第一章合成生物产业市场分析预测
1、中国生物制造市场 2023 年接近 4200 亿，未来十年保持接近 17%高速增长。
根据合成生物学主要的六大应用赛道的市场规模试算，中国 2020年、2021、2022 年生物制造市场总规模分别为 2372.4亿元、2898.4亿元以及 3479.4亿元。根据公开数据以及合理的假设，我们预测生物制造市场在中国 2023 年的整体规模不低于 4139.2 亿元，2020-2023 年期间的复合增长率经测算接近 20%。在医疗健康、工业化学品、生物农业、食品饮料、美妆日化以及上游技术六大应用场景中,以2023 年为例,医疗健康仍是生物制造产业目前最大的细分市场，生物制造产业在医疗健康场景的规模达到 2360.8亿元。2033 年，中国的生物制造市场将达到近2万亿元。其 2023 年至 2033 年期间的复合增长率为16.6%，市场将处于黄金高速发展期。
市场规模计算中，我们主要关注医疗健康、工业化学品、生物农业、食品饮料、美妆日化以及上游技术中主要的和生物制造相关的应用方向。以医疗健康赛道为例,我们计算了与生物制造相关的生物制药与医用材料的市场规模。以下表格是各细分赛道的拆解明细:2023 年，生物制造产业在医疗健康场景的规模达到 23608亿元;另外，工业化学品场景的规模达到 741.6 亿元，生物农业场景的规模达到 702.8亿元，食品饮料场景的规模达到 212.9亿元，美妆日化场景达到50.9亿元，上游技术场景达到70.2亿元。
目前生物制造产业正处于创新成长期，合成生物技术颠覆了传统行业发展逻辑。其下游应用为传统行业带来了替代乃至颠覆，全面实现生物制造产业升级。在政策和技术的双重驱动下,相关市场行业整体爆发式增长,合成生物技术已从基础研究全面转入到生物制造产业发展快车道。
2. 未来十年，生物制造将对全球经济每年产生超过2万亿美元的直接经济影响。
生物制造距离发展为成熟的产业体系还有很长一段路要走，但是生物制造具备重要且显著的经济价值，理论上约全球 60%的物质在未来可通过生物制造方式实现生产。根据麦肯锡2020年发布的的合成生物学报告《The Bio Revolution: Innovations transformingeconomies,societies,and our lives》指出，预计未来10年，有400 余个应用场景可被生物技术迭代或替代，这些应用可能对全球经济每年产生超过2万亿美元的直接经济影响。其中主要影响的四大赛道分别是医疗健康、农业和食品、医美日化以及工业化学品/能源行业。
第二章合成生物产业趋势分析
1、“合成生物”逐渐被“生物制造”提法替代,从“技术”逐渐转变为“产业”。医疗健康、工业化学品、农业和食品、医美及日化等行业赛道划分正在被“生物制造”重构
合成生物学已从技术突破阶段，走向实际应用，其通过生物制造的方式重构传统产业，形成全新的生物制造产业，为现有市场、用户提供更贴合政策、市场和用户的产品。全面从技术研究转型成为产业应用，“生物制造”的提法逐渐代“合成生物学”，也强有力表达了合成生物学应用的愿景是发展新质生产力，即创新起主导作用,摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径，具有高科技、高效能、高质量特征，符合新发展理念的先进生产力质态，通过生物合成方式去制造传统产品或者开发出全新的产品。生物制造被认为具有引领“第四次工业革命”的潜力，是世界各国竞争的热点。2023 年以来，中国也明确的将生物制造列为重点发展的战略性新兴产业。从国家到各省市，多地陆续出台推动生物制造产业发展的配套政策，产业进入黄金发展期。生物制造不仅是提升新质生产力的重要手段之一，其同样能够满足企业的ESG需求，为经济的绿色可持续发展提供坚实基础。我国是全球工业大国，有超过万亿立方米、仅次于美国位居全球第二的工业尾气量。通过工业尾气发酵生产乙醇和饲料蛋白，可以在摆脱传统发酵方式对粮食作物的过度依赖之外，大幅提高尾气利用的经济效益和能源利用率,例如首钢郎泽在国内实现了工业尾气的生物法利用，目前已建成年产生物乙醇 21 万吨，饲料蛋白 25 万吨。除工业尾气外，中国每年产生超千吨的废弃油脂也是潜在的新一代碳源,重塑生物发酵产业链。此外，国内还有大量农林废弃物，这些废料中的大部分非常适合用生物技术加以利用。可以观察到的是，2023 年诸如上述提到的生物制造的生产新方式正在多个行业涌现。在生物制造赋能下，传统行业将会被推动快速升级。
2、大量资金涌入将推动“生物制造”产业带动相关企业高速发展，有产业基础或与产业龙头合作的企业将率先迈入产品规模化和营收增长的黄金发展期
在此前 2019-2022 年技术驱动的合成生物学的第一波浪潮中，行业内“玩家”曾面临定位在“产品型”还是“平台型”的选择。随着产业的发展及对商业模式的探索,越来越多的企业开始将自身的定位锚定在产品上。产业界、资本市场也越发青睐具有竞争力的产品品类，以及企业是否规模化生产能力。这类公司在当前阶段更容易形成商业闭环，以及与产业龙头形成合作。生物制造产业已完成初期的商业模式探索,“产品为王”的时代已经来临。合成生物学在技术突破、产业应用、外部环境等方面，依然面临着诸多挑战，需要产学研各界携手共同应对。规模化生产(指企业能够按照固定模式进行大批量的生产，不同应用领域产品大批量的定义可能存在规模量级差距)是生物制造产品实现商业化的路径。生产规模放大是生物制造产品是否能够实现产业化的关键环节,是生物制造企业必须跨越的关键门槛,因此如何解决工艺放大过程中的各种不稳定因素将成为关键。在工业级量产过程中,仍面临如目标产率不稳定、噬菌体污染、裂解纯化步骤繁琐及各个环节的成本不可控等问题。当前已经拥有工业级量产能力，选品“需求导向”且拥有差异化技术壁垒的企业将会领跑当前的商业化浪潮。
第三章产业政策分析
3.1生物制造产业当前处于政策红利期
2022 年5月，我国正式发布《“十四五”生物经济发展规划》，提出推动生物技术和信息技术融合创新，加快发展生物医药、生物育种、生物材料、生物能源等产业，顺应“追求产能产效”转向“坚持生态优先”的新趋势，发展面向绿色低碳的生物质替代应用。在《“十四五生物经济发展规划》中，国家明确提出了合成生物学作为关键技术创新领域。紧随其后，总书记在党的二十大报告中提出:“树立大食物观”，并强调“发展生物科技、生物产业，向植物动物微生物要热量、要蛋白“
2023 年 12 月，总书记出席中央经济工作会议并发表重要讲话，会议提到，要以科技创新推动产业创新，特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能，发展新质生产力。要大力推进新型工业化，发展数字经济，加快推动人工智能发展。打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业，开辟量子、生命科学等未来产业新赛道，广泛应用数智技术、绿色技术，加快传统产业转型升级。2024 年3月，十四届全国人大二次会议在北京开幕，新质生产力写入今年的政府工作报告，并被列为 2024 年十大工作任务的首位。其中，在积极培育新兴产业和未来产业方面，政府工作报告明确，要加快创新药等产业发展，积极打造生物制造等新增长引擎。生物经济已成为国家未来发展规划的重要战略组成部分。
无论是国家发展的纲领指导意见还是涉及国计民生的粮食策略，生物制造整体转型已经成为中国未来发展的必经之路。在国家大力支持的大背景下，中央及区域陆续出台生物制造产业相关政策，各地生物制造产业迎来了发展的黄金时段。
各省市关于合成生物技术迭代、生物制造产业落地的配套政策陆续出台。据统计，在地方“十四五”以来，包括北京、上海、广东、河南、山东等 31 个省市出台了合成生物学层面，相关支持、规范类政策，内容广泛，主要从生物医药产业发展、发展高端生物制造、发展生物基材料、产业集群建设等方面展开规划。这些政策为当地生物制造企业提供良好的成长环境，发挥区域优势、解决地方剩余产能。合成生物技术正快速向实用化、产业化方向发展，合成生物学从基础研究到生物制造的产业发展已经进入了快车道。在飞速发展的阶段，建立一套系统的、科学的行业监管体系有助于行业的规范化发展。
3.2国家队入局、地方政府牵头、上市公司/龙头企业参与等形式相结合，以特定区域优势为基础，联动发展的模式已在全国形成地方性产业集群
“十四五”期间，部分先行省市针对生物制造产业进行了相应的发展目标规划，主要聚焦于我国东部、中部地区的省市，其中河南、上海针对生物经济领域设立相应的发展目标，而吉林、重庆等省份则聚焦于合成生物技术领域的创新，广东、浙江等地则更倾向于依托合成生物技术优势促进产业发展。随着近两年的政策快速落地，各个省市加速发展自身的合成生物技术中心与生物制造产业中心，京津冀地区、华中地区、珠三角地区与长三角地区已先后落成地方性中心。同时，各地区的发展优势均不相同，例如山东省是玉米种植大省，而两广地区盛产木薯淀粉，这些代表省市中的企业生产选址通常离原料更近，运输成本更低。此外，部分省市生产用电具有成本优势,例如山西为代表的华中地区,山西拥有丰富的煤炭资源,煤电成本较低。作为技术迭代创新的源头，以北京、上海、天津和深圳等为代表的科研院所聚集了大量技术型人才资源，此外，以广东省、江苏省、山东省为代表的制造业大省汇聚了一大批生产型人才这也为生物制造产业发展提供了坚实的基础。
