一、引言
合成生物学汇聚并融合了生命科学、工程学和信息科学等诸多学科,是现代生物学最具发展潜力的领域之一。它以工程化设计为理念,构建标准化的元器件和模块,融会工程科学原理,采用自下而上的策略,对已存在的系统或体系进行全新的合成与改进,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系,为生命科学开创了一种全新研究模式。继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,合成生物学正在开启新的生物技术革命,被业界誉为“第三次生物科学革命”。
当前,合成生物技术的发展水平已成为衡量国家未来产业竞争力和构建生物循环经济体系的重要标志。在全球科技竞争的前沿领域,合成生物学正经历高速发展阶段,已初步实现医药、生物能源、高性能材料、食品与营养等多行业的产品化应用。近年来,在政策支持与资本驱动的双重推动下,中国合成生物产业创新技术不断迭代、产业链条迅速构建,正加速向技术成熟与商业落地阶段迈进,并已建成多个合成生物研究所和产业集群。二、市场规模与发展前景
从市场数据来看,合成生物学产业正呈现出爆发式增长态势。根据Global Market Insights Inc.发布的报告,全球合成生物学市场规模在2025年估值达256亿美元,预计将从2026年的301亿美元增长至2035年的1281亿美元,复合年增长率为17.5%(2026-2035年)。另一家市场研究机构的数据显示,2024年全球合成生物学市场规模约为134亿美元,预计从2025年的162亿美元增长至2032年的458亿美元,复合年增长率达23.5%。预计到2030年,全球合成生物市场规模将突破700亿美元。
从应用结构来看,工业领域目前占合成生物学应用的30%以上,主要生产生物基化学品、材料和生物燃料。到2030年,生物基化学品有望占化学品市场的近25%,预示着制造业的重大范式转变。分析显示,全球经济中60%的实物输入潜在可以通过生物生产实现,这标志着合成生物学的重大转型潜力。
从区域分布来看,北美目前占据最大的市场份额,而亚太地区因研发投资增加和政府举措推动,成为增长最快的地区。中国凭借在菌种筛选、发酵工程等底层技术领域的突出优势,并主导制定了合成生物领域首个国际标准——《生物技术核算合成第二部分:合成基因片段、基因和基因组的生产和质量控制要求》。
从资本市场表现来看,2025年生命健康、自动化实验设备、基因工程成为未来投资热点。中国合成生物市场与全球市场高度协同,投融资事件主要集中在天使轮和A轮,商业化进程在生命健康、农业等领域加速推进。三、核心技术突破与前沿进展3.1 底层技术革新
合成生物学的核心驱动力来自底层技术的持续突破。2025年,合成生物学与生物制造领域呈现出“智能融合、系统优化、应用多元”的鲜明特征。人工智能已从辅助工具演变为核心驱动力,深度融入从生物元件设计到发酵过程控制的全链条,推动研发范式从“经验驱动”向“数据与模型驱动”的根本性转变。酶工程与蛋白质设计的突破不断拓展生物催化的功能边界,细胞工厂的构建正从单靶点改造迈向全局系统优化,传统底盘与新型底盘协同发展,推动高值化学品与新质蛋白的高效生物合成。
在DNA合成领域,2025年10月,华大生命科学研究院联合多家机构发布了一项自主研发的基于并行原理的DNA合成技术——mMPS(Microchip-based Multiplex Parallel Synthesis)。该技术以“微芯片”的创新范式从源头颠覆了DNA合成技术,成功实现了在合成通量、产量和质量上的系统性突破,相关成果发表于《自然·生物技术》(Nature Biotechnology)。mMPS技术的核心创新在于将一张芯片划分为一个个独立的、毫米级的微芯片,在每个微芯片上仅合成一条短链DNA,且芯片表面均带有专属识别码,可对DNA片段进行身份识别与分选,全程追踪该片段的合成过程。通过“识别-分选-合成-回收”的循环机制,使芯片具备可重复使用的能力。
