探索合成生物学：企业产品革新之旅！

2024-02-25

01前言合成生物学被称为是“第三次生命科学技术革命”，推动了人类实现从“认识生命”到“设计生命”的伟大跨越。合成生物学是一个跨学科的研究领域，旨在创建新的生物部件、设备和系统，或者重新设计已经在自然界中发现的系统。它涵盖了生物技术、基因工程、分子生物学、分子工程、系统生物学、膜科学、生物物理学、化学与生物工程、电气与计算机工程、控制工程等各个学科的广泛方法论，并与进化生物学相关。近年来，科学家们不断创新实验，在合成生物学领域不断突破：在底层核心技术突破的带动下，合成生物技术在食品，材料与化工，农业，医药健康，医美与化妆品等各领域中不断取得革命性的进展。随着时间的推移，市场上不断涌出合成生物学产品，各领域的合成产品优势明显，在绿色可持续等方面展现了不一样的前景。回顾历史，展望未来。本文为大家总结了合成生物学在各个领域的产品沿革，列举各产品开发的代表事例，总结行业现状。希望能够更好的了解合成生物学在各领域的产品发展，感知行业布局，利用合成生物学技术创造更好的未来。02食品领域传统的食品加工生产方式有些弊端，面临生态环境、人口增长、气候变化、公共健康等多方面的问题，人们生活水平的提高和消费结构的改变需要我们进行转型升级。合成生物学为食品领域带来了新方向。1、合成肉2013年，马克·波斯特（Mark Post）教授成功地培养出世界上第一块实验室培养的牛肉，其创建的Mosa Meat公司开发了一种名为“清真牛”的合成肉产品。科学家们通过合成生物学技术从动物细胞中培养出肌肉组织，避免了传统畜牧业中的环境破坏和动物福利问题。合成肉可以为人类提供高蛋白质的肉类替代品，同时减少了对有限资源的依赖。2、合成海鲜2015年，New Wave Foods公司开始研发一种名为“合成虾”的产品，其使用植物蛋白和海藻提取物来模仿真实虾肉的味道和口感，避免了捕捞对海洋生态的破坏，还提供了一种较为可持续的虾类替代品。3、合成奶2019年，Perfect Day公司用酵母菌进行发酵，产生与牛奶中的蛋白质相似的蛋白质成分，开发研制了合成奶。4、合成甜味剂2019年，Ginkgo Bioworks与Amyris公司合作开发了“合成甜味素”。合成甜味素使用微生物发酵产生甜味分子来代替传统甜味剂，如蔗糖或人工甜味剂，为食品和饮料提供低糖或无糖的替代选择。近年来，合成生物学被应用于多种食品配方与组分，相对于传统工艺，合成生物学有多种优势。一是变革了传统的食品制造方式，将食品的制造模式从种植养殖模式转变为车间制作模式；二是助力了食品的低碳制造；三是强化了食品的生产过程。合成生物学制造的食品正在改变人们的食品观念，并推动该领域的快速发展。在功能性食品领域，合成生物学具有不断增长的潜力，比如利用微生物发酵产生特定的食物分子。从食品原料的开发到细胞培养肉、微生物奶等替代蛋白，合成生物学在食品营养领域的应用也在逐年增加。例如，成立于2004年的嘉必优生物基于合成生物学平台加快虾青素、番茄红素等新产品的研发工作。而一兮生物、芝诺科技则将产品瞄准母乳低聚糖。弈柯莱生物与金禾实业共同出资成立上海弈金生物科技有限公司，计划推动合成生物学技术在天然甜味剂、食品原料减糖等食品领域的商业化应用，联合开发新一代代糖。03材料与化工领域随着合成生物学的快速发展，它在材料化工领域中的应用开始逐渐展现出潜力。材料是人类赖以生存与发展的物质基础，科技和社会的进步都离不开材料技术的发展，在合成生物学技术的帮助下，未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。