京津冀地区:作为合成生物技术的源头,京津冀地区是目前产学研结合发展较为领先的核心区域。其中，中国科学院微生物所、中国科学院天津工业生物技术研究所、清华大学、北京化工大学、天津大学等是合成生物技术领域领先的科研院所。围绕顶尖科研院所，地方政府搭建了技术孵化平台与产业园。与此同时，大量上市公司的进驻完善了产业转化的全链条，例如河北省秦皇岛市在北戴河新区重点布局了生物制造产业园，同时与北京化工大学谭天伟院士团队合作建设中试平台，以其更多科技成果在当地转化落地。
长三角地区:上海市全面布局生物制造产业。这里诞生了国内资本市场的首个生物制造概念上市公司--凯赛生物。同时，江苏省、浙江省也都在探索自身生物制造发展的优势区域。其中，江苏省常州市势头强劲，在生物制造产业这一新赛道上，常州全速抢占新风口，加快培育未来产业。随着金坛合成生物产业园、西太湖合成生物创新产业园、长三角合成生物产业创新园陆续开园，常州已完成“一城三园”千亿产业链布局;其中，深耕“两湖”创新区的武进区，正构建集合成生物学基础研发、产业应用、创新转化、产业投资于一体的全新产业生态。在浙江省，华东医药联合杭州市拱墅区人民政府、浙江工业大学共建华东合成生物学产业技术研究院浙江省杭州西湖大学合成生物与生物智造中心。
珠三角地区:粤港澳大湾区是合成生物技术的另一个高地，其中深圳市光明区备受关注。2018 年成立的光明区是深圳市最年轻的行政区，但在五年时间内，经济规模由 2018 年的 917亿元跃升至 2022 年的 1427 亿元。区域定位上，光明区从旧农场、工业区向科学中心与北部中心跨越晋级，这些过程中，生物制造产业是不容忽视的推动力。在中国科学院深圳先进技术研究院带领下，从基础研究到应用转化，从人才引进到人才培养，粤港澳大湾区科技创新全链条都将从中受益，在科学研究和成果孵化的效率方面有望实现飞跃。在众多项目中，卫光生命科学园是深圳光明区全力打造的生物制造产业园，聚焦于聚焦合成生物学和脑科学前沿技术，创建合成生物学成果转化专业园区，同在珠三角地区的广东省中山市重点启动生物制造产业集群建设。珠海市则重点打造生物医药资源新型配置中心,借助横琴粤澳深度合作区加快打造未来生命健康中医药产业生产基地和创新高地。
其他地区:
河南省依托原料、人力、交通三大成本优势，致力于在合成生物落地的关键期抓紧机遇，致力于打造成华中地区的生物制造产业高地。科研方面，河南科技学院生命科学学院领先申请建设“河南省药物合成生物学工程技术研究中心”，是学校在生物医药领域省级科技创新平“一核”即台的首次突破。产业方面，河南省着力构建“一核、五基地”为主体的产业布局，““五基地”即洛阳、濮阳、南阳、商丘、周口等5个郑州和新乡联动发展的生物经济核心区，生物经济基地，支持各地因地制宜发展各具特色优势的生物经济，形成核心带动、基地支撑、竞相发展的新格局。与此同时，新和成、豫鑫糖醇、新拓洋等公司助力河南打造成生物制造产业高地。
山西协同生物制造上市公司大力发展生物制造产业。凯赛生物位于山西省合成生物产业园年产4万吨生物法癸二酸和年产 90万吨生物基聚酰胺项目开工，与山西政府共同投资数百亿。山西还协同锦波生物共同打造了锦波合成生物产业园，一期注射级重组人源化胶原蛋白和A 型人源化胶原蛋白单一成分无菌化妆品两条生产线于 2023 年5月正式投产，分别可实现年产200万支、5000万支。
山东是中国产粮大省，2023 年山东粮食总产量达 1131 亿斤，为生物制造产业提供了丰富的上游原料资源，山东也因而汇聚了很多老牌的发酵企业。近年来，潍坊尧王集团的合成生物学医药产业园、日照生物化工产业园区投产、新和成主导的山东合成生物学营养品项目基地等生物制造生产基地陆续启动和投产。在研发端，山东能源研究院和青岛高新区管委合作建设合成生物产业技术转化平台，计划总投资1.2亿元，分期建设包括发酵中试平台、发酵工艺验证平台、分析测试平台、微生物培养平台、分离纯化平台、GMP 平台等6个公共支撑平台和 1个个性化项目孵化平台。围绕生物医药、医疗器械领域，主要进行科技成果中试放大、技术熟化转化及科技创业企业孵化。
全国越来越多的区域正在探索或者已经寻求到自身在“生物制造”产业中的优势定位，随着生物制造产业应用的落地，在未来的13年内，各地政府将会重点发力符合自身特色的生物制造产业具体应用行业。在此基础上，相临区域的抱团发展模式将会是未来3-5 年内的主流。
第四章传统生物制造转型后的商业模式
在绿色经济背景下，生物制造的必要性日益凸显，大量垂直行业巨头公司在 2020年前后开启了自身的“大象转身”之路，涉及的行业包括传统化工、传统能源、材料等工业赛道。其中，百年企业帝斯曼被认为是生物制造转型的经典案例，借助其百年产业链上下游优势，通过收并购，在 20年间完成全面转型，从百年化工巨头变为生物制造企业。
企业巨头通过自研、并购的方式布局生物制造产业将会成为常态。通常来说生物制造企业主要有三大商业模式。
1)技术平台主导型
以合成生物技术为底层的平台型企业，作为技术输出方从上自下服务产业链下游客户，以技术服务或开发合作作为商业模式，该类企业的核心壁垒主要是对底盘细胞改造或者酶改造的技术能力，这类企业选择战略放弃了下游品牌、产品的价值链，仅就目前发展来看，上游产业链的赋能价值仍未充分释放;
2)平台+产品型以合成生物技术为支撑，通过布局核心产品以期完成双轮驱动，打造可持续的商业闭环，除了技术平台的能力外，还需要有成熟的选品逻辑和工业规模的生产能力，合成生物学技术平台十单品能够形成可持续的商业闭环，但是同样的，失败的选品也会让企业陷入泥沼;
3)产品主导型通过自研、并购切入爆款单品，以产品作为主导抢占相关市场，再通过规模化生产能力形成市场领先，该类企业可以分为两大类:第一类企业紧盯某大宗品类，通过更低成本和更绿色生产全面替代，低毛利高产量，第二类企业紧盯消费品市场，通过新生产方式进行品牌替代并生产高毛利产品，形成中小市场绝对垄断。相同的，该模式的核心壁垒是选品与成本优势。
无论是出于主动变革还是被动转型，全球巨头向生物制造的转型都会不断加速。在 3-5年内，由产业巨头发起的并购将会掀起产业整合热潮，生物制造也将推动全球制造业、消费、农粮食品业的全面升级，乃至全新业态的出现。
第四章一、二级市场交易目的和形式以及退出方式
4.1生物制造作为国家纲领性产业，一二级市场投融资将会长期处于高度活跃期，未来1-3年资金将以人民币及政府引导基金为主导。作为我国战略性新兴产业中重要领域，目前生物制造产业依旧处于产业化的早中期阶段作为我国生物经济战略的重要组成部分，在未来3-5年内，人民币及政府引导基金将主导一级市场中初创企业的融资交易。近两年，以国投集团、北京国管、河南投资集团等为首的一批中央、地方政府投资机构积极开展生物制造产业布局，通过设立人民币基金、产业园配套落地招商等一系列手段与一批初创企业形成紧密合作连结。在提供资金的同时，更是引导产业本土化发展，搭建完整的从研发到量产到销售的全套产业链。
“基金+产业”的组合2024 年，生物制造产业正处于落地和完成商业化闭环的关键阶段，打法为新兴产业提供了强力支撑。在未来多元的资源禀赋基础和集群型辐射效应下,生物制造在各省市的产业园区的商业化落地前景可期。国家开发投资集团有限公司作为中央直接管理的国有重要骨干企业，也积极配合国家政策进行生物制造产业赋能。旗下多个资金出口均在 2023 年积极布局合成生物技术企业、生物制造企业。我国的合成生物技术产业转化在过去几年处于高速发展阶段。中国作为全球生物发酵第一大国，合成生物学相关技术的落地应用具备丰富的土壤。目前生物制造在中国已经形成了新兴产业,这一战略定位离不开国有资本的大力支持,从中央到政府机构,大批国有资本有规划、有节奏的注入生物制造产业，为行业发展提供有力的资金基础。与之相对的，创新型企业由于政策、法规环境等多种因素也更热衷于欢迎国家队的入驻。在未来5年内，以政府引导基金为主的人民币资金仍将主导生物制造产业投融资市场，企业与政府紧密协同将会成为常态。
4.2生物制造上市企业通过定增方式扩大自身体量，央企集团联手上市民企的展开超长线合作。
中国生物制造上市企业凯赛生物、华恒生物均有披露,通过定增的方式募集基金已扩大自身规模，并持续加大基础建设投入。早在2022年10月，华恒生物就发布公告拟定增募资不超17.27 亿元，加码年产5万吨生物基丁二酸及生物基产品原料生产基地建设等项目。凯赛生物，作为生物制造上市第一股，于2023 年6月25 日披露向特定对象发行股票预案，拟以 43.34 元/股的价格，向上海曜勤生物科技合伙企业(有限合伙)，发行股票募资不超过66 亿元。凯赛生物是全球生物法长链二元酸的产业化生产龙头。此次发行后，招商局集团入股并持有公司超过 5%的股份。另外，公司拟与招商局集团签订《业务合作协议》，发挥双方在生物基聚酰胺产品技术和市场等方面的优势，发挥产业链上的协同效应，提升公司综合竞争力根据协议，招商局从凯赛生采购产品，可以选择生物基聚酰胺树脂，或生物基聚酰胺纤维复合材料。根据凯赛生物公布的与招商局集团签署的《业务合作协议》来看，双方的合作主要涉及生物基聚酰胺材料战略采购、投融资战略两方面。商业化的协同是双方合作的重要渠道力。，招商局集团将尽最大的商业努力，推广和落实凯赛生物基聚酰胺产品的使用。招商局采购并使用凯赛生物的产品中，生物基聚酰胺树脂的量于 2023 年、2024 年和 2025 年分别为不低于1万吨、8万吨和 20 万吨。从 2024年底开始，双方提前一年确定后续采购产品形式和采购量。同时在投融资战略方面，招商局集团将协调其集团内关联金融企业，以有市场竞争力的融资利率为凯赛生物及其投资的项目提供融资服务。
