【合成生物暖風(fēng)頻吹，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用趨勢加快】
在 4 月 26 日的 2024 中關(guān)村論壇年會(huì)上，北京化工大學(xué)校長、中國工程院院士譚天偉：提到生物制造是以工業(yè)生物技術(shù)為核心，利用酶、微生物細(xì)胞，結(jié)合化學(xué)工程技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)品的加工過程，包括生物基材料、化學(xué)品和生物能源等。它加工的產(chǎn)品既包括大噸位運(yùn)輸燃料、中等噸位化學(xué)品材料，還包括較小噸位食品資料、非常小的精細(xì)化學(xué)品、疫苗等。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展維度來講，生物制造是將生物技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品推向商業(yè)規(guī)模的引擎，是生物經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。
近日，江南大學(xué)未來食品科學(xué)中心合成生物創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)榮獲第十九屆“江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)?”。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員康振告訴記者，透明質(zhì)酸最早是從牛的眼睛里發(fā)現(xiàn)并提取出來的，價(jià)格非常昂貴，每公斤要幾萬元，團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)技術(shù)，借助微生物發(fā)酵生產(chǎn)普通分子量的透明質(zhì)酸，把成本降到每公斤幾百元，實(shí)現(xiàn)了透明質(zhì)酸大產(chǎn)量推廣應(yīng)用，我國也成為第一個(gè)有能力生產(chǎn)全部類型透明質(zhì)酸的國家。
合成生物學(xué)是一門新興的跨學(xué)科研究領(lǐng)域，是為生命科學(xué)服務(wù)的新研究范式， 擁有巨大發(fā)展?jié)摿?。自去年起，北京、江蘇、上海等地陸續(xù)出臺(tái)支持生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，通過推進(jìn)生物制造產(chǎn)業(yè)園建設(shè)、培育生物制造產(chǎn)業(yè)人才等措施，達(dá)到加快推進(jìn)合成生物技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等目的!
【海內(nèi)外加碼合成生物，行業(yè)空間廣闊】
合成生物學(xué)以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，匯集化學(xué)、物理、信息技術(shù)、工程技術(shù)等學(xué)科而形成，利用基因技術(shù)與工程學(xué)概念設(shè)計(jì)改造現(xiàn)有的或合成新的生物體系，揭示生命運(yùn)行規(guī)律，變革生物體系工程化應(yīng)用，從“格物致知 ”提升到“建物致知 ”，為醫(yī)藥健康、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源等行業(yè)的生產(chǎn)、改進(jìn)提供新的解決方案，被譽(yù)為是繼“DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu) ”發(fā)現(xiàn)和“基因組測 序 ”之后的“第三次生物技術(shù)革命 ”。
合成生物學(xué)通過構(gòu)建高效的細(xì)胞工廠來實(shí)現(xiàn)制造，生產(chǎn)步驟主要分為四塊，底盤細(xì)胞篩選、生產(chǎn)細(xì)胞設(shè)計(jì)與構(gòu)建、發(fā)酵生產(chǎn)、分離純化。
目前全球已有40多個(gè)國家、500多個(gè)機(jī)構(gòu)資助合成生物學(xué)研究。美國、英 國、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、新加坡等國家均有引導(dǎo)扶持合成生物學(xué)發(fā)展的政策。美國在 《國家生物能源藍(lán)皮書》中明確了 5 項(xiàng)充分實(shí)現(xiàn)生物經(jīng)濟(jì)潛力的戰(zhàn)略目標(biāo)，在《生物質(zhì)技術(shù)路線圖》提出“2030 年替代 25%有機(jī)化學(xué) 品和 20%石油燃料 ”的目標(biāo);2018 年日本正式發(fā)布《生物戰(zhàn)略 2019——面向國際共鳴的生物社區(qū)的形成》; 2019 年歐洲生物產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《生物技術(shù)工業(yè)宣言 2019——重振歐盟生物技術(shù)雄心》，同年，韓國發(fā)布《生物健康產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn) 略》及發(fā)展愿景;2021 年，英國政府宣布為生物質(zhì)原料創(chuàng)新計(jì)劃的第二階段提供 2600 萬英鎊資助。
