大麻素、生物塑料……这个技术要颠覆化工生产，盘点合成生物学前沿应用热点

原标题：大麻素、生物塑料……这个技术要颠覆化工生产，盘点合成生物学前沿应用热点

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。

20世纪90年代，基因组学与系统生物学逐渐兴起，为合成生物学的诞生奠定了技术基础。21世纪初，科学家们尝试在现代生物学与系统生物学的基础上引入工程学思想和策略，诞生了学科高度交叉的合成生物学，成为近年来发展最为迅猛的新兴前沿交叉学科之一。

合成生物技术是综合了科学与工程的一项崭新的生物技术，借助生命体高效的代谢系统，通过基因编辑技术改造生命体以设计合成，使得在生物体内定向、高效组装物质和材料逐步成为可能，该技术应用于生物材料、生物燃料、生物医药等多个领域。

合成生物学的“高效细胞微工厂”示意图

具体而言，合成生物学是将生物体进行定向改造成为“高效细胞微工厂”，然后将原材料物质通过细胞工厂进行定向化、高效化、大规模化加工与转化，以产出目标新材料产品。这是一种革命性的生产方式，整个生产过程绿色、条件温和，能有效解决人类对传统石化、化工产品的过度依赖，且伴随而来的环境污染、安全风险等问题。

从理论上看，通过合成生物技术进行的物质生产可以替代绝大多数以化石能源生产的石油化学品，甚至还可以合成传统化工法不能合成的新材料，未来发展空间不可限量。动脉网对海内外深耕合成生物学产业的企业进行了梳理，看看最前沿的合成生物学技术都正在为哪些场景赋能？又将彻底替代哪些化工产品、产出了哪些新材料？

从医疗到农业，盘点合成生物学的4大应用场景

谁也不曾想到，人类几千年来一直用于啤酒生产的发酵技术，在21世纪迎来了新的应用场景——利用微生物定向合成目标产物，这项技术已经在基因组学与系统生物学的加持下变为了现实。

早在2002年，美国科学家文特尔小组首次合成了一套完整的phi X 174病毒基因组，引起了人们对合成生物学的关注；2008年，该科学小组人工合成了生殖道支原体（Mycoplasma genitalium）的细菌基因组，并将其成功移植到受体细胞，成为了人类历史上首个真正意义的合成细菌。

克雷格·文特尔与“辛西娅”

2010年，文特尔小组人工合成了相近的丝状支原体（Mycoplasma mycoides）基因组，并移植到受体细胞中，合成基因完全控制了该受体细胞，创造了人类历史上第一个真正意义的人工生命——辛西娅。

从2010年人类完成合成生物的初次尝试之后，直至今日的十年时间里，人类应用合成生物学已经不仅局限于科研的尝试，而是已经实现了多领域的产品生产、多场景的商业化落地。参考CB Insights对合成生物学细分领域的分类，我们对合成生物学的应用场景也划分为了四大方向：农业、食品、工业、生物医疗。

合成生物学的四大应用场景

1、生物医药：医药中间体/原料（大麻素、抗生素、氨基酸等）、肠道菌群设计

生物医药是合成生物学的应用场景之一，比较热门的应用便是在大麻素合成上。美国生物制药公司Teewinot Life Sciences、中国欣贝莱生物等企业都是以合成生物学生产医用级大麻素为核心业务。

大麻素可以作为一种医药中间体，而医药中间体也是合成生物学在医疗场景下最主要的应用之一。在中国，从事合成生物学医药中间体/原料开发的企业据不完全统计约有5家，如下图所示：

中国从事医药中间体/原料的合成生物学企业盘点

弈柯莱生物、酶赛生物、百葵锐生物在国内都有从事医药中间体的开发，其中弈柯莱生物开发的丁酸作为西格列汀开发的中间体，西格列汀是一种口服降糖药（抗糖尿病药）；另外开发的2,4-二氟苄胺则作为热门的抗艾滋病药物度鲁特韦的中间体，已经列入WTO、盖茨基金会等慈善机构的采购目录。同时，弈柯莱生物与酶赛生物除了自主开发医药中间体外，也提供相应的生物催化领域的定制研发服务。