本次招商局入股凯赛生物将是一次“给钱、给订单、不要权”的战略投资，一方面为凯赛生物补充大量流动资金，以使其能健康快速地扩大自身规模;另一方面，通过给予凯赛生物大量订单，保障其后续健康发展。诸如凯赛生物这样的生物制造领域企业，其在产业化过程中需要能够产生强资源协同、优势互补的合作伙伴。招商局集团是中国中央直接管理的国有骨干机构，双方合作能在资源上有效互补，同时，定增也彰显了国家队和国有基金在生物制造产业上的重点投入。未来国有资本仍将是上市企业、准上市企业以及一级市场创新属性的企业最值得信任的资金来源。通过国有资本带动，整个投融资市场将处于高度活跃期，诸如招商局和凯赛生物这样的央企与头部民企联姻将会起到行业发展模式探索的“前锋”效应。
4.3生物制造企业融资与退出也将更具备中国特色,“拥抱国家大战略”“与招商引资相结合+“老股退出”等形式也将成为主要交易方式。从区域发展角度，合成生物学本身，作为一种平台型技术，其应用领域极为广泛，除医疗健康外，工业化学品、生物农业、食品饮料、美妆日化等细分领域均有落地场景，这意味着以合成生物学作为技术平台能带动多个产业的横向发展。从企业角度，合成生物技术带动的生产制造产业通常需要产能匹配的生产场地和配套设施以便企业实现规模化量产。地方政府、基金和企业双方需求的结合，引发了现在生物制造“招商引资热潮”。以生物制造产业发展热门地区北京市为例，2024年，北京设立了规模200亿元的医药健康大基金，生物制造为其重点关注方向之一。2024年1月，北京举行了合成生物制造产业创新发展工作推进会。会上，北京市合成生物制造技术创新中心和中关村合成生物制造产业集聚区揭牌并启动建设，计划打造具有全球影响力的合成生物制造产业创新策源地和产业创新高地。昌平、亦庄等区也纷纷推出了相关的响应政策。昌平区的未来科学城将建设合成生物制造技术创新中心，重点布局生物催化剂设计、生物制造原料开发、生物制造过程强化、生物制造产品工程等四大分中心，围绕生物制造产业链、创新链、价值链开展全流程技术攻关，为引领生物制造产业创新发展筑牢基础。此外，昌平科技园下属的昌发展也通过股权投资、上市公司合作等形式进一步吸引相关企业落地。北京其他辖区例如亦庄也响应两会发展新质生产力的要求，2024年3月，北京亦庄首个合成生物制造公共技术平台正式启用。上海以浦东、宝山、奉贤、金山等区为代表的政府单位同样正积极布局生物制造相关产业。通过“招商引资”的方式,积极建设合成生物学相关产业园，大力扶持产业链上下游各企业。
各区通过汇聚一批合成生物学领军科学家和优秀人才，促进一批合成生物学研究成果转化，引进一批合成生物技术产业化项目，旨在成为具有影响力的合成生物学产业发展园区、学术研究中心、创新成果转化示范基地。宝山区已建成“上海生物制造产业创新中心”，总建筑面积约3000平方米。位于金山区的上海湾区生物医药港正重点发展高附加值原料药、现代中药、CART 免疫细胞治疗等合成生物学创新产业。结合 2023 年发布的《上海打造未来产业创新高地发展壮大未来产业集群行动方案》，上海瞄准三大领域，重点推进合成生物学在生物医药、先进材料和能源环保、消费品三大领域的发展与应用。
深圳作为湾区的“旗帜”，高度重视生物制造产业发展，并于 2017 年开始了合成生物底层技术研究的布局。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所(简称“合成所”)于2017 年 12 月成立。目前已吸纳约 50位的全职研究员，研究所的整体规模达到 1000 人，是全球规模最大的合成生物学研究所。产业层面，深圳于 2022 年发布《关于发展壮大战略性新兴产业集群和培育发展未来产业的意见》，前瞻布局8大未来产业，其中生物制造位列8大未来产业之首,并于 2023 年设立了生物制造产业专项基金。光明区将生物制造作为重点发展产业，于 2021 年 10 月发布全国首个合成生物领域专项扶持政策，俗称“四个 1000万”，即重点科技专项支持最高 1000 万、 用房租金补贴最高 1000 万、GMP 厂房改造补贴最高 1000 万、公共服务平台建设最高 1000万，为产业的后续发展提供助力。
在各地政府引领“招商引资”热潮的当下,初创企业更倾向于选择国有资本或人民币资金作为其发展早期阶段的股权合作伙伴。生物制造产业中一级市场的投资愈发火热的同时，资金的退出方式也更加多元化。有别于其他“追热点”的赛道发展历程，生物制造赛道的爆发将会更加慢热，需要投资方有更多的耐心。在此背景下，股权投资的合作会与传统追求快速上市获取财务回报的投资逻辑有所差异。更考验机构股东与创始团队是否高度契合，目标高度一致,做好长期陪跑的准备。我们预计,由此引发的上市前股权转让交易将会更加频繁。
生物制造产业需“产-学-研”整体联动发展，以创造更多机会。招商引资热潮将为企业提供良好生产和研发环境、生态系统的合作伙伴、税收、审批和环保政策、厂房土地优惠等，结合当地的生物制造原料、销售渠道、生产型人才等给予企业多方面协助。选择适合的区域研发和生产是企业会持续面临的机会和挑战。在退出端，老股交易可能较其他赛道更活跃，创始团队更愿寻找长期稳定合作伙伴，而非单纯追求财务回报的投资机构。
第五章IPO受阻的生物制造企业面临重组再发展或转让出售的重要抉择
5.1合成生物学鼻祖申请破产给中国生物制造企业的启示
在中国市场，生物制造产业正处于如火如荼的发展中。然而，合成生物鼻祖 Amyris 于 2023年宣布申请破产,这无疑给全球产业泼了一盆冷水。2023年8月10日,Amyris 公告宣布 Amyris及其美国子公司已根据美国破产法第 11 章申请破产，并计划出售其消费品牌，以改善公司的流动资金状况。在申请破产前，这一切早有预兆，Amyris 于 2021 年开始陆续关停旗下四个品牌:护肤品牌Terasana，专注于Z世代的彩妆品牌EcoFabulous，高端护肤品牌 Costa Brazil 和清洁保健品牌 Olika。同时，其还计划出售旗下其他美妆、健康领域的消费品牌。
Amyris 是合成生物学领域极具代表性的领军企业,也是第一批合成生物的上市企业(其于2010 年登陆美国纳斯达克)。其由加州大学教授]av Keasling教授于 2003 年创立，公司利用合成生物技术生产可用于治疗疟疾德分子青蒿素。2008年，该公司将青蒿酸生产技术授权给法国制药巨头赛诺菲，一举奠定了 Amyris 在合成生物学领域的成功。2010年，Amyris 率先实现纳斯达克 IPO，成为全球首家合成生物学上市企业。迄今为止，Amvris 成功地创造了总共 13种生物基发酵可持续成分并将其商业化，在行业中遥遥领先。
Amyris 在规模化生产青蒿素上取得成功,而将这一技术转让给法国制药巨头 Sanof 之后便陷入了转型的阵痛期中。Amyris 首先瞄准的是在 2023 年看来仍旧是发展初期的生物燃料赛道。其将主营业务定位在利用合成生物学方法生物合成燃料乙醇和生物柴油等能源项目,后来由于成本居高不下，以及国际油价大幅降低，导致其产线竞争力不足，未能如期扩产。生物燃料之后，Amyris 宣布进行战略转型，2015 年，Amyris 推出了其首个消费美妆品牌--护肤品线 Biossance,并靠独家成分“角鲨浣”成功打入纯净美容行业。此后，Amvris 开始通过一系列品牌收购和品牌孵化，大举进军面向C端的消费品市场。然而，C端盲目扩张所带来的高额费用和B端原料量产困难在疫情前后成为Amyris 亟需处理的棘手问题。2022 年，Amyris 全年营收 2.7 亿美元，同比 2021 年的 3.4 亿下滑了 21%。而 2023 年第一季度，更是亏损翻倍。2023 年，Amyris 将自己主要的化妆品活性成分出售给了奇华顿，其破产时的债务总额为 13 亿美元。Amyris 是探寻如何让崭新的技术走出实验室并达到量产的先驱。然而Amyris 忽略了量产的成本和实施难度、对于 C端拓展的难度估计不足，导致公司亏损进一步加大，这也对中国生物制造的初创企业是一个警示。中国拥有完整而强大的生物制造基础设施、工程人才和量产能力，具备生物制造产业发展的土壤，但企业仍需针对所选品与所选赛道应有充分的调研和充足的前期准备，商业模式是始终 2B 还是B端C端双管齐下，仍然需要创始团队根据自身情况来把握企业定位。
5.2IPO 政策收紧的大背景下，受阻的生物制造准上市企业面临重要选择
生物制造产业迎来了商业化驱动的第二波浪潮，其中率先将自身技术实现产业落地并提供行业内具有相对独占性产品的企业也迎来了上市窗口。2022-2023 年，生物制造领域有7起重要的 IPO 事件，从板块分布来看，生物制造企业因其横跨医疗健康、农业和食品、医美日化、工业化学品及能源等多领域，因此上市灵活性较强，板块选择灵活度高，上市途径较为通畅。从细分行业来看，7起IPO事件中,6家公司为大宗商品研发、生产及销售企业，表明产品型公司因其下游应用广泛、收入起量快等特点，仍然是目前上市的主力军。在产业热度和资本追捧的双重作用下，部分明星生物制造企业将率先登陆二级市场。
但在企业发展的某些阶段，上市受阻的情况依然存在。生物制造赛道明星公司弈柯莱申请科创板 IPO 半年后主动终止。从财务表现来看，弈柯莱业绩具备极佳成长性。根据招股书披露的数据，2019-2021 年，公司分别实现营业收入 1.38 亿元、2.17亿元和 3.31 亿元，报告期内营业收入年复合增长率为 54.69%。本次主动撤回申请疑是大宗产品原材料成本、出货压款、存货金额高导致现金流量净额均为负。问讯环节中，上交所主要关注弈柯莱主营业务及主要产品、科创属性、商业化模式、客户、采购与供应商、同业竞争、历史沿革、期间费用、财务性投资等 17 个问题。弈柯菜的营收与净利润在报告期内实现了显著增长，若公司能够维持营收的上升趋势，并进一步验证其产品的科技创新属性,则其上市成功的前景依然较为乐观。另一家生物制造公司轩凯生物仍在 IPO 问询流程中，但其过高的研发投入及逐年下降的毛利率也受到诸多质疑。
