1、 1 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 革故鼎新，方兴未艾 合成生物学专题报告之一 行业专题报告行业专题报告 | 化工化工 证券研究报告证券研究报告 2022 年 02 月 21 日 行业评级 超配 前次评级 超配 评级变动 维持 近一年行业走势近一年行业走势 相对表现相对表现 1 个月个月 3 个月个月 12 个月个月 化工 3.72 -1.86 10.78 沪深 300 -2.68 -4.88 -19.51 相关研究相关研究 化工： 云天化组团进军粘土锂矿化工新材料行 业 周 报 （ 20 ） 2022-02-20 化工：气凝胶：最高效隔热材料，契合碳中和

2、节能大趋势行业专题报告 2022-02-15 化工： 西部化工新材料周报第一期化工新材料 行 业 周 报 （ 20 ） 2022-02-14 -19%-12%-5%2%9%16%23%30%-062021-10化工沪深300 核心结论核心结论 合成生物学是一门面向未来的、多学科交叉的学科，合成生物学是一门面向未来的、多学科交叉的学科，其其市场空间及应用市场空间及应用领域广阔。领域广阔。 合成生物学是一门以工程学思想为指导、 多学科结合的新兴领域，通过一系列重新设计与技术改造生物体或细胞以使其具有新的能力，可用以解决医疗健康、食品安全、能源紧缺

3、、环境污染等多方面问题。据CB Insights预计，到2024年合成生物学市场规模将增长至189亿美元，2020-2024年复合增长率达29.1%。美国农业部预测，到2025年生物基化学品将占据全球化学品22%的市场份额，其年度产值将超过5000亿美元。 行业发展奇点已现，合成生物制造的产业化进程加速，资本市场关注度行业发展奇点已现，合成生物制造的产业化进程加速，资本市场关注度提升。提升。1）基因测序、合成、编辑等底盘技术已实现突破，并展现出良好的成本控制潜力， 行业发展奇点已经来临， 未来合成生物学有望实现快速的技术迭代和发展；2）合成生物学在生产一些特殊及复杂产品如天然化合物、 手型化合

4、物等方面具有明显优势， 同时在一些低碳小分子化工品上也开始逐渐展现竞争力，未来有望颠覆现有的石化生产路线；3）碳中和目标下使用可再生原料替代不可再生能源是未来趋势， 合成生物学是未来实现生物质能源高效利用的理想手段。 可持续发展需求促使欧美等发达经济体聚焦生物制造产业，同时全球资本市场越来越青睐生物制造领域。 生物制造是我国建设科技强国的重点发展产业之一生物制造是我国建设科技强国的重点发展产业之一，具有极大的减排潜，具有极大的减排潜力。力。 从2010年国务院把生物制造列为生物产业的重要内容， 到“十三五”规划进一步明确生物制造是我国战略性新兴产业的主攻方向， “十二五”以来我国生物产业复合增

5、速超15%，2020年其产业规模已达8-10万亿元，生物产业增加值占GDP的比重超过4%，成为国民经济的主导产业。据中科院天工所统计， 和石化路线相比， 目前生物制造产品平均节能减排30-50，未来潜力将达到50-70。这将对化石原料的替代、高能耗高物耗高排放工艺路线的替代以及传统产业的升级，产生重要的推动作用。 生物基生物基化学品化学品可助力国内相关产业摆脱进口依赖，实现弯道超车。可助力国内相关产业摆脱进口依赖，实现弯道超车。目前，利用 “细胞工厂” 生产关键化合物的合成生物学应用模式在我国更受关注。对比全球范围内合成生物学技术及相关公司的发展， 我国在制造业上具有良好的产业基础和配套的工业

6、体系， 在下游的发酵、 分离提取等工业生产方面具备显著优势。 由于合成生物学技术可以通过菌株改造和筛选， 使其生产一些天然化合物或是传统化工生产过程中壁垒较高的化合物， 因此其有望使我国摆脱部分高壁垒化工品的进口依赖，实现弯道超车。 建议关注：建议关注：凯赛生物（688065.SH），华恒生物（688639.SH）等。 风险提示：风险提示：研发进展不及预期；技术扩散风险；生物安全及伦理风险等。 行业专题报告 | 化工 2 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 索引 内容目录 一、合成生物学：他山之石，方兴未艾 . 5 1.1 合成生物学