此外，中国另外一家合成生物学公司华恒生物则专精于生物合成各种小品种氨基酸产品，其中以丙氨酸为代表的系列产品其生产规模已经位居国际前列。这种以微生物细胞工厂为核心的发酵法生产工艺替代了传统化学合成工艺的重污染生产方式，生产成本更低，生产过程更为安全、绿色、环保。

由于合成生物技术更多围绕微生物、细菌展开，所以在生物医药领域合成生物学的另一大应用场景聚焦于肠道菌群的“合成设计”。例如，美国生物技术公司Novome Biotechnologies通过对食品中常见的乳酸乳球菌进行工程设计，使其具备抗炎特性，作为控制克罗恩病和溃疡性结肠炎等疾病的有效治疗方案。

2、工业：化工原料、生物燃料、可再生能源

化工领域是合成生物学应用最广泛的领域之一，通过合成生物学技术生产开发传统需要通过石化工艺才能生产的原材料，既环保又节约资源，是石化材料未来的发展趋势。例如，美国科技公司Novvi从植物糖中提取目标碳氢化合物分子，生产可再生“石油”。

再比如美国合成生物学公司NovoLoopuses设计了一种专有的细菌来消耗塑料中的有机成分，使其转化为有价值的生物合成化合物，二次利用起来；同样在美国，Gevo再生燃料公司利用合成生物学设计酵母菌，使其能够将玉米或甜菜中的糖转化为化学物质，如异丁醇，然后用于生物燃料。

同样，在这个领域，中国的凯赛生物应用合成生物学技术合成的长链二元酸系列产品在全球都处于主导地位，长链二元酸和二元胺可以合成聚酰胺（PA），也就是我们俗称的尼龙。凯赛生物在生物法长链二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺行业竞争中的优势地位较为突出。

3、农业：化肥、饲料、杀虫剂

在农业领域，通过改造微生物使其合成一些天然的防虫成分，从而替代可能对农作物及人体健康产生负面影响的化学制剂。以美国科技公司Agrimetis为代表，基于合成生物学生产天然杀虫剂，阻止害虫侵蚀农作物，提高作物质量与产量。

其次，在农业领域通过合成生物学还可以改善作物土壤中的微生物组，以增加作物的产量。例如美国科技公司Pivot Bio开发了一种农作物固氮解决方案，公司找到了在玉米根系中的固氮微生物（γ变形菌），并将其改造“开启”固氮基因，让微生物可以从空气中转化氮元素满足作物日常氮需求。

除了农作物，合成生物学赋能农业领域还可以应用于动物饲养上。美国科技公司Agrivida从微生物中获取某种特定酶的基因，该酶能够帮助鸡更好吸收磷成分。Agrivida将该基因合成到玉米植株中，使转基因后的玉米可以直接合成带酶的玉米饲料。

4、食品：食品添加剂/防腐剂、肉制品/乳制品、改良型食品

在食品领域，合成生物学同样能够发挥巨大的作用。通过微生物发酵技术合成甜味剂，例如爱尔兰初创公司Miraculex和Milis Bio。生物合成的甜味剂不会像化学甜味剂遗留在人类肠道上，更不会像糖分一样增加人体胰岛素水平，而是会被身体直接完全消化。

通过和啤酒相似的发酵技术，科学家们还在肉制品和乳制品上找到了生物合成的应用场景。例如美国科技公司Clara Foods通过定向设计酵母菌，使其合成各类人类食品所需的蛋白质，如鸡蛋蛋清等，替代以动物生产培育为源头的传统食物，用更少的生产成本及资源产出同样的口感替代食品。

另外在防腐剂上，美国科技公司Apeel Sciences从果皮中找到灵感，通过合成生物学技术开发了能够延长水果保鲜的植物性涂层，以替代传统化学防腐剂，更安全也更环保。最后还有通过改良特定食品基因，使对其过敏的人群也可以食用的低过敏性食品等等。合成生物学的应用场景无处不在。

全球热门的合成生物应用赛道：大麻素与生物塑料

一、大麻素的革命：定向去除大麻致瘾成分THC，为大麻正名重拾其医用价值

目前，全球约有40家从事生物合成大麻素的企业，根据大麻市场研究公司New Frontier Data 的一项新分析，全球大麻消费市场价值3440亿美元。大麻素市场增长的一个关键原因在于大麻素的其他价值（例如医用价值）正在越来越多被应用，而以发酵合成生物学方式进行低成本和高纯度生产大麻素的公司将拥有更多机会。