该技术在多个关键指标上实现了突破性进展:单条DNA序列的产量从传统的fmol级别(极微量)提升到pmol-nmol级别,幅度达4—6个数量级;基因组装步骤从原来至少5步操作优化至仅需2步完成,且无需额外添加扩增引物或酶切位点;每条DNA片段都在各自的专属空间合成,避免交叉污染。在成本方面,mMPS技术的单碱基合成成本比传统方法降低约70%,为大规模工业化应用铺平了道路。论文通讯作者、华大生命科学研究院合成生物学首席科学家沈玥表示:“mMPS技术的问世,不仅仅是DNA合成领域的一项技术迭代,更是合成生物学从‘实验室探索’走向‘工业化制造’的关键转折点。”
在基因编辑领域,多个研究团队也取得了重要突破。大连理工大学刘嵘明教授与梁丽亚副教授团队在《核酸研究》(Nucleic Acids Research)发表了基于“CRISPR-Cas与DNA损伤应答协同作用的高精度基因组编辑策略SELECT”。该方法巧妙地将CRISPR-Cas介导的DNA双链断裂与宿主DNA损伤响应机制相结合,构建了一套反向筛选系统,在基因失活、插入、迭代改造以及高通量基因组编辑等场景中实现了高效抗干扰基因编辑。与传统方法相比,SELECT的整体编辑效率提升了4倍以上,获得产量提升3.97倍的突变菌株,并展现出跨物种的适用性。
江南大学陈坚院士团队张国强研究员课题组在Advanced Science发表研究成果,基于高扩增性能的噬菌体DNA聚合酶与CRISPR-nCas9建立了高效可控的基因组靶向体内连续进化系统(CTRLE)。该系统具有宽诱变窗口(2kb)、全部12种碱基突变类型,脱靶率可降低54.8%至96.8%。该系统成功应用于大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和乳酸克鲁维酵母,靶向突变率可提升10⁵至10⁷倍,为工业酶与微生物细胞工厂改造提供了高效工具平台。3.2 前沿交叉研究:细胞编程与人工光合作用
在细胞工程方面,2026年3月,中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所钟超研究员团队联合哈佛大学George Church团队在《自然》(Nature)发表最新研究成果。研究团队构建了一种基于重组酶的可编程细胞分化与比例控制平台,通过“预设规则”,能让单一祖细胞自主生成多种子代细胞,并能定量调控该细胞的分化比例和顺序。该研究首次将复杂多细胞系统中“细胞分化比例”这一关键参数转化为可预测、可计算、可工程化设计的对象,为复杂多细胞系统的理性构建提供了全新方法。该装置在细菌、酵母和哺乳动物细胞中都得到了验证,最终将子代细胞的比例调控范围拓展到约0.1%至99.9%。深圳先进院为第一完成单位,这一突破有望为活体材料、类器官构建、智能生物制造等领域提供新的技术路径。
在人工光合作用领域,2026年3月,深圳先进院高翔团队联合南京大学王元元团队、上海交通大学杨琛团队在《自然·可持续发展》(Nature Sustainability)上发表最新成果。研究团队成功构建出一种人工光合工程细胞,使非光合工业微生物能够直接利用太阳能,驱动废弃碳源向高附加值化学品高效转化。团队创新性地将半导体材料构建为“人工捕光天线”,将二维半导体材料直接送入微生物细胞内部,在细胞内装上“人工捕光天线”。在5升发酵罐中,以工业糖蜜废水为主要原料,BDO(1,4-丁二醇)的产量达到30.71克/升,验证了该体系在规模化生产和废碳升级转化方面的应用潜力。四、合成生物学在天然产物领域的应用4.1 珍稀中药成分的微生物合成