1、生物合成聚合物1997年，NatureWorks LLC开发了一种生物基聚乳酸（PLA），该聚合物是由玉米淀粉或其他植物来源转化而来，具有可降解性和可再生性，可用于生产环保包装、纤维和塑料制品。2、合成生物塑料2007年，Bio-On公司开发名为PHAs的合成生物塑料，这种塑料由微生物代谢过程中产生的可生物降解聚合物制成，可以用来制造各种塑料制品，如包装材料、餐具、纤维和医疗器械。3、合成生物燃料2009年，Gevo公司将植物生物质转化为可替代传统石油的生物燃料。这种生物燃料可以应用于航空、汽车和能源行业，减少对有限的化石燃料资源的依赖。4、合成胶黏剂和粘合剂2017年，Bolt Threads开发了一种名为Microsilk的合成蛋白胶原基材料，可用于制造高性能纺织品和弹性材料。Microsilk模仿了蜘蛛丝的结构和特性，具有优异的强度和耐用性，同时可替代受限的天然蛋白纤维。5、合成生物染料2020年，Genomatica使用可再生资源和微生物发酵生产了合成生物染料。这些染料具有环保性、可持续性和低碳排放的特点，逐渐替代传统的化学染料，减少对环境的负面影响。一直以来，合成生物学在医药和食品领域的应用一直广受关注，而其在新材料、化工行业的技术进展才刚刚拉开序幕。据DeepTech统计，2021年全国合成生物学市场规模约为64亿美元，相比2020年之前增长约2~3倍。国内的企业大多处于初创阶段，与国外企业尚有一定的差距，但国内政策和资源优势明显，企业发展后劲十足。巴斯夫是全球最大的化工公司，其生物基产品包括生物基BDO、PBAT、TPU、可再生涂料等。索尔维在一些生物基产品上处于市场领先地位，包括瓜尔胶、生物源溶剂、高性能聚酰胺和天然香兰素。中国企业也在合成领域不断发展。安徽华恒生物科技股份有限公司是全球首家以发酵法生产丙氨酸并在国际上独家拥有核心发酵法生产L-丙氨酸技术、全球首家运用生物酶工程技术制造β-丙氨酸的高新技术企业。北京蓝晶微生物科技有限公司成立于2016年，是国内领先的生物法功能分子和新材料制造商。2021年4月7日，蓝晶微生物发布了年产2.5万t生物降解新材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)的产业化项目。上海凯赛生物技术股份有限公司成立于2000年，目前已实现商业化生产的产品主要聚焦聚酰胺产业链，在全球生物法长链二元酸市场份额中占据80%以上。04农业领域合成生物学在农业领域的应用为创新农业产品的开发提供了新的机会。这些产品在提高农作物的产量和质量、减少对农药和化肥的依赖、降低环境污染等方面具有重要的潜力，并为解决全球粮食安全和可持续农业发展提供了新的途径。1、转基因农作物第一个商业化的转基因作物是转基因大豆，它被改良成对除草剂草甘膦（Glyphosate）耐受。这标志着合成生物学为改良农作物的耐逆性和产量奠定了基础。2、合成生物肥料1990年代，合成生物肥料开始蓬勃发展，通过利用微生物菌株来制造对作物有益的肥料。这些微生物生产出一系列的有机酸、植物生长激素和其他生物活性物质，用于提高作物的生长和产量。Mycorrhizal Applications使用合成生物学技术生产合成生物肥料。这种肥料由活性微生物种子和富含有机质的材料组成，可以增加植物的营养吸收和生长，提高农作物产量和质量。3、合成植物株2010年，合成生物学公司Amyris合成了一种高效产油的合成植物株，该植物株可以作为可持续的生物燃料来源，并在农业领域提供了新的能源解决方案。4、合成农作物改良2014年成立的Indigo Agriculture是一家合成生物学公司，他们利用合成生物学技术改良农作物。