2015 年以來，合成生物學(xué)行業(yè)政策的陸續(xù)出臺(tái)助推了我國生物經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也推動(dòng)了國內(nèi)從事合成生物學(xué)領(lǐng)域的公司發(fā)展。2017 年，國家發(fā)展和改革委員會(huì)在《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五 ”規(guī)劃》中提出，生物產(chǎn)業(yè)是 21 世紀(jì)創(chuàng)新最為活躍、影響最為深遠(yuǎn)的新興產(chǎn)業(yè)，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的主攻方向，對(duì) 我國搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命制高點(diǎn)，加 快壯大新產(chǎn)業(yè)、發(fā)展新經(jīng)濟(jì)、 培育新動(dòng)能，建設(shè)“健康中國 ”具有重要意義?！笆奈?”以 來，合成生物學(xué) 已經(jīng)逐漸在天然產(chǎn)物合成、醫(yī)學(xué)、能源、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。2022 年 5 月 10日，國家發(fā)改委印發(fā)《“十四五 ”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確指出發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)是順應(yīng)全球 生物技術(shù)加速演進(jìn)趨勢、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的重要方向，是 前瞻布局培育壯大生物產(chǎn)業(yè)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，是滿足生命健康需求快速增長、滿足人民對(duì)美好生活向往的重要內(nèi)容，是加強(qiáng)國家生物安全風(fēng)險(xiǎn)防控、推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要保障，并提出發(fā)展合成生物學(xué)技術(shù)，探索研發(fā)“人造蛋白 ”等新型食品，降低傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境資源壓力。
在政策支持和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，，合成生物學(xué)市場規(guī)模有望快速提升。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2023年全球市場規(guī)模約為151億美元，預(yù)計(jì)到2026年， 市場規(guī)模有望達(dá)到307億美元。
【合成生物在化工領(lǐng)域替代作用明顯】
合成生物學(xué)在化工領(lǐng)域已展現(xiàn)出替代潛力，生物基塑料、生物基材料和生物能源為當(dāng)前主要的發(fā)展方向。1.3 丙二醇(PDO)為最早應(yīng)用合成生物學(xué)方法生產(chǎn)的生物基材料之一。在生物法工藝發(fā)明以前，杜邦及德固賽采用丙烯醛水合氫化法生產(chǎn)，首先通過丙烯醛的水化反應(yīng)生成 3-羥基丙醛，隨后通過加氫反應(yīng)合成出 1,3-丙二醇，但丙烯醛水合氫化法的工藝缺陷在于丙烯醛獲取困難、丙烯醛的劇毒性質(zhì)以及產(chǎn)物質(zhì)量相對(duì)較低。2003 年，杜邦通過工程菌將玉米水解產(chǎn)生的葡萄糖轉(zhuǎn)化為 1.3-丙二醇， 憑借原料易得、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了對(duì)化學(xué)法的替代，并由此獲得了美國總統(tǒng)綠色化學(xué)獎(jiǎng)，并于 2006 年實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。2009 年 BioAmber 公司以小麥為底物，利用大腸桿菌成功實(shí)現(xiàn)了由葡萄糖生產(chǎn)丁二酸(也稱琥珀酸)。2011年，美國 Genomatica 公司積極從甘蔗、甜菜、玉米及其他植物中提取糖類原料，利用大腸桿推進(jìn) 1,4-丁二醇生產(chǎn)的工業(yè)化進(jìn)程。
生物塑料的案例之一為凱賽生物，凱賽生物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生物法長鏈二元酸及生物基聚酰胺的量產(chǎn)。
生物能源方面，Amyris 以甘蔗為底物生產(chǎn)生物法尼烯，Gevo 實(shí)現(xiàn)了纖維 素異丁醇的生產(chǎn)，并且可以轉(zhuǎn)化為異丁烯和石蠟基煤油。帝斯曼、科萊恩、杜邦等企業(yè)持續(xù)在纖維素乙醇的應(yīng)用進(jìn)行探索。
除此之外，合成生物制造相比傳統(tǒng)化工三大優(yōu)勢:
其一，合成生物制造原材料可再生，制造過程中反應(yīng)條件溫和，有效降低碳排放。首先，就材料端而言，傳統(tǒng)化學(xué)合成法通常以原油和煤炭等化石能源的加工品為原材料，而合成生物學(xué)以糖類和纖維素等可再生的生物質(zhì)為原材料，生物質(zhì)在光合作用中可吸收二氧化碳。其次,就生產(chǎn)過程而言，生物制造過程通常在常溫常壓條件下進(jìn)行，能耗低且產(chǎn)生污染相對(duì)較少，也能夠顯著削減生產(chǎn)過程中的碳排放。