虽然大麻素的生产大多数都还是从大麻植株中直接提取，但这并不妨碍科学家们对应用微生物工程来生产大麻素的兴趣。早在2014年，加拿大科学家Kevin Chen便尝试以合成生物学的方式制造大麻素，并成立了Hyasynth Biologicals生物技术公司。

2015年，丹麦科学家Nehtaji Gallage在担任哥本哈根大学研究员时，致力于寻找到大麻植株中能够产出大麻素化合物的独特基因，这成为通过合成生物学方式批量生产大麻素的关键步骤。这段经历也促使Nehtaji Gallage在2018年创建了丹麦生物技术公司Octarine Bio。

大麻素≠大麻：生物合成清洁大麻二酚

由于大麻素和大麻之间的关联性，让大麻素研究一直被污名化。大麻素其实是从大麻里提取出来的一组萜酚类化合物，它们天然地存在于动物神经和免疫系统里，起到神经递质的作用，对神经系统具有多种药理效果。所以对大麻素的研究有望为神经及心理疾病的患者找到一些突破性的疗法。

大麻中最著名的大麻素成分莫过于能让人产生成瘾性的四氢大麻酚（THC），而大麻素中被证明对精神疾病和癫痫疾病具有治疗价值的大麻二酚（CBD）并不具有致瘾性。早在2019年，美国加州大学伯克利分校的研究人员就率先在酵母中分别生产THC和CBD，为大麻素发酵打开了大门。

这种通过酵母发酵产生大麻素的生产方式就是合成生物学。相比于传统的植物提取方法，生物合成大麻素能够有效摆脱天气、地理、虫害等因素的影响，节约耕地、减少资源浪费，快速实现大规模生产——仅需几周的发酵周期，即可替代数月乃至数年的种植周期，创造出高纯度的CBD原料，药物结构与自然结构相同、功效同等。

“从大麻植株中提取CBD是非常难以去除THC的，但是如果你采取生物合成的方式生产，在做微生物设计的时候就可以决定最终产物是什么？”丹麦科学家Nehtaji Gallage曾强调。同样，生物技术公司Hyasynth Biologicals在其官网也指出，合成生物学方法可以大规模产出清洁的大麻二酚（CBD），甚至可以改进产出具有药理特性的新型大麻素化合物，相信未来人们会越发意识到大麻素的好处。

中国大麻素生产合成生物学代表企业：欣贝莱生物

欣贝莱生物也是将大麻素生物合成作为一项核心项目进行打造。该公司先通过计算分析，找到植株大麻代谢大麻素的代谢途径，然后通过功能模块设计及代谢途径优化手段，定向设计能够分泌出大麻素的细胞工厂。这种细胞工厂可以替代传统大麻养殖获取大麻素的方式，帮助药企在短时间内（不超过半年）大量获取高纯度大麻素。

欣贝莱生物联合创始人王筱女士也告诉动脉网：“公司一百平方米的发酵车间已经可以代替数万平方米的大麻种植面积，以低成本的原料合成高附加值的核心药物，同时生物合成高纯度的CBD大麻素也避免了传统大麻素提取时混入THC的干扰。”

如何选择合适的大麻素底盘细胞？

生产大麻素的“高效细胞微工厂”用什么细胞作为底盘细胞最为合适？每个公司的选择或许各不相同。但由于底盘细胞需要进行改造开发和增殖扩大，所以对其适应性要求非常高，目前产业内最受欢迎的底盘细胞是酵母菌，因为酵母细胞方便基因操作且方便种植培养。

不过由于采用酵母细胞作为底盘细胞进行生物合成大麻素已经成为热门应用场景，初创企业再次采用同样策略将会面临诸多专利侵权风险，所以产业界也在积极采用创新的地盘细胞尝试生产大麻素。

例如，美国生物技术公司Creo采用从合成生物学鼻祖Amyris授权获得的细菌作为底盘细胞生产大麻素；德国Farmako尝试通过龙兰细菌从糖中生产大麻素，并且已经申请了全球专利；加拿大生物技术公司Algae-C通过藻类微生物进行大麻素培养，藻类可以利用废水和二氧化碳作为营养来源，天然富含生产大麻素所需的许多前体。