在珍稀中药成分的生物合成方面,多个研究团队取得了突破性进展。中国农业科学院烟草研究所烟草种质资源与生物育种创新团队首次培育出高效生产高价值天然药物毛喉素的烟草。毛喉素是治疗心血管及呼吸系统疾病的重要药物,传统生产方式依赖濒危植物毛喉鞘蕊花根部提取。该团队利用自主知识产权的多基因组装系统将6个关键合成基因整合并导入烟草,培育出稳定合成毛喉素的植株,其叶片中毛喉素含量较传统药材高20%。
广西科学院合成生物学创新团队成功构建了“人参酵母细胞工厂”,以酿酒酵母为底盘,对细胞代谢网络进行精密设计与重构,快速定向发酵生产高纯度原人参二醇(PPD)。该技术的核心创新在于构建了一个强大的合成生物学平台——由于PPD是上百种人参皂苷的共同关键前体,在该超级底盘细胞中导入不同的修饰基因,即可快速获得不同的人参皂苷“细胞工厂”,实现“即插即用”式的模块化生产。目前,该技术已在企业完成100升发酵罐规模中试验证。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究团队利用植物底盘本氏烟草,完整重建了小檗碱的生物合成全途径,实现了这一复杂天然产物的从头合成,为基于植物底盘的复杂天然产物的高效生物制造提供了样本。4.2 天然农药与代谢工程
在农业领域,中国农业科学院深圳农业基因组研究所李伟课题组联合赵程课题组利用“人工智能+基因组规模代谢网络模型(GEM)”的设计思路,成功将大肠杆菌改造为高效的“细胞工厂”,实现了天然农药除虫菊酸的高效微生物合成。研究团队通过基因组尺度代谢模型作为“代谢导航系统”,精准定位关键分流点,采用小RNA技术抑制关键分流点活性,使中间产物除虫菊醇产量提升2.6倍。通过模型进一步预测和优化关键酶基因拷贝数后,最终发酵产量达到141.78 mg/L,创下了生物合成除虫菊酸的最高纪录。
海军军医大学张磊、陈万生团队联合大连化物所周雍进团队在Nature Chemical Biology上发表研究,设计酵母共生联合体实现植物木脂素的从头生物合成。受植物多细胞分工合成复杂天然产物的启发,研究团队构建了互惠共生酵母联合体,一株负责生产阿魏酸,另一株转化为松柏醇及其衍生的木脂素,成功合成了1.2 mg/L松柏醇。这一研究证明,酵母联合体可模拟植物细胞分工,优化复杂天然产物的合成。五、合成生物学在医学领域的应用5.1 疫苗创新
在疫苗研发方面,深圳先进技术研究院司龙龙研究员团队在蛋白靶向降解减毒活疫苗策略上取得了一系列突破性进展。2022年,团队在Nature Biotechnology首次提出PROTAR减毒活疫苗策略;2025年,团队在Nature Chemical Biology上报道了PROTAR疫苗2.0,突破原有设计,支持将PTD元件装载在病毒蛋白的两端或内部任意合适位点,显著提升疫苗安全性。同年,团队在Nature Microbiology发表论文,成功建立PROTAR流感疫苗库,大幅拓展疫苗多样性。团队还在Nature Reviews Immunology发表综述,系统阐述该策略的原理与前景。
郑州大学阎锡蕴院士团队成功构建了一种基于工程益生菌的全新口服肿瘤疫苗平台——BacOR-Fn-T+phiX174,发表于Nature Communications。该平台使工程益生菌既是铁蛋白纳米疫苗的“制造工厂”,又是其天然的口服递送平台,实现了在肠道环境中的可编程原位裂解和高密度疫苗释放。该疫苗在肺转移和皮下肿瘤模型中对黑色素瘤产生治疗效果,并能建立持久的免疫记忆。5.2 活体药物与溶瘤疗法
