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2023-06-06 21:24:22
天天新消息丨【原】合成生物學，實現原料“自由”？
2023-06-06 21:24:22 來源: 個人圖書館-食研匯FTA
近幾年，合成生物學異常火熱。據美國合成生物學媒體SynBioBeta統計，2021年，全球合成生物學投融資金額達到180億美元，相當于過去12年的總和。此外國內首個合成生物學基金也在6月3日正式成立，該基金由華熙生物與賦遠投資聯合成立。
其實早在2011年，我國科技部便開始對合成生物學進行支持，啟動了973計劃重大項目“人工合成細胞工廠”，但是由于缺乏“造風者”，合成生物學在早些年一直不溫不火。
(資料圖片)
“年輕”的合成生物學
相比較于其他學科，合成生物學還很年輕。1980年，“合成生物學”的名詞出現在文獻中，Barbara Hobom用它來描述使用重組DNA技術進行基因工程改造的細菌，當時，合成生物學很大程度上等同于“生物工程”。2000年，Eric Kool等人在舊金山舉行的美國化學學會年會上再次引入“合成生物學”一詞，在這里，該術語已被用來指代“重新設計生命”。
合成生物學可以對現有的生命形式進行重建，同時也可以創造新的生命形式，并且往往會顛覆一般的認知，比如利用二氧化碳和氫氣來生產蛋白、通過酵母發酵生產人參皂苷等。麥肯錫報告顯示，未來60%的產品都可以通過合成生物生產制造。
合成生物學通過構建高效的細胞工廠來實現生命制造，其核心是生物設計，應用模塊化、標準化和特征化/抽象的工程原理來提高編程和構建生物系統的實際能力，以產生具有可預測屬性和功能的特定人類設計輸出。其中底盤細胞的選擇和優化是核心的核心，底盤細胞是指為了某些功能需要其基因組或基因通路被改造后的細胞。通過在底盤細胞中置入功能化生物系統模塊，使人工細胞能夠具備人類所需要的特殊功能。
合成生物學中常用的技術/圖源：參考文獻2
資本瘋狂，融資不斷
合成生物學的融資在這幾年呈現瘋狂狀態，據美國合成生物學媒體SynBioBeta統計，2020年，全球合成生物學領域企業獲得投融資78億美元，是2019年的2.5倍，2021年，全球合成生物學投融資金額達到180億美元，相當于過去12年的總和。
據不完全統計，2022年有超百家合成生物企業完成了新的融資。其中涉及食品領域的超30家，主要聚焦在植物肉、細胞培養肉、替代蛋白和功能性原料領域。
2022年獲得融資的食品企業/根據華安證券研究所、DeepTech等資料進行整理
今年，全球合成生物學的投資逐漸回歸理性。中國科學院上海營養與健康研究所研究員熊燕介紹，“2023年全球合成生物學方面投融資呈下降趨勢，體現了投資走向理性、精準之路。2023年第一季度，全球合成生物學領域的初創公司籌集了約28億美元，是過去三年來同期最少的一個季度”。
食品，合成生物學的高速增長領域
據CB Insight數據，2019年全球合成生物學的市場規模為53億美元，預計2024年將達到189億美元，2019年至2024年期間年復合增長率（CAGR）高達28.8%，其中食品和飲料行業將迎來64.6%的高速增長，遙遙領先于醫療健康（18.9%）、科研（21.7%）、工業化學品（27.5%）和消費品方向（43.9%），預計2024年將達到25.7億美元。此外據波士頓咨詢（BCG）預測，預計2026年，食品飲料行業全球合成生物市場規模將超57億美元。
合成生物學的發展正在改變食品行業。食品行業與合成生物學的有效結合，不僅是解決現有食品安全和營養問題的重要技術，也是克服傳統食品技術相關的不可持續性問題的重要方法。合成生物學主要通過三種方式引導當前和未來的食品革命：首先，合成生物學可以改善傳統食品的生產和制造；其次，合成生物學可以改善食物營養或增加新功能；第三，合成生物學可以通過使用工程微生物群落來改變傳統的發酵食品生產方式。
合成生物學在食品飲料領域的應用主要聚焦在四個類別：替代蛋白、食品添加劑、新食品原料和功能性食品原料。
圖源：DeepTech
麥肯錫和Deeptech預測了合成生物學在食品各應用領域的爆發加速點，目前加速點集中在食品添加劑生產、基因工程作物和食品溯源追蹤；預測2023年-2030年會向替代蛋白、基于微藻的產品和微生物組應用轉變；2030年-2040年之間，主要集中在功能性營養組分、細胞培養肉、食品品質控制和減少碳排放；2040年之后，將重點集中在增強光合作用作物。
食品領域代表企業及產品
在食品領域，有很多企業涉及合成生物，通過合成生物生產相對稀缺的原料，以期通過合生生物提高產率，實現原料端的降本增效。
