合成生物产业化报告：生物基材料（20页）

行业报告下载 2024年05月24日 07:50 管理员

合成生物学以生物科学为基础，汇集化学、物理、信息技术、工程技术等学科而形成，利用基因技术与工程学概念设计改造现有的或合成新的生物体系，揭示生命运行规律，变革生物体系工程化应用，从“格物致知”提升到“建物致知”，为医药健康、工业、农业、能源等行业的生产、改进提供新的解决方案，被誉为是继“DNA 双螺旋结构”发现和“基因组测序”之后的“第三次生物技术革命”。合成生物学通过构建高效的细胞工厂来实现制造，生产步骤主要分为四块，底盘细胞筛选、生产细胞设计与构建、发酵生产、分离纯化。底盘细胞是合成生物学生产的基础。目前底盘细胞主要包括三个体系：真核细胞、原核细胞和通用植物底盘细胞，研究人员根据具体的研究和应用选择不同的生产体系。生产细胞的设计与构建采用工程学“自下而上”的思维，汇聚了基因工程、线路工程、代谢工程等多个学科的技术。生产细胞的构建需要设计出目标产品的最优合成路径，最早研究人员采用随机诱变的方式改造微生物，耗时长，效率低。随着生物学的发展，研究人员采用工程学的 DBTL 策略对微生物进行有目标的改造并持续迭代，主要过程：1）对生物系统进行设计，2）利用标准化的生物元件将其构建成可被调控的基因线路模块，3）通过基因合成、基因编辑和细胞培养等技术手段创造出符合设计及功能需要的生物系统，4）通过大量测试，逐步优化提高生产细胞的效率及稳定性，最后根据测试结果和研究测试数据，为新一轮循环提供支持。发酵工艺是实现产业化的必经之路，发酵生产环节需要大量时间积累经验。合成生物学的最终目标产物需要经过发酵和分离才实现产业化，生产规模从克到千克再到吨的放大，要经过实验室阶段、小试、中试再到大生产线的不断试验和优化。

在不同规模和生产条件下，越是大宗产品的发酵，固定资产和能耗越高，物料和资金的投入也都快速的上升。另外，发酵生产和发酵产业又存在一定的区别，发酵产业是一个比较传统的产业，而发酵生产考虑的工艺条件和因素更多，需要大量的时间和经验的积累。产品通过分离纯化达到特定标准。在完成发酵后，根据产品的特点采用多种技术将最终目标产物从发酵液或生产细胞中分离、纯化出来，以达到最终产品的特定标准。近二十年合成生物学经历了创建时期、扩张和发展期、创新和应用转化时期，目前处于全面提升，快速迭代的新阶段。合成生物学概念最早可追溯到 20 世纪初，具有多学科交叉的特点，在当时的技术条件下难以实现。上世纪七十年代以来，一系列的技术进步促进了合成生物学的发展，随着分子克隆和 PCR 的进步，基因操作为人工设计、调整、控制基因提供了技术手段；DNA 测序技术进步和计算工具的改良帮助实现了微生物基因组的完整测序等；分子生物学将计算分析应用到生物实验研究中，促进了系统生物学的发展，研究人员提出了“自下而上”的工程学方法来补充“自上而下”的系统生物学方法。 2000 年以来，合成生物学大致经历了四个阶段，第一阶段：创建时期（2000-2003 年）：产生了具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的监理及其在代谢工程中的应用。第二阶段：扩张和发展期（2004-2007 年）：基础研究快速发展，学科应用领域有扩大趋势，但是工程技术进步比较缓慢。第三阶段：快速创新和应用转化期（2008-2013 年）：这阶段涌现出的新技术和工程手段，特别是基因组编辑效率大幅提升，使合成生物学应用领域快速扩展，其应用领域从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、药物和疫苗开发等领域。第四阶段：生物技术与信息技术融合发展（2014 年至今）：设计—构建—测试—学习（DBTL）循环带动合成生物学技术和产品快速迭代。