PHA成本方面，已经接近现有石化塑料的成本价格，成为全球第三、中国第一家显著降低PHA成本达到可规模化销售的公司。
除了PHA，目前其他高度通用的塑料聚合物还没有已知的天然代谢途径，不过人类合成的基因组也不是局限于天然存在的合成路径，也可以是人为设计的基因路径。
例如2016年，法国生物化学公司Carbios与法国国家农业研究院(INRA)合作，为PLA的生产成功创造了一条新的代谢途径。PLA（聚乳酸）是从乳酸中获得的一种可生物降解的热塑性塑料，常被应用于各种食品容器、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及民用布上。
PLA生物塑料的出现很可能在未来许多应用中取代PET塑料。与此同时，荷兰的Avantium从玉米衍生的糖类中开发PEF塑料以替代PET。与PLA不同，PEF（聚呋喃二甲酸乙二酯）可以在回收分类过程中与PET区分开来，并且有更好的阻隔和热性能。Avantium已经与生产可口可乐瓶的公司达成了关于这种生物材料的相关协议。加上过去人们对PEF研发投入的大量精力，预计2023年PET将大规模进入商业市场。
除了对微生物进行基因编程，使其合成可降解的生物基塑料，科学家们还尝试通过蛋白质工程开发能够降解塑料的相关降解酶。
食品原料前景愈加明朗
碳中和理念下，食品供给需要变得更加安全、营养和环保，而合成生物学技术可构建适用于食品工业的细胞微工厂，将可再生生物质原料转化为食品重要组分、功能性食品添加剂和营养化学品，是解决食品领域所面临的可持续、环保等问题的一大重要途径也是最直接的途径。
新型食品添加剂
食品添加剂为改善食品品质和色、香、味，以及防腐和工艺需要而添加进入食品的物质，如甜味剂（赤藓糖醇、甜菊糖苷、阿洛酮糖）、甜味蛋白（索马甜、巴西甜蛋白）、营养强化剂（母乳低聚糖HMOs）、色素（β-胡萝卜素、花青素）、维生素、香精香料、抗氧化剂、防腐剂等，是食品工业的强大助推力。当前采用合成生物学手段生产食品添加剂技术突破前沿在于低成本替代天然提取、高效生产稀缺产品、开发新型产品。
但在添加剂和食品原料市场传统巨头林立，已有成熟的供应链和生态，市场并不会为新技术带来的昂贵产品买单。合成生物技术的机会在于高附加值原料，如新型甜味剂、营养强化剂、功能性原料等，适合较小批量生产，市场规模也在快速上升。
▲人工制造半合成微生物菌落用于食品生产
来源：Synthetic biology for future food:Research progress and future directions
受限于食品领域的严格审批，新研制产品往往面临较长周期的审批过程，初创企业应采取“短线生产+长线创新”的结合模式，原研创新建议选择多领域通用的“可跨界”产品降低市场风险，如四氢嘧啶、麦角硫因等日化原料，人参皂苷、黄酮类化合物药物原料的食品领域拓展。
微藻
微藻是一类结构简单、形态微小的单细胞水生生物，可以用来生产蛋白质、油脂、色素、黄酮、萜类、多糖等多种活性成分。微藻以不到高等植物1%的生物量为地球提供了超过50%的初级生产力和氧气，是光合效率最高的生物类群之一，其负碳能力受到极大关注。微藻细胞生长周期短，抗逆性强，与传统农作物相比，养殖方式灵活且不占用耕地资源，是极具经济和环保价值的新食品原料之一。
对微藻的研究和应用前沿聚焦在微藻细胞的合成生物改造，以人工光源替代太阳光，更好地实现微藻生产中的光调控作用，提高其产率和质量；开发基于叶绿体的微藻细胞工厂开发；开展光合作用优化；还有研究者构建出异养微藻细胞，对其开展不依赖光源的培养。
中国目前已批准了10余种微藻作为新食品原料，微藻作为一种良好的替代蛋白质来源，具有含量丰富、氨基酸组成全面、营养价值高的特点，可用于食品、营养补剂或保健食品的开发。作为合成生物底盘细胞之一，生产高价值的添加剂或营养补充剂（如类胡萝卜素和多不饱和脂肪酸）等正在成为关注热点。
野蛮生长的医美日化
在医美领域，上游的原料生产十分依赖动植物或化合物，不仅规模化困难，价格昂贵，且存在安全隐患。生物合成的优势便在于高纯度、安全性和同源性，对于解决当下医美领域的原料扩产具有十分现实的意义。
2022年我国合成生物学大额融资事件中，以功效护肤原料为核心品类的公司占绝对大头。
功效护肤原料可分为多肽&蛋白质类、酶&辅酶类、化学合成醇酸类、生物技术合成类、以及天然提取类等多种，类别可达成百上千种，其中既有透明质酸、胶原蛋白等单品类市场空间就可支撑起几家上市公司体量的“黄金单品”，也有以小批量、高单价取胜，需要公司多品类布局的蓝铜肽、麦角硫因等“未来之星”。
▲来源：http://fashion.sina.com.cn/b/2022-09-13/1824/doc-imqqsmrn8938744.shtml
因此，合成生物学在医美日化领域应用赛道内玩家也采取了两种发展思路：一种以“黄金单品”打市场，成为绝对龙头后再拓展其他品类的战略，其代表公司为透明质酸龙头华熙生物、消费端胶原蛋白龙头巨子生物等；另一种则是构建生物合成平台，通过平台产出多品类原料，打造一站式原料采购解决方案，其代表公司为已构建多肽合成技术平台的瑞德林等。
两种发展思路各有特长，均有望跑出赛道优质企业。
结语
总体上看，在经历过基因读、改、写技术和酶定向进化技术的突破性发展带来的资本市场第一波投资浪潮助推后，我国合成生物学行业已涌现了一批初具技术实力和发展潜力的优质企业，但与海外产业链完备、商业化路径成熟的现状相比，国内合成生物学行业现在仍然处在技术发展和产业试错的早期阶段，产业链上下游尚未形成稳定格局。或许，待产品商业化落地时，合成生物学技术平台才是真正融入产业界的“高光时刻”。后续发展如何，深柏合成生物还将持续关注。