无论采用哪种细胞作为地盘细胞，将他们改造为“高效细胞微工厂”都需要解决非常多的难题：细胞毒性、细胞抑制、细胞分泌、代谢平衡、发酵优化、下游加工等等，如果协同不好这些因素，那么就会导致生产失败。尤其是在生产医药级大麻素方面，还需要考虑到各国立法方面的规定。例如在中国，工业大麻素中THC含量超过0.3%则是违法。

二、石化塑料的终结：生物合成可降解塑料，全面替代还难点重重

除了大麻素，合成生物学的另一热门应用场景是在生物塑料领域。生物塑料主要是指那些由生物材料制成的可生物降解塑料，它们可以通过合成生物学的发酵工程产生。

2020年，全球的塑料产量约3.68亿吨，其中生物基塑料产能约1%，仅有211万吨。虽然这个数据不高，但生物塑料的产量也正在逐年稳步上升，据European Bioplastics e.V.生物塑料市场数据预测，到2025年全球生物塑料产量将达到287万吨。

三种生物基生物可降解塑料

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和法国糖业合作伙伴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。

中国PHA生物塑料合成生物学代表：蓝晶微生物

在中国，也有一家专注于PHA绿色塑料合成的生物技术公司——北京蓝晶微生物科技有限公司（简称：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。

生物塑料PLA与PEF：替代难以回收的PET化工塑料

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。

聚乳酸（PLA）化学式

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。

对于Carbios来说，为PLA创造高效代谢途径，使其成为更具经济效益的材料，以便于直接和化学塑料竞争。除了Carbios，目前荷兰生物技术公司Corbion Purac、荷兰生物技术公司Synbra、法国生物技术工地Futerro都正在积极生产PLA及其他生物基塑料替代品。

聚呋喃二甲酸乙二酯（PEF）化学式

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公司也不示弱，该公司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。

聚对苯二甲酸乙二酯（PET）化学式

同样是法国生物技术公司Carbios，该公司在2018年又成功开发了一种能够分解纺织废料中PET塑料纤维的特殊酶。PET（聚对苯二甲酸乙二酯）是一种难以回收的塑料，这些降解酶可以将PET聚合物分解成更小的成分，这些更小的成分又可以被再次合成生物塑料。与传统切碎、熔化、再加工塑料的回收方法不同，通过酶促反应产生的小分子材料回收后仍然生产的是高质量塑料。

“在未来，我们希望为每种类型的聚合物都有对应的分解酶。这样我们可以回收任何类型的塑料，且无需进行分类。”Carbios前战略与发展总监Emmanuel Maille曾对媒体表示。未来可以将这些酶也可以掺入某些塑料中，帮助这些塑料在特定的时间内完成分解，例如可生物降解的塑料袋。目前，Carbios已经将这项技术应用在包装及农业薄膜上。

生物塑料可能全面替代石化塑料吗？

虽然生物塑料更加环保与可持续，但是未来塑料市场要使生物基塑料成为替代石化资源制造的塑料，则存在更多挑战。

首先，驱动生物塑料制造的源动力主要来自于外界的法规和环境保护，而不是真正的市场“内需”。政策法规对可生物降解和生物基塑料的要求越来越严格，这会推动生物塑料的增长，也会推动其背后技术的发展。

其次是生物塑料面对石化塑料的价格竞争。复杂的生物合成工艺是否能降低其生产成本匹敌石化塑料是一大难点。不过如果将生物塑料的应用场景扩大到医疗场景，则有助于缓解价格竞争。例如德国化学品公司赢创（EVONIK）集团开发了一系列可生物降解的聚合物，用于医疗器械和持续药物释放植入物，开拓了生物塑料新的应用场景。

中国的合成生物学：产业起步初期，化工场景应用最先跑向世界

化学产品的生物制造技术已成为传统化工产业升级变革的主要方向，世界各国纷纷将其纳入了重点战略发展领域。我国《“十三五”生物产业发展规划》中提出实现现代生物制造产业总产值超过1万亿元，生物基产品在全部化学品产量中的比重达到25%的目标，产业规模呈现持续上升趋势。

根据中科院天津工业生物技术研究所统计，生物制造产品和石化路线相比平均节能减排30%~50%，未来潜力将达到50%~70%，这对化石原料替代、高能耗高物耗高排放工艺路线替代以及传统产业升级，都产生重要的推动作用。