他们开发了对逆境条件更加抗性的作物品种，例如耐旱、耐盐以及抗虫害的合成转基因玉米和水稻。5、合成生物农药2015年，GreenLight Biosciences开始了对基于RNA干扰技术的合成生物农药的研发工作，致力于利用该技术对农作物病虫害进行防控。他们开发了基于RNA干扰技术的合成生物农药。这种农药可选择性地杀灭昆虫和病原体，同时对非目标生物没有副作用，为农业生产提供了更安全、可持续的解决方案。6、合成植物基因编辑CRISPR-Cas9基因编辑技术在合成植物改良方面的应用始于2013年。这一年，研究人员首次利用CRISPR-Cas9系统成功地编辑了拟南芥的基因。这项突破标志着CRISPR-Cas9技术在植物基因编辑领域的开端。Pairwise Plants合成公司利用CRISPR-Cas9基因编辑技术进行合成植物改良，研发出了抗虫害、抗逆境和营养丰富的合成植物品种，以提高农作物产量和耐受性。基因编辑技术可以用于改良农作物的产量、抗病性和耐逆性，实现传统育种无法达到的精准控制。合成生物学在农业领域的不断发展和应用，为农业生产的改良、可持续性和效率提供了新的机遇和解决方案。例如，科学家们利用基因编辑技术成功研发出多种具有抗病和抗虫性的水稻作物。Zhu等实现了在水稻胚乳中虾青素的从头合成，获得富含高抗氧化活性虾青素的“虾青素大米”。在合成生物学在生物农药方面的应用也在快速发展。2017年6月，拜耳公司表达昆虫dsRNA的抗虫玉米MON87411获得美国EPA(U.S Environmental Protection Agency)的种植许可，随后获得了多个国家的安全证书及种植许可，此后涌现了一大批基于RNAi技术进行病虫害防控的新兴公司，极大地加速了RNA生物农药的产业化步伐。05医疗健康领域在健康与医药领域，合成生物学研究成果和技术创新可以在认识生命规律的基础上，解析疾病发生发展机制、寻找药物设计靶点、干预自然的生理代谢过程与机体的免疫应答机制，实现对人体生理状态的监测以及对疾病的诊断与治疗，从而深刻影响医疗模式、诊疗体系和生命健康产业。合成生物学在医疗健康领域的应用为创新医疗产品的开发提供了新的机会。这些产品在治疗糖尿病、输血短缺、耐药性细菌感染和传染病预防等方面具有重要的潜力，并为改善人类的健康状况和提高医疗保健水平做出了贡献。1、合成青蒿素2005年，美国公司Amyris利用合成生物学技术得到青蒿酸，再用化学合成方式得到青蒿素，其后与医药巨头赛诺菲合作，实现大规模量产。2、合成人造医疗酶1982年，Amgen公司成功地利用合成生物学技术生产了人造酶重组人促红细胞生成素。这是一种刺激红细胞生成的蛋白质激素，用于治疗缺铁性贫血和肾性贫血。Amgen公司的重组人血小板生成素成为了第一个通过合成生物学技术生产的批准上市的人造医疗酶。此后，Amgen还开发了其他重要的人造医疗酶，例如重组人粒细胞刺激因子，用于促进白细胞生成，以及重组人血小板生成素，用于治疗血小板减少症。3、合成抗体药物Synthetic Genomics利用基因合成和编辑技术开发了合成抗体药物。这些药物通过合成过程生产，可以用于治疗多种疾病，包括癌症、自身免疫性疾病和传染病。4、合成DNA疫苗2020年初，COVID-19病毒成为全球关注的焦点，科学界迅速投入研究和开发相关疫苗。Moderna于2020年1月11日首次公布了SARS-CoV-2病毒基因组的序列，并在几天后就利用合成生物学技术开始了其mRNA疫苗的设计和开发。BioNTech也是在2020年初迅速开始了基于合成DNA的疫苗的开发。