上海交通大学童垚俊团队联合上海第六人民医院张靖教授在Current Opinion in Biotechnology发表专题综述,系统阐述“可编程益生菌作为新一代活体治疗药物”的前沿进展。研究人员通过模块化基因元件——生物传感器、逻辑门、记忆模块和效应器模块——构建出能感知信号、进行计算并执行治疗的智能系统。工程菌可识别一氧化氮、乳酸、胆汁酸等疾病相关分子,通过AND/OR逻辑门组合实现对多重病理信号的精确判断与应答,在炎症性肠病、代谢性疾病和肿瘤治疗中展现出广阔前景。
在溶瘤细菌领域,2025年9月,缮维特生物自主研发的溶瘤细菌创新药物YB1-X7注射液正式获得美国FDA新药临床试验(IND)许可,这是继经典菌株VNP20009之后首个基于全新合成生物学底盘菌株的创新疗法成功获得FDA临床准入。YB1-X7以高度减毒的沙门氏菌为载体,搭载了独特的乏氧增殖系统——在肿瘤乏氧微环境中可主动定植、快速增殖,在正常有氧组织中则迅速裂解清除。FDA批准其同步开展静脉输注与瘤内注射两种给药方式的临床研究,在溶瘤沙门氏菌领域具有里程碑意义。5.3 工程益生菌用于肿瘤免疫治疗
新加坡国立大学医学院与中南大学湘雅三医院合作研究,验证了“合成生物学+肿瘤免疫微环境调控”的交叉研究范式。该成果发表于Science Translational Medicine封面,基于共生体的结直肠癌抗肿瘤免疫增强策略为晚期结直肠癌临床治疗提供了全新靶点与转化可能。六、合成生物学在能源与环境领域的应用
在碳中和与绿色制造领域,深圳先进技术研究院高翔课题组与电子科技大学夏川课题组合作在Nature Catalysis上发表了“人工海洋碳循环系统”研究成果。团队率先提出并验证:面向天然海水场景高效捕集CO₂,电催化制备可进入生物制造的平台中间体,再经工程化微生物升级转化为高价值分子与材料。
研究团队自主研发电解装置,可在真实海水环境下连续稳定运行超过500小时,碳捕获效率超过70%,捕获每吨二氧化碳的成本仅为229.9美元。所捕获碳源经电催化转化为高纯甲酸,再由工程化海洋微生物升级为琥珀酸等平台分子。以琥珀酸为例,团队完成了材料端示范——合成了可完全生物降解的PBS及PLA,并制备出示范吸管产品,展示出了将海水转化为绿色材料的产业化可能性。
在环境生物修复方面,2025年的研究已从功能菌株改造走向人工合成微生物组的理性设计,标志着生物修复迈向可预测、可调控的新阶段。七、全球重点大学与科研机构7.1 中国高校与科研机构
天津大学是合成生物学领域中国的领军高校。2025年4月,天津大学成立了我国“世界一流建设高校”中首个合成生物学院——合成生物与生物制造学院。天津大学拥有合成生物技术全国重点实验室、教育部“珠峰计划”合成生物学前沿科学中心,形成了一支由院士领衔的创新团队,牵头承担国家重点研发计划项目34项,近五年合成生物学领域研究论文发表量全球第一。天津大学在国际上率先创建了合成生物学专业,建立了首个“本科—硕士—博士”完整人才培养体系。在2025年校友会中国大学合成生物学专业排名(研究型)中,天津大学位列第一。
江南大学在全球合成生物技术创新格局中展现出卓越竞争力。据《2025中国工业生物技术发展白皮书》显示,近五年(2021-2025年)江南大学在我国合成生物技术领域专利数排名第一,成果转化活跃度突出,专利转让与许可数量持续领先。根据《合成生物学研发竞争态势对比分析》(2025,6(4): 940-955),江南大学在合成生物技术的“关键底层技术”与“能源环保”两大领域的专利数量位列全球第一,“农业食品”领域专利数排名全球第二。陈坚院士团队“基于细胞代谢与形态调控实现可控分子量透明质酸高效合成”的工作被列为年度科研进展重点案例。