生物发酵的部分头部企业也面临着上市的多重挑战。福洋生物于 2023 年 11 月终止上市。作为传统的大型玉米深加工企业,福洋生物拥有较强的资金实力和生产基础，根据福洋生物招股书数据，2019-2022H1，公司主营业务收入分别为 22.30 亿元、26.98 亿元、35.39 亿元和 17.14亿元。根据首轮问讯来看，公司的交易、采购及生产真实性遭到质疑。此外，公司的毛利情况和增长性持续遭到质疑。福洋生物致力于在其传统优势产品玉米淀粉和葡萄糖酸钠的基础上逐步向高附加值产品转型。截至 2022年,福洋生物已完成5万吨赤藓糖醇产能的建设。然而，受国内产能过剩及原料玉米价格高涨的影响，赤藓糖醇产品的毛利率大幅下降,根据招股书显示，福洋生物功能糖类产品在 2022 年上半年同比下降了 23.2%。在传统生物发酵企业在转型过程中，为了摆脱传统企业的“枷锁”，企业需要更敏锐地关注合成生物技术的迭代，并在合适的时间点选择切入具有自身优势和足够大未来发展空间的品类。跟随市场的热点可能会导致企业盈利窗口期过短，从而导致转型升级受阻或阶段性的滞后。
各家生物制造企业的基本面仍然是上市的金标准。IPO收紧下，越来越多的企业将会倒在上市前的“临门一脚”。选择埋头发展再择机登陆资本市场，还是重组再发展或转让出售将是摆在掌门人面前的重要选择。未来如何平衡技术与量产的产业两端,做到兼具合成生物学之“名”，又有生物制造之“实”将会极大程度上决定企业在资本市场上的表现和后续自身的发展空间。
第六章产业链分析
6.1上游技术发展逐步颠覆下游应用环节
从“替代”到“颠覆”，生物制造产业化的核心环节从产品替代开始，逐步走向部分传统行业的颠覆。
6.1.1微生物底盘库是生物制造可持续发展的保障
在生物制造领域，微生物菌株在工业、农业、环境及健康等不同领域的广泛应用有着悠久的历史和越来越重要的作用，是现代工业生物技术的核心。其中，多样性的微生物库和菌种库，通过海量底层“硬件”库中筛选挖掘关源及其相关基因库是生物制造领域的底层“硬件”键生物催化元件-酶及基因编辑系统，构建生物制造产业的生物催化系统及工程菌株“CPU"实现低碳绿色生物制造。随着合成生物学技术发展与应用，研究人员逐渐从利用自然界分离得到的自然菌株或菌群过渡到结合以诱变或/和自然进化为主要手段的方式，及基于合成生物学技术对于模式微生物底盘重编程的工程菌株设计构建。
6.1.2基因编辑作为上游技术构建生物制造企业的技术壁垒合成生物学关键的底层技术，包括基因的读(DNA 测序)、改(DNA 编辑)、写(DNA 合成)，菌株的选择与改造等。基因测序、基因合成和基因编物学技术的专利布局进入加速期，相关专利的申请量快速增长;2015 年以来，合成生物学产业投资加速。基因编辑等核心技术的成本下降是推动合成生物行业发展的重要驱动力。
在基因编辑领域，以 CRISPR/Cas9为代表的技术正引领一场基因编辑的革命。基因编辑技术共分为三代,其中第三代 CRISPR/Cas9 采用 RNA-DNA 识别模式,具有广泛的切割位点,基因编辑效率超过 30%，已基本逐步替代前两代锌指蛋白核酸酶(ZFN)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)技术。2022年9月，Vertex 公司和 CRISPRTherapeutics 启动了 CRISPR/Cas9体外基因编辑疗法 Exagamgogene Autotemcel(Exa-cel,CASGEVYTM)的的上市申请,并于 2023 年11 月 16 日由英国药品监管机构 MHRA 正式批准其有条件上市，用于治疗镰状细胞病(SCD)和输血依赖性 B-地中海贫血(TDT)。这是全球首款获批上市的 CRISPR/Cas9 基因编辑疗法药物。此外，中国在基因编辑的底层专利严重缺位，核心专利及底层技术被美国垄断，意味着使用现有基因编辑技术从事任何产品的商业化开发和应用将会受到极大限制，如何解决基因编辑技术的卡脖子问题是国家发展和战略布局的迫切需求。
在细胞代谢途径的构建和改造中，基因编辑技术被广泛使用，不仅开发和设计出了新的基因编辑元件、工具和基因线路，还成功地应用于微生物细胞底盘的构建。具备技术优化和迭代能力、能够提供更加精确、灵活且具有成本优势的基因编辑服务商以及 CDMO公司将在未来 3-5 年随着生物制造产业的成熟，逐渐成为焦点。
6.1.3基因合成技术的持续发展将进一步为上游技术服务企业带来发展机会
基因合成方面，过去 20年中，合成长片段基因的成本下降了接近1000倍。目前已经成熟的柱式合成法存在依赖于危险试剂和溶剂，同时效率、通量低下，成本较高等问题。超高通量芯片合成技术以芯片作为 DNA 合成的固相载体，一次可合成十万余条寡核苷酸，成本可以低至柱式合成的 1/10000，是基因合成领域的重要趋势。在该领域，芯宿科技率先提出并自主研发了国内首款电化学合成芯片，在短链DNA 合成方面极具潜力，开启了国内以硅基芯片驱动生物技术半导体化的创新趋势;金斯瑞 2022 年通过收购 Customaray 推出了业界最高通量的DNA 合成平台，该平台搭载4个高通量半导体芯片，能够1次合成超过 57 亿个寡核苷酸。第三代酶法长链 DNA 合成技术，国外已实现长链DNA 合成POC，并在近期开始实现商业化突破，2021 年DNAScript 推出世界首台采用酶促技术的台式DNA 打印机SYNYAX 平台，并于2022 年实现初步商业化推广。目前，DNA 长链合成能力已集中在专业试剂制造商中。AgjlentTechnologies、GenScript, IntegratedDNATechnologies、 ThermoFisher、 TriLink, Dharmacon、 'TwistBioscience 等领先供应商按需生产各种格式的定制 DNA(和RNA)。在国内，中合基因首次开发鸟类来源高效的工程化 TdT 酶，在此基础上于 2022 年7月完成国内首台 DNA 生物合成仪原理样机开发，实现合成长度50nt，单步合成准确率 99%。随着 DNA 合成技术的进步，DNA 合成的成本及门槛都会进一步降低，更多的专业化、低成本、高质量 DNA 合成服务商将会涌现，为生物制造产业的发展提供支持与服务。
6.1.4分子酶和工业酶的“国产替代分子酶作为分子检测试剂最核心的部分，包括 DNA 聚合酶、逆转录酶、UNG 酶等。
由于技术门槛较高，分子酶长期被罗氏、赛默飞、宝生物、伯乐等进口品牌主导。数据显示，国内公司包括翌圣生物、康为世纪等市场率均不足5%,国产替代进度较慢。其中,技术难度高、客户对质量稳定性要求较高成为替代缓慢的主要原因,下游客户更倾向于原料性能突出，产品批间差小，稳定的进口原材料供应商，工业酶作为生物催化中的重要环节，获取性能稳定、成本低廉的酶是下游产品类企业的刚需，常见的工业酶包括蛋白酶、脂肪酶、溶菌酶、各类差相异构酶等，目前 75%以上的工业酶市场份额被诺维信、杜邦、Codexis 等海外龙头公司垄断。
国内，酶赛生物围绕蛋白质工程(酶的定向进化技术)和代谢类多酶串联工程,搭建了自己的合成生物学平台,用以满足在医药中间体、工业化学品、食品保健品、材料、医美等多个领域均有不断增长的需求;引航生物构建了系统而高效的酶催化生物合成平台，已有多个产品实现了商业化量产，此外，其还拥有着 20余种新产品的研发管线。分子酶与工业酶存在巨大的国产替代空间，而酶的开发、改造、生产都存在较高的技术壁垒，对国内公司提出了较大的挑战。如何提高自身研发能力、如何保证产品的稳定性等方面是国内的分子酶和工业酶产业实现高效化、准确化进步的关键。
6.1.5基于产物的无细胞生产体系，突破活体底盘概念
现有的蛋白质表达技术通常是活细胞系统，包括原核细胞系统，如大肠杆菌、链霉菌、枯草芽孢杆菌等，和真核细胞系统，如昆虫、酵母、哺乳动物细胞。得益于成熟的细胞培养技术和转基因技术(转入蛋白表达载体)，这些基于活细胞的表达系统在蛋白质纯化中已经广泛应用。然而，活细胞表达系统的主要劣势在于:1)表达量受限:活细胞的能量中大部分被用于自身的繁殖和扩增;2)受限于纯化技术:细胞破壁后进行蛋白质表达，会破坏蛋白质结构;3)某些蛋白具有细胞毒性:如肉毒毒素这类神经毒素蛋白，表达过程中会导致细胞死亡。基于这些方面，无细胞蛋白质合成(cell-free proteinsynthesis，CFPS)系统，正逐渐进入商业化应用。CEPS 是一种快速而且能高通量表达目标蛋白质的技术,是以外源DNA 或 mRNA 为模板,在细胞裂解液提供多种酶的作用下通过补充底物和能量物质来实现蛋白质的体外合成。
6.1.6上游原料和中游生产耗材，收益相对有保障
除技术及服务领域外，生物制造产业链上游所涉及的氨基酸、核酸等原料、分离纯化耗材等领域亦有望在产业发展推动下率先获益。比如生物医药领域 GLP-1 类药物和小核酸药物等市场规模高速增长将带动固相合成载体和相关树脂、色谱填料等方面的需求。外资巨头产品线完整、技术领先，国内厂商是追赶者。以吸附分离材料为例，从全球产能分布情况来看，境外