7、处于发展初期，近年来蓬勃发展 . 5 1.2 合成生物学市场空间及应用领域广阔 . 6 1.3 合成生物学企业的分类 . 9 二、技术的发展与迭代驱动行业螺旋式上升 . 11 2.1 方法论：从随机走向理性，研发效率得以提升 . 11 2.2 底层技术及设备：迭代进步，为高通量测序、DNA 合成和菌株筛选奠定基础 . 12 三、政策扶持+资本注入助力产业发展 . 16 3.1 合成生物学是实现“双碳”目标的有效途径，竞争优势明显 . 16 3.2 国内政府高度重视合成生物学发展 . 17 3.3 融资速度加快，医疗健康领域融资规模大 . 18 四、国内化工产业有望凭合成生物学技术摆脱进口依赖

8、. 19 五、海外企业发展历史复盘 . 21 5.1 Amyris . 21 5.2 Novozymes . 24 5.3 对国内相关企业的启示 . 26 六、国内相关公司 . 27 6.1 凯赛生物（688065.SH） . 27 6.2 华恒生物（688639.SH） . 29 6.3 华熙生物（688363.SH） . 30 6.4 梅花生物（600873.SH） . 32 6.5 圣泉集团（605589.SH） . 32 6.6 弈柯莱 . 32 6.7 蓝晶微生物 . 33 七、风险提示 . 34 图表目录 图 1：合成生物学代表性进展 . 6 图 2：全球合成生物学总市场规模及增速

9、预测 . 7 图 3：全球合成生物学各领域市场规模及增速预测（亿美元） . 7 图 4：合成生物学的应用方向广阔 . 7 图 5：合成生物学在应急疫苗研发流程中的作用 . 7 图 6：改造后的高效细胞“微工厂” . 8 eW9UyXkZnVeVwVmNnMoO9PbP8OnPoOoMmOeRoOoMiNpNpN7NpPzQwMtQsONZqRoO 行业专题报告 | 化工 3 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 图 7：当前主要生物基化学产品 . 8 图 8：合成生物学企业图谱 . 10 图 9：微生物细胞工厂设计构建方法的迭代 . 1

10、2 图 10：CRISPR/Cas 技术应用原理 . 12 图 11：CRISPR/Cas 技术应用领域 . 12 图 12：基因测序价格的下降 . 13 图 13：DNA 合成技术发展与应用 . 14 图 14：微生物的 ARTP 诱变流程及诱变育种设备 . 15 图 15：高通量自动化微流控微生物培养（MMC）装备系统 . 15 图 16：液滴微流控单细胞分选技术原理 . 15 图 17：橡胶的生产工艺对比 . 17 图 18：历年合成生物学企业融资情况（百万美元） . 19 图 19：今年前 15 大合成生物学融资子行业（百万美元） . 19 图 20：尼龙 66 产业链 . 20 图

11、21：凯赛生物的生物基聚酰胺工艺流程 . 20 图 22：Amyris 发展历程 . 21 图 23：Amyris 股价复盘 . 23 图 24：Amyris 营业收入变化 . 23 图 25：Amyris 收入比例划分 . 23 图 26：Amyris 净利润变化 . 23 图 27：Amyris 研发费用及费用率 . 24 图 28：Amyris 利息支出 . 24 图 29：Novozymes 发展历程 . 25 图 30：Novozymes 股价复盘 . 25 图 31：Novozymes 营业收入变化 . 26 图 32：Novozymes 收入比例划分 . 26 图 33：Novo

12、zymes 净利润变化 . 26 图 34：Novozymes 毛利率和净利率变化 . 26 图 35：Novozymes 研发费用及费用率 . 26 图 36：Novozymes 资本支出 . 26 图 37：凯赛生物拥有完整生物基聚酰胺系列产品平台 . 28 图 38：凯赛生物营业收入变化及拆分（百万元） . 28 图 39：凯赛生物归母净利润变化 . 28 图 40：华恒生物营业收入变化及拆分（百万元） . 29 图 41：华恒生物归母净利润变化 . 29 图 42：华恒生物产品的产业链情况 . 30 图 43：华熙生物基于两大技术平台覆盖了透明质酸原料至相关终端产品的完整产业链 . 3