他们与辉瑞合作，共同开发了BNT162b2疫苗。这些疫苗基于合成的DNA序列，可以启动人体免疫响应，用于预防疾病，包括COVID-19 新冠病毒疫苗。5、合成生物药物Zymergen是一家以合成生物学为基础的公司，他们利用基因编辑和高通量筛选技术，开发了合成生物药物。这些药物使用合成生物学方法生产，具有更高的纯度和活性，为疾病治疗提供了创新的解决方案。合成生物学技术已经在健康与医药领域展现出强大的潜力，应用于疾病发生发展的各个阶段，包括但不限于疾病预防、诊断和治疗等过程。例如，将异源途径整合到设计改造的细胞中用于高效生产医疗制剂，将培养基中天然产物的产量提高到等于或高于植物或真菌提取物的产量，构建靶向肿瘤的新型基因线路，可控地释放治疗剂并响应特定生物标志物以对抗多种慢性疾病等。此外，还开发了新的策略来治疗传统医疗手段难以治愈的复杂免疫疾病、传染病和代谢紊乱等。目前，国内已有多家合成生物学相关的生物医药应用型公司，如华东医药、川宁生物、弈柯莱生物、欣贝莱生物、臻质医疗、羽冠生物、百葵锐生物、合生基因等等。06医美与化妆品领域合成生物学在医美与化妆品领域的应用为创新产品的开发提供了新的机会。受到技术、原材料、政策等因素的限制，胶原蛋白、角鲨烯、燕窝酸等原料虽然功效出众，但依然无法大规模应用在化妆品领域，利用合成生物技术生产同类物质，可以很好地规避以上限制。1、合成香料和香精Ginkgo Bioworks是一家合成生物学公司，他们利用基因编辑和合成生物学技术合成了多种天然香料和香精。他们的产品包括以合成方式获得的香草香精和玫瑰香水。2、合成生物表面活性剂Amyris于2011年利用合成生物学技术合成了生物表面活性剂。通过利用合成生物学技术，Amyris成功地将植物微生物重新编程，使其生产出具有表面活性剂性质的化合物，取代了传统石化来源的表面活性剂。这项创新技术为生物化学产业带来了更可持续和环保的解决方案。3、合成胶原蛋白2013年，科学家们首次合成了部分胶原蛋白。研究人员使用DNA合成技术合成了胶原蛋白的碱基序列，并将其插入到细胞中以产生胶原蛋白。2017年，研究人员成功合成了全长度的人类胶原蛋白。Geltor公司利用合成生物学方法合成了一种高效的胶原蛋白，其用于制造护肤品和化妆品，具有更高的纯度和活性，能够提供更有效的抗衰老和皮肤修复效果。4、合成天然色素Perfect Day是一家创新的食品公司，它于2019年利用合成生物学技术成功地合成了乳制品中的动物蛋白质。该技术使他们能够生产出与传统乳制品相似的牛奶和冰淇淋，但并不需要利用真正的动物。这项技术为人们提供了一种更可持续和环保的乳制品替代方案，同时能够满足乳制品的风味和营养需求。合成生物学可以提高已有原料的生产效率，进一步降低成本：合成生物法的底盘细胞经过定向设计后，其产率将远远高于自然界中已有的菌株。利用合成生物学生产化妆品原料，不仅收率高、生产成本低，而且更符合绿色可持续发展得理念。西安巨子、山西锦波、江苏创健等公司利用合成生物学生产出重组人源化胶原蛋白，其选取的氨基酸序列与人体胶原蛋白部分序列相同，而且部分企业已经掌握了去除重组胶原蛋白大规模量产过程产生的内毒素的技术，这类重组胶原蛋白作为化妆品添加剂可大大降低致敏率，有助于推广胶原蛋白材料在化妆品中的应用。另外，通过合成生物技术，我国在人参皂苷、β-胡萝卜素、红景天苷等天然产物生物制造方面已取得了众多进展。例如，中科院上海植生所研究团队通过优化稀有人参皂苷CK酵母细胞工厂的糖基供体供给及合成途径关键元件的表达,使得CK产量突破了5.7g/L。