产能约占全球产能的 53%，其中美国陶氏化学、德国朗盛、美国漂菜特、日本三菱化学、住友化学等跨国企业的产能合计占全球的 46%。外资企业凭借产品线完整、技术领先，具备先发优势，在高端市场占据大部份市场份额。国内企业如蓝晓科技、纳微科技正通过产品品质、工艺稳定、客户黏性方面的先发优势逐步缩小和国际巨头的差距。作为生物合成制造产业化的关键步骤，产品的分离提纯成本占到总成本的 60%以上，高附加值产品的分离成本甚至可以达到90%。上游和中游领域存在巨大的国产替代空间，预计 2033 年将达到 277 亿元。以国内客户的需求为导向，拥有较强的工艺技术水平、长期的经验积累和较强的新产品开发能力的企业，有望在生物制造浪潮中逐步和国际巨头形成竞争。
6.2下游产品赛道
6.2.1食品添加剂
合成生物技术可将生物质原料转化为食品重要组分、功能性食品添加剂等。这是解决食品领域所面临的可持续、环保等问题的重要途径，也可以颠覆现有的食品生产与加工的方式。在食品领域的应用涵盖肉类、乳制品、功能性饮料、调味剂和其他食品添加剂等多个方向。2022年，我国食品添加剂主要品种销售额达到 1441 亿元，利用合成生物学生产的添加剂占比预计到 2022 年为 5%，销售额约 86 亿元。
目前我国合成生物技术在食品领域应用的细分赛道内，主要玩家大多集中在合成新型食品添加剂等细分赛道，其底层选品逻辑依旧是从市场空间广阔维度和快速上量。采用合成生物技术，一方面可以以更优的生物生产工艺替代天然提取或化学合成，以期获得更高的产量、更低的成本、更广泛的应用;另一方面可以合成新型的功能性添加剂产品，构建新的产业链。
法规层面，中国对新兴食品的审批和监管仍然保持严格的。在我国，新兴食品原料的平均审批周期约为 12 个月，而涉及到合成生物相关产品的审批首先需要由农业农村部对其生物安全性进行评估。随着国家对生物制造战略的重视程度日益提高，国内监管与审批的壁垒也在逐步被打破。2020年支持建设合成生物创新中心、2022年提出“探索新型食品，实现食品工业化迭代升级，降低传统养殖环境资源压力”、2022 年转基因来源的食品营养强化剂公开征求意见等菌展现出对合成生物技术主导的新食品的政策利好态势。HMO 审批通过更表明生物合成食品添加剂产品在国内获得重大进展。2024年3月13日，国家卫生健康委员会发布公告批准了多款食品添加剂，其中，弈柯莱生物自主研发的甜菊糖苷(酶转化法)成功通过审批，成为国内首家。另外，公告显示2’-岩藻糖基乳糖(2’-FL)的安全性评估材料审查通过，这标志着又一款 2’-FL 被中国法规批准。2023 年5月和2024年4月，两个不同供体的 D-阿洛酮糖-3-差向异构酶获批成为食品加工用酶制剂，对“D-阿洛酮糖”安全合规进入食品添加剂领域具有里程碑式的意义。随着合成生物技术的迅猛发展,新型食品添加剂的产业化开辟了一条新的道路。近期，众多生物合成的产品获得批准，且产品生产菌株包括大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌等不同类型的活细胞底盘，这不仅对重塑产业链具有重大意义,也标志着生物合成路径的产品正逐步走向合规化。
伴随着 2023 年监管政策进一步放开和消费者认知的进一步打开，合成生物技术在食品领域应用的未来前景将愈加明朗，其中功能性、零卡食品添加剂等领域有望成为2024 年新一轮投资热点。
在功能性食品添加剂领域，随着越来越多的功能性成份的代谢途径被“开启”，合成生物技术已广泛应用于类胡萝卜素(如番茄红素、β-胡萝卜素和虾青素)、甲萘醌-7(维生素 K2)、叶黄素和母乳低聚糖(HMO)等功能性食品的生物合成。HMOs(母乳低聚糖)是母乳中天然存在的聚合度≥3 的低聚糖统称,在母乳中是仅次于乳糖和脂肪的第三大固体成分，含量超过蛋白质，已作为功能性添加剂受到婴儿配方奶粉行业关注与重视。HMO 已获得欧洲、美国等主流市场监管机构认可，帝斯曼集团 2020 年宣布耗资 7.65 亿欧元收购丹麦 HMOs 领导企业Glycom，雅培、崔巢等国际龙头公司均已推出多款含HMO 的婴配奶粉。2023 年10 月，中国国家卫健委官网发布《关于桃胶等 15 种“三新食品”的公告》(2023 年第8号)，并进行了解读。其中:母乳低聚糖(HMO)成分，2’-岩藻糖基乳糖以及乳糖-N-新四糖作为食品添加剂新品种，安全性评估材料进行审查并通过，帝斯曼、IFF、虹摹生物成为国内首批获批的企业，其中由蒙牛和弈柯莱生物合资成立的生物制造公司虹摹生物是首个获批的中国本土企业。2024年3月，国家卫生健康委食品安全标准与检测评估司再发公告，又一款2-岩藻糖基乳糖 (2.FL)获批，这是 HMOs在国内的第二次获批，一兮生物成为又一家正式获批的国内企业。截至目前，国家卫健委共受理 2’-岩藻糖基乳糖(2’-FL)16 次，3 -唾液乳糖钠盐(3'-SL)3 次,6 -唾液乳糖钠盐(6'-SL)2 次，乳糖-N-新四糖(LNnT)1 次，3-岩藻糖基乳糖(3-FL)1 次，乳糖N-四糖(LNT)1 次，目前，相关审批工作正在积极有序地推进，未来有望在婴儿配方奶粉中科学地添加和应用更多的 HMOs 成分，从而使婴儿配方奶粉的成分和功能更加接近母乳。而随着国内 HMOs 的获批，飞鹤、君乐宝、伊利随即推出了添加 HMO 的儿童奶粉，可预见行业将迎来一波婴幼儿奶粉配方的革新。
另一极富潜力的应用方向为低热量的食品添加剂。合成生物技术也拓展到香料、甜味蛋白和甜味剂，用细胞工厂生产甜菊糖苷、阿洛酮糖等天然甜味剂对比传统的生产方式展现出了显著优势。
以阿洛酮糖为例，阿洛酮糖是自然界中天然存在但含量极少的一种单糖，是天然稀少糖的代表，其甜味与蔗糖类似，但几乎没有热量，且可与食物发生美拉德反应(炒糖色、烘焙)，研究还发现阿洛酮糖可促使胰岛素正常分泌，降低肠道对葡萄糖的吸收。阿洛酮糖可广泛应用于厨房烹饪、乳制品、饮料、烘焙等领域,被认为是最具潜力的新一代“健康糖”。根据 InnovaMarket Insights 调查结果显示，从 2014 年到 2018 年，含有阿洛酮糖的食品和饮料上市数量年均增长率为 45%。传统的酶转化法面临着转化率偏低、分离提纯困难等问题，导致成本居高不下，限制了其市场应用。微元基于合成生物研发平台，全球独家开发了发酵法阿洛酮糖生物制造技术。通过从自然界寻找合适的基因，借助 AI设计、基因模块化组装、酶分子改造与筛选等策略，将全新的阿洛酮糖合成途径整合入 GRAS 菌株，实现了以葡萄糖或粗蔗糖为原料，高效率发酵生产阿洛酮糖，无需复杂的色谱分离就能结晶出产品。由于生产过程与很多传统发酵产品类似，微元开发的阿洛酮糖的全新生物制造技术可以盘活国内庞大的发酵产能,极大地降低阿洛酮糖的生产成本，为阿洛酮糖成为继蔗糖和果葡糖浆之后第三款被广泛使用的大宗糖打下基础。根据 Trend Tracker 2023 显示，超过 75%的亚太地区消费者有减糖的需求，这已成为消费升级的热门趋势，从2017年到 2022年，减糖新产品的发布以平均每年约 12%的速度增长，2021 年至 2022 年全球发布的新产品中有 2%标记了减糖主张。我们认为，合成生物技术生产新一代健康糖将成为近年来新食品原料的重要发展方向之一。
6.2.2替代蛋白、氨基酸
“大食物观”拓展了传统的食物边界，“新食品”应运而生，要从耕地资源生产食物，转变为全方位、多途径开发食物资源，向植物、动物、微生物等要热量要蛋白。创新蛋白来源、食品原料和食品工业配料,开发用于食品生产的细胞工厂,拓展食品边界成为“新食品”的关键推动力。现有的食物蛋白主要依赖于养殖业和种植业，存在环境污染、土地占用和用水较多等问题。传统的蛋白质生产方式可能难以满足未来人类的生产和生活需求，同时也难以实现环保和资源节约等可持续发展。
在此背景下，食品产业一直在探索更大规模、更低成本、可持续的新型蛋白质生产方式。其中，替代蛋白是一种有效且可行的解决办法，也是未来食品研发的重要方向。替代蛋白市场处于发展初期，截至 2020 年替代蛋白市场仅占全球蛋白质零售市场的 2%，据波士顿咨询数据，预计 2035 年替代蛋白会占到全球蛋白质消费的11%-22%。
目前主要替代蛋白研究方向主要包括高附加值蛋白与微生物蛋白。高附加值蛋白，主要包括乳蛋白、卵蛋白、血红素类蛋白以及乳铁蛋白等，高附加值蛋白在当前阶段具有较大的市场竞争力,同时,食品作为大众消费品,无法做到持续的高利润空间,当市场空间充分打开后,势必迎来同类产品的价格竞争。微生物蛋白是蛋白质来源的新渠道,微生物菌体来源的蛋白具有生长参数稳定、培养基物质高效利用、不需要杀虫剂或抗生素等优势，微生物生物质比动植物更有经济价值。微生物蛋白作为规模化替代蛋白产品，大多以真菌蛋白为主，产品以品质改善和蛋白补充原料供应为短期内的产品形态。
国内外的投资机构均对替代蛋白行业抱有高度热情，2024 年初，贝佐斯地球基金宣布将斥资 6000 万美元建立贝索斯可持续蛋白质中心,这属于贝索斯地球基金 10 亿美元用于粮食转型项目的一部分。该中心中心通过推进科学技术进步降低生产成本、提高质量和味道以及增加替代蛋白质的营养价值。
此外,氨基酸相对食品行业的蛋白替代起步更早,发展更成熟。国内氨基酸有充沛的产能。氨基酸、维生素和矿物质属于三大饲料添加剂，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质，被广泛用于畜产饲料中作为营养补充剂和生长发育促进剂，也可用于健康食品、膳食补充剂、医药产品、人工甜味剂和化妆品等市场。大宗饲料添加剂氨基酸主要包括蛋氨酸、赖氨酸和苏氨酸等。2022 年，我国大品种氨基酸如赖氨酸产量 255 万吨，净出口144 万吨，国内用量约100 万吨;蛋氨酸产量 44.3 万吨，用量 40 万吨;苏氨酸产量 84 万吨、净出口 54.5 万吨。