13、1 图 44：华熙生物营业收入变化及拆分（百万元） . 31 图 45：华熙生物归母净利润变化 . 31 行业专题报告 | 化工 4 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 图 46：弈柯莱主营产品 . 33 图 47：蓝晶微生物的 PHA 生物制造工艺 . 34 图 48：蓝晶微生物实验室 . 34 表 1：基于合成生物学的部分医药产品开发进展 . 8 表 2：代表性生物基化学品和生物燃料的市场开发现状 . 9 表 3：生物基/合成生物学方法的成本优势 . 9 表 4：五大类合成生物学公司举例 . 10 表 5：不同阶段测序成本等参数对

14、比 . 13 表 6：各级政府针对合成生物学和生物创新技术的产业扶持政策（不完全统计） . 17 表 7：Amyris 毛利率和净利率变化 . 24 表 8：凯赛生物的技术先进性 . 28 表 9：华熙生物的技术先进性 . 31 行业专题报告 | 化工 5 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 一、合成生物学一、合成生物学：他山之石，：他山之石，方兴未艾方兴未艾 1.1 合成生物学处于发展初期，近年来蓬勃发展合成生物学处于发展初期，近年来蓬勃发展 合成生物学的思想最早出现在 1978 年波兰遗传学家希巴尔斯基的一篇文章中；1980 年，

15、B.Hoborn 第一次使用“合成生物学” （Synthetic Biology）作为论文题目并发表于学术期刊上， 他用合成生物学描述通过重组基因组技术改造的细菌仍然能够正常存活这一现象。2000 年，库尔等学者在美国化学年会上再一次用“合成生物学”描述生物系统中非年，库尔等学者在美国化学年会上再一次用“合成生物学”描述生物系统中非天然存在的功能性有机分子的合成， 至此合成生物学的概念才被学术界公认并开始受到关天然存在的功能性有机分子的合成， 至此合成生物学的概念才被学术界公认并开始受到关注注，但此时的合成生物学只是遗传工程的延续，并未独立发展。当时很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”

16、 ，即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞或病毒； 而实际上现在的合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中根本没有的生命体系。因此，合成生物学是一门以工程合成生物学是一门以工程学思想为指导学思想为指导、多学科结合的新兴领域多学科结合的新兴领域，通过一系列，通过一系列重新设计重新设计与与技术改造生物体或细胞以技术改造生物体或细胞以使其具有新的能力，在此过程中使其具有新的能力，在此过程中设计与构建设计与构建一系列一系列新的标准化的生物元件、组件与系统新的标准化的生物元件、组件与系统，以实现理想的生物制造能力。以实现理想的生物制造能力。利用合

17、成生物学技术构建微生物细胞工厂，可实现廉价原料到高价值化学品的高效生产，且生产过程清洁环保，具有巨大市场发展潜力。近年来合成生物学技术手段呈现爆发式的飞跃增长，给人工设计微生物细胞工厂带来极大便利，现已在生产燃料化学品、大宗化学品、天然产物等方面取得较大突破。 自 2000 年至今合成生物学已走过 21 个年头，其技术进步在以下四方面尤为突出：其技术进步在以下四方面尤为突出： 1） 基因编辑技术：基因编辑技术：DNA 从头合成、组装、测序等相关技术飞跃发展，即科学家们可以自主设计需要的核苷酸序列，并进行重新组合，或对未知序列进行测序，为后续其他人工设计流程奠定了基础。其中最典型的为测序技术的发

18、展。2005 年首代测序仪Roche454 单次仅可产生 400MB 的基因序列文件，完成全基因组测序需花费 11 年且费用高达亿元。2010 年的第二代测序仪 IlluminaHiseq2000 单次能产生 200GB 的基因序列文件，不仅基因测序的速度在 5 年时间里提升了 500 倍，全基因组测序服务的价格也降至 5 万美元。2017 年，全球基因测序龙头 Illumina 公司发布新一代测序仪NovaSeq，声称“Novaseq 能让基因组测序进入 100 美元的时代” 。此外测序仪生产商还有 ThermoFisher、 罗氏等跨国巨头， 以及国内基因测序行业头部公司如华大基因、贝瑞基