中国科学院深圳先进技术研究院是中国合成生物学研究的重要力量。其合成生物学研究所和定量合成生物学全国重点实验室在可编程细胞分化、人工光合工程细胞、人工海洋碳循环系统、PROTAR疫苗等多个前沿方向取得突破性进展,研究成果发表于Nature、Nature Sustainability、Nature Catalysis、Nature Chemical Biology等国际顶级期刊。
北京大学、清华大学、复旦大学、浙江大学等综合性大学在合成生物学领域也拥有雄厚的科研实力,在2025年校友会中国大学一流专业排名中位列前五。浙江大学校友创办的微远生物等企业也体现了高校科研成果转化的活力。
中国科学院水生生物研究所张承才、缪炜、黄开耀团队提出了一种名为“细胞编辑”的合成生物学新策略,借鉴自然界中普遍存在的内共生现象,通过将具备特定功能的供体细胞改造为“功能穿梭体”并整体移植入受体细胞,赋予其光合作用或生物固氮等复杂生物学功能。该策略有望实现生物营养方式转变、能量代谢重构等突破性应用,为粮食、能源、环境等重大挑战提供全新解决方案。水生所已联合南海海洋研究所、分子植物卓越中心、国科大、动物研究所、成都生物所等多家单位启动战略先导科技专项。
大连理工大学刘嵘明教授与梁丽亚副教授团队在《核酸研究》发表了高精度基因组编辑策略SELECT,为精准代谢工程和基因组修饰提供了全新策略。7.2 国际知名高校
在国际层面,麻省理工学院(MIT) 拥有合成生物学实验室(SynBio Lab),主导国家级项目,在AI+生物交叉研究方面处于前沿。斯坦福大学的斯坦福生物设计中心(Biodesign)专注医疗技术创新,创业氛围浓厚。哈佛大学在基因编辑和免疫学领域全球领先,医学院与工程院跨学科合作紧密。加州大学伯克利分校是CRISPR技术发源地,与劳伦斯伯克利国家实验室深度合作。八、代表性合成生物学公司及产品8.1 芝诺科技
芝诺科技是一家专注于利用合成生物学和发酵工程技术开发高附加值天然产物的创新型科技公司,核心优势在于对微生物代谢流的精准设计与改造。团队以CRISPR等新一代基因编辑技术为工具,实现工程菌产率较野生型提升千倍以上,生产效率较传统方法提高十倍。2025年8月,芝诺科技完成数千万元人民币Pre-A轮融资,由青创投领投。
目前,芝诺已围绕微生物色素、药食同源功能成分等方向,布局了覆盖印染、日化、人类健康、现代农业的多条十亿至百亿级管线。核心产品包括:微生物色素——已实现60吨级以上发酵罐稳定交付,订单量增长超十倍;母乳寡糖(HMOs)——2’-FL等系列成分实现吨级量产并出口海外;红景天苷——吨级生产突破价格瓶颈;以及唾液酸等功能原料。创始人朱天择博士为牛津大学博士,核心团队汇聚了来自北京大学、清华大学、复旦大学等顶尖机构的跨学科人才。8.2 微远生物
微远生物成立于2023年1月,致力于通过AI驱动酶的智能化设计与功能优化,全面提升生物制造的效率与精度。2025年8月,微远生物完成近亿元Pre-A轮融资,由熔拓资本领投,道彤投资跟投。创始人吴彦毕业于浙江大学竺可桢学院生物工程专业,精准锁定“AI+合成生物学”融合机遇,聚焦手性化合物和天然产物提取等绿色生物制造产品。过去两年,公司已完成4轮融资,营收从几十万元增长至几千万元。8.3 缮维特生物
缮维特生物创立于2021年,致力于合成生物学驱动的肿瘤创新疗法研发。2025年9月,其自主研发的溶瘤细菌创新药物YB1-X7注射液正式获得美国FDA新药临床试验许可,是首个基于全新合成生物学底盘菌株的创新疗法成功获得FDA临床准入,打破了行业内对单一来源底盘菌株的长期依赖,突破了核心菌株“卡脖子”技术壁垒,实现了底层菌株改造技术的完全自主可控。8.4 碳云智能
