合成生物学，实现原料“自由”？

（来源：食品商务网   2023-06-08）
    近几年，合成生物学异常火热。据美国合成生物学媒体SynBioBeta统计，2021年，全球合成生物学投融资金额达到180亿美元，相当于过去12年的总和。此外国内首个合成生物学基金也在6月3日正式成立，该基金由华熙生物与赋远投资联合成立。
    其实早在2011年，我国科技部便开始对合成生物学进行支持，启动了973计划重大项目“人工合成细胞工厂”，但是由于缺乏“造风者”，合成生物学在早些年一直不温不火。

“年轻”的合成生物学
    相比较于其他学科，合成生物学还很年轻。1980年，“合成生物学”的名词出现在文献中，Barbara Hobom用它来描述使用重组DNA技术进行基因工程改造的细菌，当时，合成生物学很大程度上等同于“生物工程”。2000年，Eric Kool等人在旧金山举行的美国化学学会年会上再次引入“合成生物学”一词，在这里，该术语已被用来指代“重新设计生命”。
    合成生物学可以对现有的生命形式进行重建，同时也可以创造新的生命形式，并且往往会颠覆一般的认知，比如利用二氧化碳和氢气来生产蛋白、通过酵母发酵生产人参皂苷等。麦肯锡报告显示，未来60%的产品都可以通过合成生物生产制造。
    合成生物学通过构建高效的细胞工厂来实现生命制造，其核心是生物设计，应用模块化、标准化和特征化/抽象的工程原理来提高编程和构建生物系统的实际能力，以产生具有可预测属性和功能的特定人类设计输出。其中底盘细胞的选择和优化是核心的核心，底盘细胞是指为了某些功能需要其基因组或基因通路被改造后的细胞。通过在底盘细胞中置入功能化生物系统模块，使人工细胞能够具备人类所需要的特殊功能。

资本疯狂，融资不断
    合成生物学的融资在这几年呈现疯狂状态，据美国合成生物学媒体SynBioBeta统计，2020年，全球合成生物学领域企业获得投融资78亿美元，是2019年的2.5倍，2021年，全球合成生物学投融资金额达到180亿美元，相当于过去12年的总和。
    据不完全统计，2022年有超百家合成生物企业完成了新的融资。其中涉及食品领域的超30家，主要聚焦在植物肉、细胞培养肉、替代蛋白和功能性原料领域。
    今年，全球合成生物学的投资逐渐回归理性。中国科学院上海营养与健康研究所研究员熊燕介绍，“2023年全球合成生物学方面投融资呈下降趋势，体现了投资走向理性、精准之路。2023年第一季度，全球合成生物学领域的初创公司筹集了约28亿美元，是过去三年来同期最少的一个季度”。

食品，合成生物学的高速增长领域
    据CB Insight数据，2019年全球合成生物学的市场规模为53亿美元，预计2024年将达到189亿美元，2019年至2024年期间年复合增长率（CAGR）高达28.8%，其中食品和饮料行业将迎来64.6%的高速增长，遥遥领先于医疗健康（18.9%）、科研（21.7%）、工业化学品（27.5%）和消费品方向（43.9%），预计2024年将达到25.7亿美元。此外据波士顿咨询（BCG）预测，预计2026年，食品饮料行业全球合成生物市场规模将超57亿美元。
    合成生物学的发展正在改变食品行业。食品行业与合成生物学的有效结合，不仅是解决现有食品安全和营养问题的重要技术，也是克服传统食品技术相关的不可持续性问题的重要方法。合成生物学主要通过三种方式引导当前和未来的食品革命：首先，合成生物学可以改善传统食品的生产和制造；其次，合成生物学可以改善食物营养或增加新功能；第三，合成生物学可以通过使用工程微生物群落来改变传统的发酵食品生产方式。
    合成生物学在食品饮料领域的应用主要聚焦在四个类别：替代蛋白、食品添加剂、新食品原料和功能性食品原料。