19、因等； 2） 基因基因元件的标准化元件的标准化：随着人们对生物元件、遗传信息的开发研究不断深入，生物序列的不可见、已错配等问题给后续设计基因等操作带来较大不便。据此，麻省理工大学的奈特教授提出了“生物砖（BioBricks） ”克隆技术，促进了标准化生物元件的装配，简化了设计与创造生命系统的过程，使生物合成更加简易快捷。即如同传统的机械制造那样，这顶技术使得特定结构和功能的 DNA 序列可共用一个标准的接口，拼接起来可形成一个新的生命系统。将 DNA 看作元件进行改造或组装极大地促进了合成生物学的标准化、统一化； 3） 微生物底盘改造技术微生物底盘改造技术及“细胞工厂”及“细胞工厂” ：不管是

20、天然产物生产、代谢工程增产还是植物中的药物、高附加值化学品生产，都依赖细胞或微生物作为底盘应用的“工厂” 。近年来细胞或生物体基因（组）底盘改造技术的蓬勃发展，例如 CRISPR/Cas 系统可用于调控基因表达强度、敲除基因、定点突变等，动态调控技术可随细胞内重要代谢物或荧光指标变化而随时自我调整，这些都加快了人工构建理想性状细胞的进程，进而已有研究将该技术拓展到医疗相关（如遗传病改造、修复等） 。随之涌现了大批公司尝试将 行业专题报告 | 化工 6 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 合成生物学构建出的高产菌株开发落地，2005 年

21、 Amyris 研发出了可以产生青蒿酸的酵母菌株，随后又开发了天然零卡路里甜味剂、法尼烯、大麻二酚等。类似的国外还有 Ginkgo、Zymergen、Novozymes 等，国内有凯赛生物、华恒生物等； 4） 人工智能和机器学习指导下的新突破：人工智能和机器学习指导下的新突破：人工智能和机器学习系统可按照“设计-构建-测试-学习（Design-Build-Test-Learn） ”的循环流程，通过从大型实验数据集学习系统的行为模式，以预测复杂的细胞代谢、蛋白质结构，模拟分子间相互作用，优化启动子等基因元件，大大节省了理性设计时间，加速合成生物学的井喷式发展。 总体来看，目前合成生物学仍为一门较

22、为年轻的学科，处于发展的初期阶段。它是一门多学科交叉的学科，涉及生物化学、化学、物理、数学、计算机等多个领域，因此从学科基础来看，当这些领域均发展到一定高度后，合成生物学才有了近年来技术的进步和突破，且它未来仍将在基础学科不断发展的基础上迎来快速的迭代和进步。从资本市场看，当前合成生物学的国内外投资关注度很高，我们认为主要原因在于：1）基因测序、合成、编辑等底盘技术已实现突破，并展现出良好的成本控制潜力，行业发展奇点已经来临，未来合成生物学有望实现快速的技术迭代和发展；2）合成生物学在生产一些特殊及复杂产品如天然化合物、手型化合物等方面具有明显优势，同时在一些低碳小分子化工品上也开始逐渐展现竞

23、争力，未来有望颠覆现有的石化生产路线；3）碳中和目标下使用可再生原料替代不可再生能源是未来趋势，合成生物学是未来实现生物质能源高效利用的理想手段。 图 1：合成生物学代表性进展 资料来源：CNKI合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代 ，西部证券研发中心 1.2 合成生物学合成生物学市场空间市场空间及及应用领域广阔应用领域广阔 据 CB Insights 统计数据显示，全球合成生物学市场规模在 2019 年达到 53 亿美元，2020年达到 68 亿美元，并预计到 2024 年合成生物学市场规模将增长至 189 亿美元，年复合增长率达 29.1%。 从当前市场分布看， 占比最高的依次为医疗

24、健康、 科学研究和化学工业。 大肠杆菌中实现青蒿素前提途径的工程化自动调节的负反馈路 线第一个合成开关生物开关和压缩振荡子基 于 群 体 效应 的 细 胞 间的 通 信 线 路20022003年发展用于转录研究的合成路线最早实现遗传网络的组合合成RNA装置用于基因表达的调节模块麻省理工学院举行第一届iGEM竞赛SB 1.0：第一次合成生物学国际会议利用工程菌侵入 癌 细 胞大肠杆菌的光传感电路设计由RNA调控的可编程的基因表达生成多细胞模式的线路改造噬菌体水解细菌的生物膜快速可调节的合成基因振荡器可用于逻辑运算的RNA装置利用大肠杆菌中氨基酸的代谢生产生物燃料Gibson 等 对DNA组装的研