碳云智能在2025年发布了全球独家且领先的新一代硅基原位合成生物芯片“碳云七芯”系列,基于自有芯片生产的多组学数据训练开发了多场景AI模型,覆盖碳云生命科学、碳云智肽、碳云晶芯、碳云健康四大场景的产品矩阵。8.5 国际企业
在国际层面,巴斯夫在2025年占据合成生物学市场约9%的市场份额,金斯瑞、ATUM、IDT整合DNA技术和Twist Bioscience等公司位列市场领先者,2025年集体市场份额约为25%。Ginkgo Bioworks于2024年收购Zymergen,打造了全球最大的合成生物学平台之一。
此外,HotHouse Therapeutics于2025年底从隐身模式中亮相,获得超过300万美元的种子前融资。该公司总部位于英国诺维奇,融合人工智能与合成生物学技术,对植物生物合成途径进行重编程以创造新的药物分子。其首席科学官Anne Osbourn曾在Science上阐明了疫苗佐剂QS-21的完整生物合成途径,HotHouse正利用这一知识在烟草近缘植物中生产QS-21及类似物,目标是开发绿色、可持续的实验室药物发现新流程。九、未来展望
展望未来,合成生物学领域的发展将聚焦于以下几个核心方向:
第一,人工智能与自动化平台的深度集成。 AI已从辅助工具演变为合成生物学的核心驱动力,未来将更深入地融入从生物元件设计到发酵过程控制的全链条,实现“经验驱动”向“数据与模型驱动”的根本性转变。
第二,细胞工厂构建的全局系统优化。 细胞工厂的构建正从单靶点改造迈向全局系统优化,传统底盘与新型底盘协同发展,推动高值化学品与新质蛋白的高效生物合成。
第三,面向碳中和目标与人民健康需求的产业应用。 环境生物修复从功能菌株改造走向人工合成微生物组的理性设计,标志着生物修复迈向可预测、可调控的新阶段。人工细胞等前沿交叉领域的突破持续拓展着生物制造的边界与想象空间。
第四,工业化基础设施的建设。 随着mMPS等底层DNA合成技术的推广应用,更多复杂生物系统的设计、构建与测试将成为可能,合成生物学有望在医药、能源、环保等领域迎来真正的产业化爆发。
正如综述文章所指出的,合成生物制造正从“造物致知、造物致用”走向“造物致善、造物致远”,为人类社会应对资源、环境与健康等世纪挑战贡献不可替代的解决方案。随着底层技术的持续突破、产业化的加速推进以及全球合作的深化,合成生物学必将开启一个全新的生物技术时代。
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科技日报、中国科学报、新华社等相关媒体报道(具体篇目详见正文对应引用)。说明
本文涉及的大量研究进展发表于2025—2026年的顶级学术期刊,包括 Nature、Nature Biotechnology、Nature Catalysis、Nature Sustainability、Nature Chemical Biology、Nature Microbiology、Nature Communications、Nature Reviews Immunology、Advanced Science、Nucleic Acids Research、Current Opinion in Biotechnology、The Innovation Life 等。由于部分文章DOI信息在公开新闻中未完整披露,建议在正式学术引用时通过各期刊官方网站或PubMed数据库检索完整文献信息。文中关于天津大学、江南大学、华大研究院等机构的描述主要参考自各机构官方发布的新闻稿及白皮书;关于公司融资、产品管线等信息主要参考自企业官方公告及投资机构披露;关于市场规模数据主要参考自Global Market Insights、Research Nester等市场研究机构发布的报告。