生物制造利用生物资源或化石资源在生物微工厂内进行物质转化，过程条件温和，作为一种绿色生产方式能够促进形成资源消耗低、环境污染少的产业新结构和生产新方式并可能对传统化工生产方式进行有效替代。通过生物制造，我国已经实现了一批基础化学品、精细化学品（化学原料药）、生物基聚合材料的绿色生产，为工业产品原料路线转变、农业产品实现工业化合成提供了范例。

通过整理公开资料，动脉网对中国从事合成生物学技术应用的15家生物技术公司进行了简单梳理，将其聚焦的应用场景进行了分类和介绍。

从事合成生物学技术应用的企业盘点

当然，在合成生物产业上游下游，除了直接从事生物合成业务的下游企业，还有一部分提供合成生物技术支持为主导业务的上游技术公司，例如提供DNA合成服务的英国公司Oxford Genetics、中国企业泓迅科技、迪赢生物等，不过它们并不作为我们本文研究的对象，我们仅对下游的合成生物企业基于技术的应用场景进行分类。

提供合成生物学相关技术服务的企业

从数据中我们可以看到，中国的合成生物学企业数量并不多，聚焦应用的产品也各有差异。在动脉网统计的15家合成生物学企业中，有13家公司的应用场景都涉猎到生物医药领域，5家涉猎食品农业领域，4家公司涉猎工业应用领域。不过由于是通过有限的公开信息整理，部分涉猎工业、农业食品领域的企业未公开其技术原理，所以难以判断其背后是否应用合成生物学技术，故未纳入表格中。

其次，我们也能看到，在中国应用合成生物学技术赋能化工场景的企业是发展最快的。拔得头筹的是已经在上海证券交易所科创板上市的凯赛生物，该公司在生物法长链二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺行业竞争中的优势地位较为突出。也是目前全球具有代表性的能够同时实现生物法制造系列长链二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺并大规模产业化的龙头企业，客户包括有Dupont、Evonik、EMS等。

同样在合成生物学的化工场景下，蓝晶微生物以生物合成PHA塑料为核心业务，致力于产出低成本、高产量、性能稳定的“绿色塑料”PHA，去替代传统“白色污染”塑料。蓝晶微生物对数以百计的基因进行调控层面和功能层面的设计，整合多方面要素后开发的PHA管线将其生产成本降低了一半，成为世界范围内第一梯队的PHA合成生物学厂商。该公司创始人曾在受访中表示，如果未来公司进一步扩大生产规模，PHA的成本还能够继续降低，逼近聚乙烯等目前常用塑料。

除了最先跑向世界的工业应用，合成生物学领域上市的第二家企业花落生物医药赛道——华恒生物，该公司主要从事氨基酸及其衍生物产品的研发、生产和销售，主要产品包括丙氨酸系列产品、D-泛酸钙和α-熊果苷，是全球范围内规模最大的丙氨酸系列产品生产厂商之一。华恒生物的最大合作伙伴是巴斯夫，这是一家专注于新型绿色螯合剂MGDA全球规模最大的生产企业。

此外，被誉为国产玻尿酸三巨头之一的华熙生物也是采取了生物合成的方式生产透明质酸，俗称玻尿酸。通过解读该公司招股书我们可以看到，华熙生物利用链球菌（Streptococcus zooepidemicus）代谢产生透明质酸的天然特性，通过野生菌种诱变和高通量筛选，得到透明质酸产率最高的优质菌株，并实现大规模发酵生产。在此基础上，公司还运用多尺度过程优化技术对透明质酸发酵进行定向代谢调控，促进透明质酸酶系合成，使其主要向合成透明质酸的代谢方向进行，从而显著提高透明质酸发酵产率，减少发酵中的杂质代谢物产生。

综上所述，合成生物学技术的主要应用还是聚焦于化工原材料、医药中间体的合成上，并且在工业领域的应用发展最快，以凯赛生物为代表的尼龙原材料最先走向世界。其次，这些生物基原材料合成企业的最大竞对是以传统合成方式生产的公司，生物基材料生产需要达到与传统化工生产原材料同等甚至更经济的性价比，方能抢占市场份额。不过相信随着“高效细胞微工厂”生产的规模化，未来经济生产、绿色生活指日可待！

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