25、究MAGE的研究设 计 可 计 算的线路边 缘 检 测 的合 成 ， 边 缘检 测 线 路 的工程化利用基因始终同步细胞群的耦合振荡波可编辑控制微生物致死的开关可编辑控制微生物致死的开关在大肠杆菌中建立一套完整的布尔逻辑门人工合成酵母的部分基因利用动态 的代谢流控制生物柴油的生产设计出复杂的多层基因环路Amyris公司利用酵母菌株商业化生产青蒿素人工合成酵母染色体扩展生命遗传密码设计合成酵母菌使其能合成吗啡合成人造细胞膜改写转基因微生物，建立安全防护体系人造胰岛细胞计算设计人工蛋白人工合成最小细菌制造出“ 稳定”的半合成有机体在DNA中存储数码信息重新设计合成了5条酵母染色体人工细胞的光引擎人

26、工合成首例单染色体酵母菌株利用机器学习预测基因编辑的效果David Liu团队开发了一种新的CRISPR基因组编辑方法2000200042005200620072008200920000192020（年）20002003年创建时期具备领域特征的研究手段和理论20042007年扩张和发展期领域扩大工程技术进步缓慢20082013年创新和应用转化新技术和工程手段涌现2014年+新阶段全面提升展现出口治疗性应用（蓝）全基因组工程（紫）代谢工程中的合成生物学（绿）线路工程（红）技术或文化里程碑（黑） 行业专题报告

27、| 化工 7 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 图 2：全球合成生物学总市场规模及增速预测 图 3： 全球合成生物学各领域市场规模及增速预测 （亿美元） 资料来源：CB Insights，西部证券研发中心 资料来源：CB Insights，西部证券研发中心 在医疗医学领域，在医疗医学领域，合成生物学的快速发展带来了新鲜血液与动力。合成生物学的快速发展带来了新鲜血液与动力。1）合成生物学应用于）合成生物学应用于天然药物、抗生素天然药物、抗生素等等的人工合成潜力已经得到证明。的人工合成潜力已经得到证明。化学法生产化学品大多集中于结构清晰

28、、简单的化学物质，而对于天然药物等大分子化合物大多只能来源于植物、动物、真菌细菌等自然来源的提取。但由于其提取工艺能耗大、提取率低，目前大部分仅能通过全合成或半合成的方式制得， 这成为制约天然药物价格的重要原因之一。 通过合成生物学手段，将产生这些代谢产物的基因簇进行异源表达并利用发酵工程进行大规模制备， 将成为解决药品供应和价格昂贵问题的方法之一。 目前， 利用重组大肠杆菌细胞工厂合成体紫杉二烯，重组酵母细胞工厂生产青蒿酸和人参皂苷等， 都已经打通合成路线或即将达到产业化水平。抗氧化作用显著的白藜芦醇（resveratrol） 、具心血管保健作用的柚皮素（naringenin） 、抗病毒和凝

29、血作用显著的咖啡酸（caffeic acid）等也有较长的研究历史，在酿酒酵母和大肠杆菌中均已构建工程菌。 2） 合成生物学可提升疫苗研制效率。） 合成生物学可提升疫苗研制效率。 当前全球疫情仍在肆虐，且病毒持续变异，给疫苗开发带来巨大难度。合成生物学则可使疫苗开发模块化，不同病原微生物的保护性抗原对应可变模块， 根据中和性抗体来设计并合成与之相对应的保护性抗原，即可快速制造适应新疫情的病毒疫苗。在疫情突发时，合成生物学技术可以根据病原基因组序列进行迅速分析， 并快速人工合成保护性抗原基因， 大大提升疫苗的研制效率。3）此外，）此外，合成生物学在合成生物学在干细胞与再生医学、药物载体的靶向递送

30、和治疗等领域均在发挥干细胞与再生医学、药物载体的靶向递送和治疗等领域均在发挥重要作用。重要作用。 图 4：合成生物学的应用方向广阔 图 5：合成生物学在应急疫苗研发流程中的作用 资料来源：CB Insights，西部证券研发中心 资料来源：CNKI合成生物学助力应急疫苗研制 ，西部证券研发中心 行业专题报告 | 化工 8 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 表 1：基于合成生物学的部分医药产品开发进展 产品产品 企业企业/ /机构机构 研发现状研发现状 技术特点技术特点 青蒿素 Amyris 已上市(或接近上市) 利用酵母细胞工厂化表

