【合成生物暖風頻吹，產(chǎn)業(yè)化應用趨勢加快】
在 4 月 26 日的 2024 中關村論壇年會上，北京化工大學校長、中國工程院院士譚天偉：提到生物制造是以工業(yè)生物技術為核心，利用酶、微生物細胞，結合化學工程技術進行目標產(chǎn)品的加工過程，包括生物基材料、化學品和生物能源等。它加工的產(chǎn)品既包括大噸位運輸燃料、中等噸位化學品材料，還包括較小噸位食品資料、非常小的精細化學品、疫苗等。從經(jīng)濟發(fā)展維度來講，生物制造是將生物技術創(chuàng)新產(chǎn)品推向商業(yè)規(guī)模的引擎，是生物經(jīng)濟的基礎。
近日，江南大學未來食品科學中心合成生物創(chuàng)新團隊榮獲第十九屆“江蘇青年五四獎章 ”。創(chuàng)新團隊成員康振告訴記者，透明質(zhì)酸最早是從牛的眼睛里發(fā)現(xiàn)并提取出來的，價格非常昂貴，每公斤要幾萬元，團隊利用合成生物學技術，借助微生物發(fā)酵生產(chǎn)普通分子量的透明質(zhì)酸，把成本降到每公斤幾百元，實現(xiàn)了透明質(zhì)酸大產(chǎn)量推廣應用，我國也成為第一個有能力生產(chǎn)全部類型透明質(zhì)酸的國家。
合成生物學是一門新興的跨學科研究領域，是為生命科學服務的新研究范式， 擁有巨大發(fā)展?jié)摿?。自去年起，北京、江蘇、上海等地陸續(xù)出臺支持生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，通過推進生物制造產(chǎn)業(yè)園建設、培育生物制造產(chǎn)業(yè)人才等措施，達到加快推進合成生物技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應用等目的!
【海內(nèi)外加碼合成生物，行業(yè)空間廣闊】
合成生物學以生物科學為基礎，匯集化學、物理、信息技術、工程技術等學科而形成，利用基因技術與工程學概念設計改造現(xiàn)有的或合成新的生物體系，揭示生命運行規(guī)律，變革生物體系工程化應用，從“格物致知 ”提升到“建物致知 ”，為醫(yī)藥健康、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源等行業(yè)的生產(chǎn)、改進提供新的解決方案，被譽為是繼“DNA 雙螺旋結構 ”發(fā)現(xiàn)和“基因組測 序 ”之后的“第三次生物技術革命 ”。
合成生物學通過構建高效的細胞工廠來實現(xiàn)制造，生產(chǎn)步驟主要分為四塊，底盤細胞篩選、生產(chǎn)細胞設計與構建、發(fā)酵生產(chǎn)、分離純化。
目前全球已有40多個國家、500多個機構資助合成生物學研究。美國、英 國、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、新加坡等國家均有引導扶持合成生物學發(fā)展的政策。美國在 《國家生物能源藍皮書》中明確了 5 項充分實現(xiàn)生物經(jīng)濟潛力的戰(zhàn)略目標，在《生物質(zhì)技術路線圖》提出“2030 年替代 25%有機化學 品和 20%石油燃料 ”的目標;2018 年日本正式發(fā)布《生物戰(zhàn)略 2019——面向國際共鳴的生物社區(qū)的形成》; 2019 年歐洲生物產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)布《生物技術工業(yè)宣言 2019——重振歐盟生物技術雄心》，同年，韓國發(fā)布《生物健康產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn) 略》及發(fā)展愿景;2021 年，英國政府宣布為生物質(zhì)原料創(chuàng)新計劃的第二階段提供 2600 萬英鎊資助。