蛋白质作为重要的食物来源以及饲料来源，其在整个经济链条上具备不可或缺的重要地位。目前国内市场尚处发展初期，但随着中国肉类、与饲料原料消费的不断增加，替代蛋白可填补中国未来蛋白质缺口。
6.2.3香精香料
香料(Perfume)是一种能够通过嗅觉感知的芳香物质，而香精(Fragrance)则是由各种单一的香料组合而成的复合香气。人类使用香料的历史已有超过5000年，自 19 世纪以来，全球香料工业得到了迅速的发展，从食品到日用品，人们越来越离不开各种香料成分。全球香精香料市场保持稳定增长，2018年，全球香精香料市场收入在 276 亿美元;而来到 2022 年，全球香精香料收入增长至 292亿美元。其中，亚洲市场占到了全球市场份额的 40%。
目前，香精香料生产的主要方式是香料植物的天然提取或化工产品的化学合成。合成香料的原料来源广泛，生产成本较低，毛利率在 20-40%之间浮动;而天然香料主要来自于香料植物，资源有限，易受到耕地、气候等各方面影响，导致生产成本和附加值均较高，毛利率在 30-50%之间。香精香精生产所需的技术研发要求高，产品的附值也相对较高，其中烟草香精毛利率高达到 70%-80%。
近年来，随着居民生活水平的提高和对身体健康的关注度不断增强，全球食品饮料行业趋向生产更多由天然原料制成的产品，天然香料的需求呈不断上升的趋势，逐渐成为了香精公司未来发展中重点布局的产业。然而，香料植物容易受自然界气候影响，年产出不均衡，造成原材料供应量和价格不稳定。合成生物技术正逐渐成为一种重要的香料生产技术,通过微生物发酵实现香料更稳定、更高效的生产，同时由于拜托了耕种、花期、亩产的影响，其生产成本可降低 50%以上。
除了天然提取和化学合成，生物合成技术已成为国际香料龙头企业的关注焦点。这些企业正通过收购、合作开发和内部孵化等多种方式,积极布局合成生物技术在香精香料生产领域的应用。2019年，巴斯夫(BASF)收购了荷兰生物技术企业 Isobionics，新增了巴伦西亚烯、圆柚酮等 10 种发酵技术香料产品;同年巴斯夫与生物科技公司Conagen 签署了合作协议，生产天然发酵香兰素。2020年，奇华顿(Givaudan)收购了法国生物科技公司 Alderys，同时与酶制剂供应商诺维信(Novozymes)达成研究合作，探索食品和清洁领域的可持续解决方案。2021 年，帝斯曼(DSM)收购美国生物技术公司 Amvris 的香精和香水业务，该交易将为帝斯曼现有的个人护理和香气成分活动中增加 7种中间产品，扩大其在香精香料和化妆品行业的生物基成分的产品。国内新和成同样在积极探索合成生物技术在香精香料工业中的应用。新和成目前拥有丰富的香精香料品种，主要包括芳樟醇、柠檬醛、叶醇、二氢茉莉酮酸甲酯、覆盆子酮等，并依托化学合成与生物发酵两大技术平台不断推出一体化、系列化、协同化香料新品种，拓展香茅腈、β-苯乙醇、桃醛、柠檬腈、[-薄荷醇等品类。
随着天然香料的需求逐年提升,生态环境压力下原料供应的稳定性成为香精香料产业关注的重点。合成生物技术正逐渐成为天然提取与化学合成之外的又一香料重要生产技术。
6.2.4生物基材料
合成生物技术通过以可再生的生物质材料为原料，对石油、煤炭、天然气等不可再生资源进行替代，可提供环保、可持续发展的化工产品制造方法，能较大程度改变和颠覆以化石能源为基础的传统化工制造体系。而经过生物合成技术改良或优化的新型材料又被统称为生物基材料，其又可根据市场需求量/产量的大小分为大宗商品、特色商品与定制商品，对应的量产级别分别为千吨/万吨级、吨级、千克级;对应价格依次提高，大宗商品的定价往往在每千克几十元或百元，定制产品每千克或可高达数万元。其中，生物基材料作为行业关注的焦点，受到了广泛的关注。生物基材料(Bio-based Materials)，是指利用可再生的生物质为原料(包括谷物、豆科、秸秆、动物皮毛等)，制造的一类材料或其单体。按照产品属性，生物基材料可分为生物基聚合物、生物基塑料、生物基化学纤维、生物基橡胶、生物基涂料、生物基助剂、生物基复合材料等。生物基材料产业是一片广阔新蓝海，据全球经济合作与发展组织(OECD)预计，目前生物基材料的替代率不到5%，潜在的替代规模接近6000 亿美元。中国生物基材料正处于科研开发走向产业化规模应用关键时期。近年来，我国生物基材料市场规模持续扩张，由2014年的 96.9 亿元增长至 2021 年的 199.2亿元，CAGR 为 10.9%。2021 年，中国生物基材料产量 700万吨、产值超过 1500 亿元，占化工行业总产值的 2.3%,并在塑料制品、纺织纤维、医药器械、涂料、农业物资、表面活性剂等方面得到广泛应用。
生物基可降解塑料是生物基材料应用最早被接受的应用场景之一，根据 Markets and
Markets 预测,全球生物塑料市场到 2026 年将达到 297 亿美元(2057亿RMB),CAGR 为 22.7%,增长主要归功于中国、印度和印尼等亚太地区。
生物基可降解塑料的代表产物是聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)等，具有环境友好、原料可再生、可生物降解等特性。PLA自 1954 年杜邦公司开始研究生产至今，已成为产业化最成熟、产量最大、应用最广泛的生物基可降解塑料。国内中科院系及传统制造公司如河北华丹、丰原股份、浙江海正、金丹科技等成为领域内的主要玩家。PHA 为生物基可降解塑料领域更新的业态，是唯一能在海洋和土壤中快速降解的材料,同时拥有优异的化学性能。PHA 产品的合成与商业化已历经四次迭代，目前使用革兰氏阴性菌、嗜盐单胞菌等作为底盘细胞的生物合成法已成为主流合成方法。微构工场于 2023 年官宣多项合作，包括与恒鑫生活签署 PHA吸管和淋膜以及注塑制品合作订单、与光华伟业达成深度战略合作探索 PHA 在 3D 打印中的应用、与苏尔寿合作探索 PHA 的工艺与产效提升等。总体而言，PHA 作为一种全新的业态在商业化层面仍然处于探索阶段。其他代表性的生物基材料包括生物基聚酰胺(PA)，聚酰胺具有良好的力学性能，在工业上广泛应用于电子电器、汽车、力学组件等等，生物法制造长链二元酸、生物基戊二胺、生物基聚酰胺等产品的技术开发和产业化往往需要大量的时间，且失败率极高，投资规模大，具有显著的技术壁垒。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，其基于自产的生物基戊二胺与二元酸的缩聚得到生物基聚酰胺产品，如聚酰胺-56(PA56)。
1,3-丙二醇(PDO)生产 PTT 聚酯纤维的重要原料,PTT 聚酯可用来生产 PTT 纤维进而应用于服装、地毯等行业。上世纪 90年代壳牌(Shell)等国际材料巨头使用化学法生产 PDO;2005年后，由于全球石油能源价格上涨，加之原料不可再生，生物发酵法通过成本优势逐渐淘汰化学法。生物法生产 PDO 以甘油或葡萄糖为原料，反应条件温和、过程绿色无污染、生产成本低、产物易于分离，杜邦公司(Dupont)是生物法生产PDO的典型代表。杜邦开发了以葡萄糖为底物在基因工程菌的作用下以一步法生产 1.3-PDO 的技术，并且将产量提升至 126g/L 以上，接近细胞极限，大大降低生产成本，开创了生物发酵法制备PDO产业化技术的先河，在PDO领域保持 20年的垄断。2022年，杜邦将旗下的生物及业务出售给华峰集团。国内清大智兴团队较早开发了以甘油为底物生物法生产PDO的技术,2017 年底精甘油价格上涨到七千多元/吨，为应对原材料价格波动导致生产成本上升，团队对技术进行了持续的选代。当前，清大智兴已掌握“甘油+糖多原料 PDO 发酵技术”，并成功实现产业化。
1,4-丁二醇(BDO)是另一种极富潜力的平台分子，广泛应用于氨纶、可降解塑料、聚氨酶、鞋材、新能源电池等众多领域。生产 BDO 的传统方法为石油基路线的电石炔醛法工艺,生产过程中能耗较高。生物法路线合成 BDO 反应条件温和、原料来源丰富，具备良好的可持续发展前景。生物法生产 BDO 的工艺分为一步法和两步法。一步法也叫直接发酵法，通过微生物的发酵将糖类物质直接转化为BDO。一步法生产工艺主要由 Genomatica 公司掌握，它通过在筛选过的大肠杆菌群中引入一个或多个编码 DNA 使其具有4-HBCOA 或腐胺途径酶,从而满足 BDO 生物合成的代谢设计。此外，Genomatica 还发明了一种用于增强甲醇还原当量的代谢途径，通过提高还原用甲醇当量从而进一步提高 BDO 的产率。两步法利用微生物发酵将葡萄糖转化为丁二酸，再用生成的生物基丁二酸来生产 BDO，工艺主要由中国科学院、清华大学等科研院所研发。目前，全球生物基 BDO 产能为7.5万吨/年左右。海外厂商分别为意大利 Novamont 和德国巴斯夫，产能均为3万吨/年，均采用 Genomatica 公司研发的一步法生产工艺，其生产的生物基 BDO并不对外出售，仅供自身用于制造生物基PBAT。山东元利化学1.5万吨/年的生物基 BDO 产线已投产,所使用的原料生物基丁二酸采购于山东兰典生物科技美国嘉吉、韩国晓星集团、国内的金发科技等企业均在布局生物基 BDO 产能，计划于 2024、2025 年陆续投产生物基化学品和材料行业已达到爆发的临界点，但是其成本和性能端依然有大量可优化空间。行业发展面临着极大的变化和结构性机遇:对于生物基材料这类大宗产品，其真正的竞争对手依然是传统的石油基产物。成本和性能上的差距成为了制约生物基塑料快速导入市场的限制因素。由于利润率不占优势，以及部分生物基塑料由于性能上的差距，需要更多产品迭代的时间以适应下游市场的需求。以PHA 为例，其生产成本是石油基聚乙烯和聚丙烯的 3-10倍，成为其商业化路上最大的问题。反观已导入市场的生物基产品，凯赛生物使用 2-3年的时间完成长链二元酸产品后端纯化工艺的优化，使得生产成本比传统方法降低 40%左右，其产品才真正开始进入市场。大宗生物基材料产品导入期与石油基原料价格直接相关。目前生物基材料的占比仅有 6%，石油基材料存在较大的生物基替代空间。全新的生物基材料若要开发更能被市场接受的产品，也需要产业链深度配合。