根據(jù)《Bio-based Chemicals A2020 Update》一文的測算,與化學(xué)法相比， 以乙酸和丙烯酸等為代表的 13 種生物基化學(xué)品每噸二氧化碳減排量可高達(dá)1.2-5.2 噸。
其二，生物制造相對(duì)化學(xué)工藝能耗成本降低，且菌種能夠?qū)崿F(xiàn)迭代優(yōu)化， 因此部分精細(xì)化學(xué)品仍具備顯著的降本空間。以丁二酸為例，丁二酸是一種優(yōu)秀的平臺(tái)化合物，在化工、材料、醫(yī)藥、食品領(lǐng)域有著廣泛的用途，被美國能源部列為未來 12 種最有價(jià)值的平臺(tái)化合物之一，可以衍生出眾多下游產(chǎn)品，如 1,4- 丁二醇、四氫呋喃、N-甲基吡咯烷酮、2-吡喏烷酮。丁二酸和 1,4-丁二醇聚合得到的 PBS(聚丁二酸丁二醇酯)是一種性能優(yōu)良的生物全降解塑料。丁二酸遠(yuǎn)期市場潛力超過 270 萬噸,大約有 250 種可以用苯為原料生產(chǎn)的化工產(chǎn)品都可以通過丁二酸為原料生產(chǎn)。一旦實(shí)現(xiàn)丁二酸的大規(guī)模生產(chǎn)，就可以部分取代石油化工產(chǎn)品苯。基于順酐為原料的石油化工路線丁二酸工藝復(fù)雜，且常需高溫高壓， 能耗物耗較高，同時(shí)化學(xué)合成還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。張學(xué)禮團(tuán)隊(duì)通過理性改造和進(jìn)化代謝技術(shù)提高丁二酸生產(chǎn)能力，設(shè)計(jì)的丁二酸合成途徑使丁二酸的糖酸轉(zhuǎn)化率接近理論最大值,生物法生產(chǎn)丁二酸單噸成本約 1 萬元，相比化學(xué)法的1.4 萬元降低約 29%,丁二酸成本的大幅下降有望推動(dòng)可降解塑料 PBS 的商業(yè)化進(jìn)程。
其三，合成生物制造研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備可共用，拓品空間廣闊。以凱賽生物的長鏈二元酸為例，長鏈二元酸是合成香料、尼龍工程塑料、熱熔膠、樹脂、耐寒性增塑劑、醫(yī)藥和農(nóng)藥等的重要原料，其中十二碳二元酸(DC12)和十四碳二元酸 (DC14)分別是合成高級(jí)尼龍工程塑料尼龍 1212 和尼龍 1414 等的重要原料。十 二碳以上的長鏈二元酸在自然界中并不存在，化學(xué)法合成路線長，反應(yīng)需要高溫高壓，對(duì)催化劑要求比較苛刻，因此在工業(yè)規(guī)模上的長鏈二元酸品種較少，只有十二碳長鏈二元酸等少數(shù)品種，且收率較低，目前沒有經(jīng)濟(jì)可行的合成方法，因此利用微生物的特異性轉(zhuǎn)化能力,在常溫常壓下轉(zhuǎn)化正烷烴或脂肪酸生成相應(yīng)的長鏈二元酸成為新的方向。凱賽生物的生物法生產(chǎn)長鏈二元酸的重要優(yōu)點(diǎn)在于可以使用相同的微生物、相同設(shè)備以及培養(yǎng)基，通過提供不同底物的方案生產(chǎn)各種不同碳鏈長度的長鏈二元酸，而化學(xué)合成法僅能生產(chǎn)單一二元酸，因此既降低了不同長鏈二元酸的生產(chǎn)成本，也有效的拓寬了產(chǎn)品品類。依托豐富的長鏈二元酸品種以及生物基戊二胺技術(shù)，公司可生產(chǎn)從尼龍 510 到尼龍 518 等長鏈尼龍產(chǎn)品。
在國內(nèi)外政策支持下，合成生物學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，伴隨生物基材料及其單體合成工藝的不斷發(fā)展，合成生物學(xué)在化工行業(yè)的應(yīng)用有望愈加廣泛和深入。當(dāng)前我國合成生物產(chǎn)品類公司發(fā)展迅速，相關(guān)公司有望迎機(jī)會(huì)!
我們篩選出以下潛力標(biāo)的
川寧生物(301301)2023 年 12月25日互動(dòng)易：公司目前已有多個(gè)合成生物學(xué)項(xiàng)目進(jìn)入中試階段，公司首個(gè)合成生物學(xué)項(xiàng)目紅沒藥醇已進(jìn)入銷售階段。
翰宇藥業(yè)(300199)公司與中科院深圳先進(jìn)院、深理工達(dá)成三方協(xié)議，共建“合成生物學(xué)與多肽藥物聯(lián)合研究中心 ”，圍繞抗感染、抗腫瘤、內(nèi)分秘、鎮(zhèn)痛等多肽創(chuàng)新藥物的研究開展合作。
沃特股份(002886)公司與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成立合成生物化學(xué)應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新中心，該聯(lián)合創(chuàng)新中心將主要圍繞生物基高分子材料、動(dòng)植物營養(yǎng)等 方面，在前沿技術(shù)研究、新產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)平臺(tái)建立及人才培養(yǎng)等多層面進(jìn)行合作。
參考資料：
東海證券-合成生物產(chǎn)業(yè)化加速，生物基材料有望推動(dòng)化工行業(yè)綠色發(fā)展.pdf
山西證券-合成生物產(chǎn)業(yè)深度報(bào)告之一：工程化合成萬物，生物經(jīng)濟(jì)顛覆性力量.pdf
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