2015 年以來，合成生物學行業(yè)政策的陸續(xù)出臺助推了我國生物經(jīng)濟的快速發(fā)展，也推動了國內(nèi)從事合成生物學領域的公司發(fā)展。2017 年，國家發(fā)展和改革委員會在《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五 ”規(guī)劃》中提出，生物產(chǎn)業(yè)是 21 世紀創(chuàng)新最為活躍、影響最為深遠的新興產(chǎn)業(yè)，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的主攻方向，對 我國搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命制高點，加 快壯大新產(chǎn)業(yè)、發(fā)展新經(jīng)濟、 培育新動能，建設“健康中國 ”具有重要意義。“十四五 ”以 來，合成生物學 已經(jīng)逐漸在天然產(chǎn)物合成、醫(yī)學、能源、工業(yè)等多個領域應用。2022 年 5 月 10日，國家發(fā)改委印發(fā)《“十四五 ”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，明確指出發(fā)展生物經(jīng)濟是順應全球 生物技術加速演進趨勢、實現(xiàn)高水平科技自立自強的重要方向，是 前瞻布局培育壯大生物產(chǎn)業(yè)、推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，是滿足生命健康需求快速增長、滿足人民對美好生活向往的重要內(nèi)容，是加強國家生物安全風險防控、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要保障，并提出發(fā)展合成生物學技術，探索研發(fā)“人造蛋白 ”等新型食品，降低傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境資源壓力。
在政策支持和技術進步的推動下，，合成生物學市場規(guī)模有望快速提升。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2023年全球市場規(guī)模約為151億美元，預計到2026年， 市場規(guī)模有望達到307億美元。
【合成生物在化工領域替代作用明顯】
合成生物學在化工領域已展現(xiàn)出替代潛力，生物基塑料、生物基材料和生物能源為當前主要的發(fā)展方向。1.3 丙二醇(PDO)為最早應用合成生物學方法生產(chǎn)的生物基材料之一。在生物法工藝發(fā)明以前，杜邦及德固賽采用丙烯醛水合氫化法生產(chǎn)，首先通過丙烯醛的水化反應生成 3-羥基丙醛，隨后通過加氫反應合成出 1,3-丙二醇，但丙烯醛水合氫化法的工藝缺陷在于丙烯醛獲取困難、丙烯醛的劇毒性質(zhì)以及產(chǎn)物質(zhì)量相對較低。2003 年，杜邦通過工程菌將玉米水解產(chǎn)生的葡萄糖轉化為 1.3-丙二醇， 憑借原料易得、反應條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)勢實現(xiàn)了對化學法的替代，并由此獲得了美國總統(tǒng)綠色化學獎，并于 2006 年實現(xiàn)生產(chǎn)。2009 年 BioAmber 公司以小麥為底物，利用大腸桿菌成功實現(xiàn)了由葡萄糖生產(chǎn)丁二酸(也稱琥珀酸)。2011年，美國 Genomatica 公司積極從甘蔗、甜菜、玉米及其他植物中提取糖類原料，利用大腸桿推進 1,4-丁二醇生產(chǎn)的工業(yè)化進程。
生物塑料的案例之一為凱賽生物，凱賽生物已經(jīng)實現(xiàn)了生物法長鏈二元酸及生物基聚酰胺的量產(chǎn)。
生物能源方面，Amyris 以甘蔗為底物生產(chǎn)生物法尼烯，Gevo 實現(xiàn)了纖維 素異丁醇的生產(chǎn)，并且可以轉化為異丁烯和石蠟基煤油。帝斯曼、科萊恩、杜邦等企業(yè)持續(xù)在纖維素乙醇的應用進行探索。
除此之外，合成生物制造相比傳統(tǒng)化工三大優(yōu)勢:
其一，合成生物制造原材料可再生，制造過程中反應條件溫和，有效降低碳排放。首先，就材料端而言，傳統(tǒng)化學合成法通常以原油和煤炭等化石能源的加工品為原材料，而合成生物學以糖類和纖維素等可再生的生物質(zhì)為原材料，生物質(zhì)在光合作用中可吸收二氧化碳。其次,就生產(chǎn)過程而言，生物制造過程通常在常溫常壓條件下進行，能耗低且產(chǎn)生污染相對較少，也能夠顯著削減生產(chǎn)過程中的碳排放。