6.2.5-非粮带来的原料替代机会
目前生物制造主要依赖第一代粮食作物及淀粉原料。中国作为全球生物发酵第一大国，发酵产品年产量2000万吨，消耗粮食近5000万吨。发展“不与民争粮，不与粮争地”的非粮碳源，是实现生物制造业可持续发展的重要前提。2023 年初，工业和信息化部等六部门联合印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，方案中明确到2025年，非粮生物基材料产业基本形成自主创新能力强、产品体系不断丰富、绿色循环低碳的创新发展生态，非粮生物质原料利用和应用技术基本成熟，部分非粮生物基产品竞争力与化石基产品相当，高质量、可持续的供给和消费体系初步建立。
当前非粮生物质资源利用主要集中在秸秆领域，主要原因是秸秆资源丰富。中国秸秆以粗放利用为主，饲料化利用主体占比达到 76.9%。国内企业在探索生物质秸秆高价值利用时面临秸秆集中收储困难、秸秆质地差异大导致产品收率不稳定，以及秸秆有效成分回收利用技术不足等问题。在原料预处理、糖化和发酵转化效率、综合成本控制等方面难度更大。工业菌种(群)与酶蛋白功能元件制备、非粮生物质标准化采收保存、非粮生物质高效糖化等关键平台技术正处于攻关爬坡阶段，与现有工艺技术进行耦合衔接亟待突破，经济性上不占优势也导致秸秆糖在生物制造产业内暂不具备商业可行性。
因此，秸秆之外的其他新型碳源为非粮原料在生物制造中的应用带来了破局的可能性。油脂是另一极富潜力的非粮原料。出于独特的饮食习惯和庞大的人口基数,中国废弃油脂来源广泛，但应用并不充分。根据国家粮油信息中心数据，2021年中国潜在废弃油脂产生量达 2100万吨。此外，国外棕榈油正寻求高附加值技术路线突破。除去油脂类碳源，甲醇作为一种结构最为简单的饱和一元醇，同时具备高能量密度、便于运输和储存等诸多优势，也具备大规模应用于生物制造的潜力。我国是甲醇产能大国，2021年底我国甲醇产能接近1亿吨，占全球约67%。利用可再生能源得到绿色氢气，并将CO2,还原成高附加值的甲醇，实现了二氧化碳接近零排放甚至负排放，是实现“双碳”目标的重要手段。未来随着可再生能源的普及化以及政策的支持，在良好的经济效益和环境效益下，绿色甲醇产能有望快速布局，助力我国“双碳”目标实现的同时，为非粮生物基材料提供绿色、价廉的原料。
碳平均价格(Average Carbon Cost)是指原料中可用于化合物合成的每千摩尔碳的成本,即: Average Carbon Cost =(average molecular weight X price per ton)/(1000X average carbon atomnumberper molecular)。根据微元合成测算，油脂(千摩尔碳平均价格:58-96 元/kMoIC)和甲醇(千摩尔碳平均价格:31-93 元/kMoIC)原料的原子经济性、摩尔碳被生物利用时释放的能量均显著高于葡萄糖(千摩尔碳平均价格:53-135 元/kMolC),在合成代谢过程中更具有优势。我们认为,通过油脂、甲醇等具有原子经济性的非粮原料替换粮食、薯类等原料制成的淀粉糖有望重塑整个发酵产物产业链，为行业带来颠覆性的机会。
6.2.6-GIP-1
2022 年，全球糖尿病药物的市场规模为 596 亿美元，其中销售额前2位为司美格鲁肽和度拉糖肽，均为 GLP-1 受体激动剂。得益于“减肥神药”的口口相传，司美格鲁肽在近两年受到消费者、患者以及资本的高度关注。司美格鲁肽自上市以来，其销售额迅速上升，2023 年注射型、口服型降糖药以及减肥针三种剂型司美格鲁肽销售额首次突破百亿美元，达到 212 亿美元，翻倍增长，增长势头强劲。
在 GLP-1 激动剂带起的这波热潮下，多肽赛道也成为新药研发领域最值得关注的热点之一。多肽药物研发与生物制造产业的发展相辅相成。利用基因工程、蛋白质工程、酶工程，发酵工程等合成生物技术生产多肽，可实现多肽分子的高效表达，更有利于降低药物生产成本，提高生产效率。能够进行多肽的规模化制备的生物制造企业，为开发多肽药物带来极大助力。诺和诺德原研的司美格鲁肽是通过基因重组技术，利用酿酒酵母细胞生产的人胰高血糖素样肽-1 (GLP-1)类似物。诺和诺德选择了酿酒酵母细胞作为底盘，辅以发酵工艺和生物方法进行主链合成，研发了司美格鲁肽这款“神药”。除了酿酒酵母细胞底盘之外，大肠杆菌细胞底盘也在研发阶段获得了较好的进展。其中，最为代表性的便是质肽生物，其已经建立了四个技术平台，其采用经工程改造的大肠杆菌开发和生产重组蛋白质药物，用于治疗肥胖症、糖尿病以及非酒精性脂肪性肝炎等。底盘选择在 GLP-1 药物研发中至关中重要，生物利用度、工艺稳定性、生产效率均与底盘的选取息息相关。
在司美格鲁肽的药物在华专利将于 2025 年到期、且国家知识产权局在 2022 年已判定其核心专利全部无效的背景下，GLP-1赛道的竞争也进入白热化的下半场。一方面司美格鲁肽生物相似物将会陆续获批，各大药企将进行激烈的商业化竞争。另一方面，口服产品管线将会进入临床比拼，究竟是口服多肽 GLP-1 还是口服小分子 GLP-1 更胜一筹仍然需要等待时间和临床结果的检验。其中，多肽 GLP-1通常具备高安全性、高选择性、高效性，但是受制于产能、生物利用度以及稳定性等原因，仍然需要较长的时间进行产业转化。
GLP-1 药物产业发展迈入“差异化创新”时代，行业内企业将会围绕“生物利用度足够高的创新制剂”、“超长效”以及“靶点创新与协同”三个方向进行布局。同样的,GLP-1 类药物上游企业在热度带动下也正处于高速发展期,多肽合成试剂、分离纯化原料、多肽固相合成工艺、多肽 CXO 等赛道也将具备显著的投资机会。
第七章中国发酵产能行业分析
中国年均发酵品总产量超过 3,000 万吨，稳居全球第一，占据了全球约 70%的发酵产能，在氨基酸、有机酸和维生素等大宗生物发酵制品的产量上全球领先。充沛的产能为生物制造企业带来新的出海机会。生物制造企业需根据其下游产品的特性来制定相应的海外拓展策略和目标市场。以工业化学品为例，产品(如生物基可降解塑料)可借助欧洲联盟的政策导向，首先在欧洲市场取得突破。2023 年11月，欧洲议会环境委员会(ENVI)通过了“包装和包装废弃物法规”(PPWWR)的拟议修订案,旨在促进再利用和回收并解决不断增长的塑料包装废弃物问题。PPIWR 主要涵盖三大目标:防止包装废弃物的产生、促进高质量回收和增加包装中回收塑料的使用，计划到 2030年让所有包装变得可重复使用或可回收。在欧盟的ESG 政策推动下部分生物基材料的成本劣势被弱化，为出海创造了极为有利的机会。到 2023 年，欧洲生物塑料约占全球市场份额的 25%，欧盟有望成为 PHA 产品最大的下游市场之一。中国已走在 PHA产业化前列，规划产能超过10万吨，有望率先进入欧洲市场。
对于食品添加类产品，北美、澳新等海外市场需求可快速消化国内企业产能。海外部分国家较早通过了某些生物制造产品的审批。以阿洛酮糖为例，阿洛酮糖已在美国、智利、哥伦比亚、哥斯达黎加、新加坡、韩国、日本等 13 个国家/地区获得食品批准，2022 年其在北美市场的增速更是达到了 164%。我国丰富的产能优势为阿洛酮糖产品出口提供了可能。据统计，目前全球阿洛酮糖产能达到 2.4 万吨，其中我国产能为 1.4万吨，约占全球的 58%。国内的发酵基础、较低的人工成本等因素使得我围阿洛酮糖产品在海外市场具有较强竞争力。甜菊糖苷系列分子 2011 年陆续被欧盟委员会授权在欧盟的食品和饮料中使用;美国 2008 年至今更是有近50 种不同组成及生产方式的甜菊糖苷获批，使用酶促法和生物发酵法生产的代糖原料瑞鲍迪苷 M 也被批准使用。在国内法规中报期内，产品出海可为企业带来更多的市场机会。
医药领域，中国创新药的出海持续保持火热，自2019年以来，已有7款国产创新药品在美国获得批准上市,国内 [icenseOut 呈现常态化增长,海外拓展程度不断加深,以CGT、ADC、双抗等为代表的生物创新药国际化进程正加速推进，在全球市场和跨国药企交易中逐渐崭露头角。此前，从出口源来看，中国生物制药行业的主要出口目的地包括日本、韩国、欧盟和美国等四个国家。而随着“一带一路”倡议的推动以及东盟国家经济的增长、全民健康覆盖(UHC)比例的提高以及人口老龄化的加剧,东南亚地区高品质医疗保健的需求持续上升,成为一些生物医药企业国际化战略中的优先选择。国内的生物类似药、低成本生物创新药在未来东南亚市场具有较强的竞争力，越来越多的中国药企加入这一热潮,但当地的准入和支付能力仍为主要挑战。除产品端的出海机会外,“一带一路”战略也为区域间生物制造产业的合作带来多样性机会。东南亚市场大力支持生物制造产业的发展，绿色经济成为中国与东南亚国家的合作主旋律以泰国为例，泰国正在积极探索与推广BCG 经济模式，以应对全球性气候变化的挑战，也为本国国际竞争力的提升提供解决方案。BCG 经济模式是以发展生物经济(Bio Economy)、循环经济(CircularEconomy)和绿色经济(GreenEconomy)三大领域为基石，重点关注四大战略领域--农业与食品、健康与医疗、能源材料与生物化学、旅游和创意经济。为进一步推动国内外投资者对BCG 产业的投资趋势，泰国出台多项促进投资的激励措施，推动投资者加大对泰国生物技术、生化生产、沼气和生物能源生产、食品和动物饲料生产、清洁回收设施建设等产业的投资兴趣。