07总结总而言之，合成生物学在各个领域发展有着至关重要的地位，作为第三系技术革命，通过技术层面的进步与创新合成领域的产品也在不断的更新，为人类的生活带来了改变。我们要把握住合成生物学技术革命，不断加速创新，未来生产出更多的绿色可持续的合成产品。参考文献[1]合成生物企业与产品分析[J]. 中国生物工程杂志, 2023, 43 (04): 141-147.[2]刘虎虎,田云.走进合成生物学[J].科学,2023,75(02):30-34+69.[3]曾小美, 朱泽熙, 翁俊. 合成生物学产品商业化安全监管思考[J]. 生物工程学报.[4]张拓宇, 孟庆海. 于产业视角的合成生物学发展态势研究[J]. 世界科技研究与发展.[5]赵田鑫, 钟超. 合成生物学技术在材料科学中的应用. 生物工程学报, 2017, 33(3): 494-505[6]陈洁,黄永康,王希.合成生物学在化工新材料领域的应用及展望[J].生物技术进展,2023,13(01):39-45.DOI:10.19586/j.2095-2341.2022.0098.[7]赵越. 合成生物学在食品领域的发展前景与热点[J]. 张江科技评论, 2023, (05): 32-35.[8]刘晓,薛淮,颜韬等.2023年合成生物学在健康与医药领域的应用[J].生命科学,2024,36(01):72-80.DOI:10.13376/j.cbls/2024010.[9]徐显皓,刘龙,陈坚.合成生物学与未来食品[J].中国生物工程杂志,2024,44(01):61-71.DOI:10.13523/j.cb.2311100.[10]刘晓,薛淮,颜韬等.2023年合成生物学在健康与医药领域的应用[J].生命科学,2024,36(01):72-80.DOI:10.13376/j.cbls/2024010.[11]郭学平.合成生物学——化妆品原料的创新驱动力[J].中国化妆品,2021(12):18-24.[12]Zhu Q,Zeng D,Yu S,et al(2018).From golden rice to aS-TARice:bioengineering astaxanthin biosynthesis in rice endosperm.Mol Plant, 11(12): 1440-1448合成产品主题馆2024第二届合成生物学产业博览会将再度打造合成产品主题馆，主题馆入驻覆盖合成生物学所有关键环节的全产业链产品型公司，聚焦食品、消费品、农业、能源、医美和化妆品等领域利用生物合成技术实现的产品，将吸引众多行业头部企业入驻；同时，合成产品主题馆还将持续深化BC双端观众吸引力，提供更加专业且定制化的服务内容，期待您的加入！2024合成生物学产业博览会合成产品主题馆以提升特色合成生物学产品知名度为定位，以拓宽合成生物学产品线下宣传渠道为目标，以加强企业之间的交流与合作为主旨，通过多元化的形式，展示食品、消费品、农业、化妆品等领域的合成产品成果，不断提升产品的影响力、竞争力和品牌价值。一大批合成生物学产品届时将集体亮相主题馆，尽显合成生物技术魅力，助力合成生物产业的发展升级。·主题馆名称·2024SBC合成产品主题馆·主题馆主题·生物制造新力量，选品弥足珍贵！·主题馆时间·2024年4月12日-13日·主题馆地点·江苏·南京SBC2023产品主题馆部分展示图*2024年产品主题馆效果展示图设计中，尽情期待三大产品主题馆：合成生物学现在到底能生成什么产品？2024升级再出发，三大产品主题馆欢迎前来入驻。更多详情欢迎咨询：Seven18121311478生物制造新力量！免费入驻！点击小程序立即报名吧:合成产品主题馆登记表