根據(jù)《Bio-based Chemicals A2020 Update》一文的測算,與化學法相比， 以乙酸和丙烯酸等為代表的 13 種生物基化學品每噸二氧化碳減排量可高達1.2-5.2 噸。
其二，生物制造相對化學工藝能耗成本降低，且菌種能夠實現(xiàn)迭代優(yōu)化， 因此部分精細化學品仍具備顯著的降本空間。以丁二酸為例，丁二酸是一種優(yōu)秀的平臺化合物，在化工、材料、醫(yī)藥、食品領域有著廣泛的用途，被美國能源部列為未來 12 種最有價值的平臺化合物之一，可以衍生出眾多下游產(chǎn)品，如 1,4- 丁二醇、四氫呋喃、N-甲基吡咯烷酮、2-吡喏烷酮。丁二酸和 1,4-丁二醇聚合得到的 PBS(聚丁二酸丁二醇酯)是一種性能優(yōu)良的生物全降解塑料。丁二酸遠期市場潛力超過 270 萬噸,大約有 250 種可以用苯為原料生產(chǎn)的化工產(chǎn)品都可以通過丁二酸為原料生產(chǎn)。一旦實現(xiàn)丁二酸的大規(guī)模生產(chǎn)，就可以部分取代石油化工產(chǎn)品苯?；陧橍麨樵系氖突ぢ肪€丁二酸工藝復雜，且常需高溫高壓， 能耗物耗較高，同時化學合成還會造成嚴重的環(huán)境污染。張學禮團隊通過理性改造和進化代謝技術提高丁二酸生產(chǎn)能力，設計的丁二酸合成途徑使丁二酸的糖酸轉化率接近理論最大值,生物法生產(chǎn)丁二酸單噸成本約 1 萬元，相比化學法的1.4 萬元降低約 29%,丁二酸成本的大幅下降有望推動可降解塑料 PBS 的商業(yè)化進程。
其三，合成生物制造研發(fā)經(jīng)驗和設備可共用，拓品空間廣闊。以凱賽生物的長鏈二元酸為例，長鏈二元酸是合成香料、尼龍工程塑料、熱熔膠、樹脂、耐寒性增塑劑、醫(yī)藥和農(nóng)藥等的重要原料，其中十二碳二元酸(DC12)和十四碳二元酸 (DC14)分別是合成高級尼龍工程塑料尼龍 1212 和尼龍 1414 等的重要原料。十 二碳以上的長鏈二元酸在自然界中并不存在，化學法合成路線長，反應需要高溫高壓，對催化劑要求比較苛刻，因此在工業(yè)規(guī)模上的長鏈二元酸品種較少，只有十二碳長鏈二元酸等少數(shù)品種，且收率較低，目前沒有經(jīng)濟可行的合成方法，因此利用微生物的特異性轉化能力,在常溫常壓下轉化正烷烴或脂肪酸生成相應的長鏈二元酸成為新的方向。凱賽生物的生物法生產(chǎn)長鏈二元酸的重要優(yōu)點在于可以使用相同的微生物、相同設備以及培養(yǎng)基，通過提供不同底物的方案生產(chǎn)各種不同碳鏈長度的長鏈二元酸，而化學合成法僅能生產(chǎn)單一二元酸，因此既降低了不同長鏈二元酸的生產(chǎn)成本，也有效的拓寬了產(chǎn)品品類。依托豐富的長鏈二元酸品種以及生物基戊二胺技術，公司可生產(chǎn)從尼龍 510 到尼龍 518 等長鏈尼龍產(chǎn)品。
在國內(nèi)外政策支持下，合成生物學技術不斷進步，伴隨生物基材料及其單體合成工藝的不斷發(fā)展，合成生物學在化工行業(yè)的應用有望愈加廣泛和深入。當前我國合成生物產(chǎn)品類公司發(fā)展迅速，相關公司有望迎機會!
我們篩選出以下潛力標的
川寧生物(301301)2023 年 12月25日互動易：公司目前已有多個合成生物學項目進入中試階段，公司首個合成生物學項目紅沒藥醇已進入銷售階段。
翰宇藥業(yè)(300199)公司與中科院深圳先進院、深理工達成三方協(xié)議，共建“合成生物學與多肽藥物聯(lián)合研究中心 ”，圍繞抗感染、抗腫瘤、內(nèi)分秘、鎮(zhèn)痛等多肽創(chuàng)新藥物的研究開展合作。
沃特股份(002886)公司與中國科學院深圳先進技術研究院成立合成生物化學應用聯(lián)合創(chuàng)新中心，該聯(lián)合創(chuàng)新中心將主要圍繞生物基高分子材料、動植物營養(yǎng)等 方面，在前沿技術研究、新產(chǎn)品開發(fā)、技術平臺建立及人才培養(yǎng)等多層面進行合作。
參考資料：
東海證券-合成生物產(chǎn)業(yè)化加速，生物基材料有望推動化工行業(yè)綠色發(fā)展.pdf
山西證券-合成生物產(chǎn)業(yè)深度報告之一：工程化合成萬物，生物經(jīng)濟顛覆性力量.pdf
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