在产品端外，一带一路沿线国家丰富的非粮资源将在原料端给予国内生物制造企业更多的选择。
以印尼为例，印尼是棕榈油全球第一大国，2022/2023 年度印尼棕榈油产量 4650万吨，占全球棕榈油产量的 59%。此外,印尼还有丰富的废弃农作物、藻类和木材资源,非粮资源禀赋。同为“一带一路”国家的哈萨克斯坦作为最大的内陆国家,幅员辽阔,拥有各种植被和荒漠植物资源。这些植物可能包括藜麦(chenopods)等荒植物，可作为潜在的非粮原料资源，而哈萨克斯坦的农业总产值占第一产业总产值的比重保持在 99%以上,有着丰富的农业资源,例如稻壳、麦秸等农作物残余物。
生物制造面临多种的出海选择,生物制造产业在世界范围内存在丰富资源整合与合作机会。未来中国企业在“一带一路”国家投资建厂、生物制造产品向欧美和中东出海等模式将会愈发常见，产生区域产业链发展与合作将会更加紧密。
第八章合成生物学在 AI 浪潮中寻求更有效的结合点，AI 技术突破性进展进一步加快了生物制造产业革新的步伐
8.1AI 技术、数据科学和自动化技术与合成生物学的紧密结合将掀起新一次 BIO-AI 生物革命浪潮
AI 技术突破性进展进一步加快了生物制造产业革新的步伐，Bio-AI 模型大幅提升了从研发到生产的效率，高质量数据库和样本库的积累逐渐成为产业竞争的关键。合成生物学被用于设计生产发酵所需的生物系统，基于工程设计原则，利用工程可预测性控制复杂系统构建的“设计-构建-测试-学习”循环(DBTL)。当前，人工智能已在基因线路、代谢工程、基因组工程等合成生物学领域广泛应用，既有助于提升生物工程的研发效率，还能够降低研究门槛成为推动合成生物学发展的有力工具。具体来看，AI对合成生物学的基因编辑效率、代谢途径优化、生产过程优化、蛋白质设计等方面均具有较大提升作用:
1)提高基因编辑的精度与效率:AI 在基因编辑中的应用主要体现在提高编辑效率、减少非特异性剪切和预测编辑结果等方面。
2)指导蛋白质设计:AI在蛋白质设计领域的应用主要集中在预测蛋白质三维结构、设计具有特定功能的蛋白质以及优化蛋白质的稳定性和生物活性等方面。
3)优化代谢途径与生物生产过程:AI在代谢工程领域主要用于优化代谢途径、调控基因表达以及预测微生物生产性能等方面。
以 MetaNovas 为例，作为有代表性的 Bio-AI 结合型生物制造企业，其研发的 MetaKG 知识图谱能快速分析寻找，预测识别出生物活性物质是如何影响特定的健康区域，分子通路以及受体。公司力图通过 AI驱动功效性原料及产品的革新，目前建立了百万级别的功能肽库。通过 AI 平台已探索并设计出上百个具有抗氧化，祛痘，疤痕修复，防脱发等功效的全新多肽分子。
除了上游研发，AI 赋能的生物制造生产环节也有更多的创新机会。人工智能技术在生物制造中有广泛应用，AI 可以通过数据积累、机器学习等方式，找到最适宜的生产参数，比如发酵罐的搅拌方式、转速，生产过程中的温度、压力、流量、搅拌转速、液位、pH 值、DO 值(溶氧量)、排气、菌丝密度、电导率等。通过 AI 找到最优的生产条件，可以实现以下目标:1)优化生产过程(快速提高生产效率、优化流程提供方便，支持实时生产过程优化和调整);2)自动检测和质量控制(通过 AI监测、机器学习等技术，人工智能可以减少质量变异，确保高品质产品的生产);3)智能决策(使用机器学习、自适应控制算法和传感器来收集与处理生产过程信息和质量特征)。
在 BIO-AI 浪潮之下，国内生物制造企业华恒生物、凯赛生物、嘉必优等科上市公司存在较大机遇和先发优势。受益于 AI技术发展，领军企业的产品构建和商业化有望显著提速，与此同时，高质量数据库和样本的积累有望成为公司较为重要资产和独特的竞争壁垒。以健康元为例，其于 2020年便开始投资布局 BIO-AI 相关基础设施;2020年末，健康元药业集团和丽珠集团共同成立健康元生物医药研究院，致力于采用先进的合成生物学手段,通过微生物基因组挖掘，利用天然或人工生物学元器件对微生物等生命有机体的遗传物质进行设计、改造及从头合成，结合发酵代谢工程和蛋白质定向进化的方法构建高效细胞工厂。2021年初，健康元与腾讯量子实验室达成战略合作，共建量子 AI 计算赋能的微生物合成生物学研究及相关药物研发系统。这个系统研究方向所覆盖的生物大数据分析、蛋白质计算模拟和结构预测、全基因组定制化创制等前沿技术,辅助开展的小分子、大分子乃至微生物活体细胞药物相关表达组件拼接、分子结构模拟等研究，几乎都是创新药物研发的新晋热门路径。2021 年 11 月，健康元研究院、丽珠集团 BD 总部与腾讯量子实验室合作项目公布了新的进展，三者已联合开发了一种基于深度学习的用于预测潜在生物合成基因簇(BGCs)的算法架构，并将研究论文成功发布于生命科学预印本乎台“bioRxiv”上。我们认为，未来1-3年内，生物制造企业与具备人工智能开发能力的企业将涌现出更多强强联合的案例，从而促进人工智能在生物技术领域的应用。
8.2全球合成生物学领军企业已提前布局，通过收购、合作入局 AI技术，布局上游产业
2024年2月，全球合成生物学领军企业 Ginkgo Bioworks 发布公告宣布收购两家人工智能驱动的药物发现初创公司 Reverie Labs 和 Patch Biosciences，本次收购旨在提高 Ginkgo 在人工智能药物设计和机器学习基因药物设计的平台化能力。公告表示本次收购是 Ginkgo 更广泛战略的一部分,旨在通过新的 Ginkgo 技术网络增强其研发产品。此前,Ginkgo 便与谷歌云建立了为期五年的云和人工智能战略合作伙伴关系，旨在使Ginkgo 能够开发和部署用于生物学和生物安全的人工智能工具。这并不是Ginkgo 第一次通过“买买买”的方式来拓展自身的商业版图，2022 年 10 月，Ginkgo 宣布收购 Zymergen,Zymergen 搭建了生物界的“谷歌搜索引擎系统，这套系统融合了 AI、自动化技术，实现了从上游生物基因数据库筛选分子、利用合成生物技术生产微生物、再到下游产品研发、生产、落地应用的全产业链条。
第一笔收购是 Patch Biosciences，Patch Biosciences 以其使用机器学习模型和检测而闻名这些模型和检测将增强 Ginkgo 现有的服务能力,为其遗传医学工具包增添宝贵的功能和资源。第二笔收购是 Reverie Labs，专门从事人工智能驱动的药物发现。人工智能通过促进生物系统的设计、构建和优化，在推进合成生物学的发展中发挥着至关重要的作用。
除了大举收购，Ginkgo 也在自建相关 AI 算法和模型。2022年 12月，公司宣布推出酶相关服务“Ginkgo EnzymeServices”。以超高通量筛选、机器学习指导的蛋白质设计以及专有的菌株优化技术作为支撑，Ginkgo 能提供从新酶发现、活性功能优化到规模生产各环节的解决方案。Ginkgo 利用其在 DNA 合成和高通量筛选方面的能力，合成了接近 1.09 亿个DNA 碱基对，筛选属于 12 个酶类的 7117 种酶，并评估了 2719 条通路，总共进行菌株测试 30445 种。2024 年随着人工智能技术及优质的数据不断突破选代，AI将提升生物制造企业的综合技术壁垒。合成生物学巨头 Ginkgo 已通过积极并购率先布局 Bio-AI产业。但是后续商业模式的探索仍在摸索过程中，Ginkgo 纯服务、无产品的业务模式是否适合中国的土壤仍待验证。相比欧美，中国政府对生物制造产业的重视度更高，在基因编辑和AI 技术快速发展的背景下，中国生物制造企业有机会跑在世界前列。
8.3 AI 与合成生物学深度结合仍面临:技术、数据、算法三大挑战
我们已经看到了 AI的成功应用，但仍然局限于特定的数据集和研究问题，应用 AI 研究合成生物学仍然面临技术、数据、算法三大挑战:
1)技术挑战:将人工智能应用于合成生物学的技术挑战是数据分散在不同的模式中，难以组合，非结构化，往往缺乏收集数据的背景。模型需要的数据通常比在单个实验中收集的数据多得多，而且缺乏可解释性和不确定性的量化;并且在更大的设计任务中，没有度量标准来有效地评估模型的性能。
2)数据挑战:缺乏合适的数据集仍然是人工智能与合成生物学结合的首要障碍。将人工智能应用于合成生物学需要从个体实验中获得大量标记过的、精选的、高质量、情境丰富的数据。尽管产业在建立包含各种生物序列(甚至全基因组)和表型的数据库方面取得了进展，但标记数据仍然很匮乏。
3)算法挑战:许多推动当前人工智能进步的流行算法(例如计算机视觉和 NLP 领域的流行算法)在分析组学数据时都没有鲁棒性。当应用于特定实验中收集的数据时，这些模型的传统应用常常遭受“维数灾难”的困扰。“合成生物”，“AI”或者 ChatGPT 等新兴技术的应用落地，归根到底都需要标准化的、大量的、成套的数据和样本。人工智能可以帮助合成生物，合成生物也可以反过来帮助人工智能,这两个学科在持续反馈循环中迭代升级。AI对于生物制造的上游基因、蛋白设计、底盘细胞筛选，以及酶库的搭建和酶活性预测等领域的应用，仍属于长期赋能的范畴。
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