麦肯锡和Deeptech预测了合成生物学在食品各应用领域的爆发加速点，目前加速点集中在食品添加剂生产、基因工程作物和食品溯源追踪；预测2023年-2030年会向替代蛋白、基于微藻的产品和微生物组应用转变；2030年-2040年之间，主要集中在功能性营养组分、细胞培养肉、食品品质控制和减少碳排放；2040年之后，将重点集中在增强光合作用作物。

食品领域代表企业及产品
    在食品领域，有很多企业涉及合成生物，通过合成生物生产相对稀缺的原料，以期通过合成生物提高产率，实现原料端的降本增效。
    华熙生物在2019年的财报上提及合成生物，并在2022年将合成生物作为重要战略目标，主攻原料有透明质酸、胶原蛋白、NMN、GABA等，目前透明质酸发酵产率已经达到12-14g/L，是行业一般平均水平的2倍。嘉必优是国内最早从事生物合成法，生产多不饱和脂肪酸和脂溶性营养素的企业之一，主要产品包括花生四稀酸（ARA）、二十二碳六烯酸（DHA）和唾液酸等，2022年，嘉必优宣布合成生物学平台开始着手母乳低聚糖（HMOs）、OPO结构脂、番茄红素、虾青素等新原料的研发。

合成生物学，实现原料“自由”？

学术研究方面，已有多人实现了通过合成生物学来提高原料的产量。Ma等人将虾青素的产量从12.9 mg/L增加到432.82 mg/L；Kang等人将番茄红素的滴定度提高到2300 mg/L；Cui等人将维生素K2 （MK-7）的滴定度从9 mg/L提高到360 mg/L；Deng等人将2’-FL的滴定度从24.7 mg/L提高到674 mg/L。
    同时商业层面上，也有企业实现了相关原料的大规模量产，比如巨子生物实现了五种高纯度稀有人参皂苷--Rk3、Rh4、Rk1、Rg5 及 CK百公斤级规模量产。嘉必优实现了ARA、藻油DHA的产业化，2021年，公司藻油DHA的收入达0.57亿元，占比16.11%。
    但是合成生物学界不缺量产失败的案例，曾以生物燃料为重要方向的国外合成生物学巨头Amyris，在量产过程中，遭遇酵母大量死亡的重大事故。十几年之后，另一个头部企业Zymergen也遭遇了同样的问题，量产时发酵罐内出现了大量死亡的菌株。这些在其他领域的失败案例同样也会发生在食品领域。
    据业内人士称，目前大多数公司还停留在研发阶段，进入到大规模生产的公司并不多，合成生物学从实验室到商业化生产，还有很长的一段路要走。
1）规律难寻，经验积累难
    影响量产最重要的一个环节是下游的发酵生产环节。中科院微生物所微生物生理与代谢工程重点实验室主任陶勇在接受经纬创投采访时指出，发酵生产和菌种设计不一样，发酵过程中碰到的工艺条件实现和控制等问题，很多是靠经验积累来解决的，这些经验的积累需要更多的时间。
    陶主任认为，“微生物是生命体，我们至今还没有完全掌握生产环节很多变化背后的逻辑。当我们选择不同底盘细胞时，它对不同环境的反应是不一样的”，所以企图通过一套通用模型来预测，是不太现实的。不过陶主任认为AI技术或许可以帮助解决工艺放大的问题，AI可以从海量的数据里寻找规律，但是前提是我们要有足够的数据量，去支持AI寻找最佳逻辑。
2）人才紧缺
    合成生物学融合了生物学、数学、计算机学、工程学、化学等多门学科，所以对专业性人才的综合能力要求极高。合成生物学需要的复合型人才既要懂研发，又要懂生产。
    2022年，国家发展改革委印发了《“十四五生物经济发展规划》，《规划》明确，要着力做大做强生物经济，到2025年生物经济成为推动高质量发展的强劲动力。该《规划》的发布，让合成生物学人才极度紧缺。

小结
    毋庸置疑，被称为“第三次生物科技革命”的合成生物学具有巨大的发展前景和市场潜力。但我们希望合成生物学并不仅仅只是资本的狂欢，当资本的热情褪去，合成生物学依旧能够挺立前行，真正的实现原料“自由”。