華熙生物在2019年的財報上提及合成生物，并在2022年將合成生物作為重要戰略目標，主攻原料有透明質酸、膠原蛋白、NMN、GABA等，目前透明質酸發酵產率已經達到12-14g/L，是行業一般平均水平的2倍。嘉必優是國內最早從事生物合成法，生產多不飽和脂肪酸和脂溶性營養素的企業之一，主要產品包括花生四稀酸（ARA）、二十二碳六烯酸（DHA）和唾液酸等，2022年，嘉必優宣布合成生物學平臺開始著手母乳低聚糖（HMOs）、OPO結構脂、番茄紅素、蝦青素等新原料的研發。
食品領域合成生物學的代表企業及產品/食研匯根據DeepTech整理
合成生物學，實現原料“自由”？
學術研究方面，已有多人實現了通過合成生物學來提高原料的產量。Ma等人將蝦青素的產量從12.9 mg/L增加到432.82 mg/L；Kang等人將番茄紅素的滴定度提高到2300 mg/L；Cui等人將維生素K2 （MK-7）的滴定度從9 mg/L提高到360 mg/L；Deng等人將2’-FL的滴定度從24.7 mg/L提高到674 mg/L。
同時商業層面上，也有企業實現了相關原料的大規模量產，比如巨子生物實現了五種高純度稀有人參皂苷--Rk3、Rh4、Rk1、Rg5 及 CK百公斤級規模量產。嘉必優實現了ARA、藻油DHA的產業化，2021年，公司藻油DHA的收入達0.57億元，占比16.11%。
但是合成生物學界不缺量產失敗的案例，曾以生物燃料為重要方向的國外合成生物學巨頭Amyris，在量產過程中，遭遇酵母大量死亡的重大事故。十幾年之后，另一個頭部企業Zymergen也遭遇了同樣的問題，量產時發酵罐內出現了大量死亡的菌株。這些在其他領域的失敗案例同樣也會發生在食品領域。
據業內人士稱，目前大多數公司還停留在研發階段，進入到大規模生產的公司并不多，合成生物學從實驗室到商業化生產，還有很長的一段路要走。
1）規律難尋，經驗積累難
影響量產最重要的一個環節是下游的發酵生產環節。中科院微生物所微生物生理與代謝工程重點實驗室主任陶勇在接受經緯創投采訪時指出，發酵生產和菌種設計不一樣，發酵過程中碰到的工藝條件實現和控制等問題，很多是靠經驗積累來解決的，這些經驗的積累需要更多的時間。
陶主任認為，“微生物是生命體，我們至今還沒有完全掌握生產環節很多變化背后的邏輯。當我們選擇不同底盤細胞時，它對不同環境的反應是不一樣的”，所以企圖通過一套通用模型來預測，是不太現實的。不過陶主任認為AI技術或許可以幫助解決工藝放大的問題，AI可以從海量的數據里尋找規律，但是前提是我們要有足夠的數據量，去支持AI尋找最佳邏輯。
2）人才緊缺
合成生物學融合了生物學、數學、計算機學、工程學、化學等多門學科，所以對專業性人才的綜合能力要求極高。合成生物學需要的復合型人才既要懂研發，又要懂生產。
2022年，國家發展改革委印發了《“十四五生物經濟發展規劃》，《規劃》明確，要著力做大做強生物經濟，到2025年生物經濟成為推動高質量發展的強勁動力。該《規劃》的發布，讓合成生物學人才極度緊缺。
圖源：新浪圖數室
為了應對人才緊缺的現狀，近兩年陸續有高校新增合成生物相關專業或課程。
食研匯整理
小結
毋庸置疑，被稱為“第三次生物科技革命”的合成生物學具有巨大的發展前景和市場潛力。但我們希望合成生物學并不僅僅只是資本的狂歡，當資本的熱情褪去，合成生物學依舊能夠挺立前行，真正的實現原料“自由”。
參考文獻：
1、華安證券--合成生物學周報：四所大學已開設合成生物學專業學科，PPS高端制造獲得突破
2、Xueqin Lv, Yaokang Wu, Mengyue Gong, Jieying Deng, Yang Gu, Yanfeng Liu, Jianghua Li, Guocheng Du, Rodrigo Ledesma-Amaro, Long Liu, Jian Chen,Synthetic biology for future food: Research progress and future directions,
Future Foods,Volume 3,2021,100025,ISSN 2666-8335,/10.1016/j.fufo.2021.100025.
3、生物工程學報中國“合成生物學”973 項目研究進展
4、Developing synthetic biology for industrial biotechnology applications
5、DEEPTECH--拓展食物邊界、合成生物推動新食品加速創新--2023合成生物學在食品微生物制造中的應用于前景研究
6、2021透明質酸行業報告出爐 華熙生物占全球原料市場半壁江山
7、以合成生物學技術立身，嘉必優：前瞻布局動物營養、個護美妝領域
8、用細菌生產一切，合成生物學的衰落與崛起
9、合成生物學：全世界都在推動的第三次生物技術革命
10、與中科院陶勇，聊聊合成生物學的選品、量產與技術突破
11、合成生物學的狂歡與迷途
關鍵詞：
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