31、达紫穗槐二烯合成酶和细胞色素 P450 氧化酶， 实现微生物合成 头孢氨苄 帝斯曼 已上市(或接近上市) 用两步酶转化取代了十三步的化学反应过程 西他列汀 弈柯莱生物、通化东宝 已上市(或接近上市) 弈柯莱生物和通化东宝合作的中国首个使用生物合成技术的西格列汀仿制药获批，成为了中国正式接受利用合成生物的方法制造、生产医药类的产品的标志性事件 合成紫杉醇 斯克里普斯研究所 市场开发中 利用腺苷酸环化酶和氧化酶等生产紫杉烷类化合物 DNA 纳米机器人 Wyss 研究所 市场开发中 用于药物的靶向释放 人源化猪器官 Synthetic Genomics、Lung Biotechnology 市场开发

32、中 利用合成生物学避免移植的免疫排斥反应 硫醚抗生素 格罗宁根大学 市场开发中 利用合成生物学高通量生产硫醚抗生素 噬菌体治疗 哈佛大学等 市场开发中 通过抑制 SOS 网络，开发高效的抗生素佐剂 资料来源：CNKI合成生物学应用产品开发现状与趋势 ，西部证券研发中心 在化在化学学工业领域，工业领域，合成生物学有望合成生物学有望助力助力解决化工原料解决化工原料及及能源问题，并在部分化学品的生产能源问题，并在部分化学品的生产上已体现出成本优势。上已体现出成本优势。例如某些经过合成生物学方法改造过的光合藻类富含大量的脂质，被人们称为“生物柴油” ，可以一定比例添加至汽柴油中使用，用以替代原有能源。

33、此外，微生物还能通过糖酵解等过程为我们提供丁醇、乳酸、甲烷等工业原料，进一步还可从中获取甘油、丙酮酸、氨基酸等具有工业价值的原料，这一过程绕开了传统石油化工必需的原油、烯烃等原材料，可最大限度的利用可再生的生物碳源替代不可再生的化石碳源。成本方面，受益于规模效应，目前经由合成生物学手段可大规模生产的化学品如己二酸（ADA） 、1,4-丁二醇（BDO） 、L-丙氨酸等已经可以达到低于石油基路径的生产成本。同时由于其不依赖于原油，故盈利水平相对较为稳定。具备成本优势的合成生物学途径化学品可以以更低的价格切入市场，同时保持更高的利润水平。以华恒生物的生物法 L-丙氨酸为例， 其平均售价为 1.6 万

34、元/吨， 毛利率为 45%左右； 对比本公司酶法生产的 L-丙氨酸，平均售价为 2 万元/吨，毛利率在 10%-25%之间波动。 图 6：改造后的高效细胞“微工厂” 图 7：当前主要生物基化学产品 资料来源：凯赛生物招股说明书，西部证券研发中心 资料来源：Nova Institute，西部证券研发中心 植物油淀粉木质纤维素蔗糖葡萄糖长链二元酸脂肪酸1,5-戊二酸乳酸乙醇异丁醇琥珀酸1,3-丙二醇己二酸丙交酯乙烯乙二醇1,4-丁二醇对苯二甲酸PHAPA系列PLAPEPETPBSPTTPBAT原料已商业化-化学品未商业化-化学品下游生物基材料 行业专题报告 | 化工 9 | 请务必仔细阅读报告尾部

35、的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 表 2：代表性生物基化学品和生物燃料的市场开发现状 产品产品 企业企业/ /机构机构 生物基产品市场生物基产品市场 所有市场所有市场( (生物基生物基+ +石化产品石化产品) ) 生物基产品占比生物基产品占比（单位：单位：% %） 体量体量（百吨）（百吨） 规模规模（百万美元）（百万美元） 体量体量（百吨）（百吨） 规模规模（百万美元）（百万美元） 乳酸 Myriant 等 472 684 472 684 100 法尼烯 Amyris 等 12 68 12.2 68 近 100 乙醇 Qteros、Logen、BP、帝斯曼、

36、Proterro、LanzaTech、 Algenol、Mascoma 等 71310 58141 76677 63141 93 丁二酸 Bioamber、Myriant、帝斯曼 等 38 111 76 191 49 1,4-丁二醇 BioAmber 等 3.0 9 2500 45008000 0.1 丙烯酸 Myriant、OPX Biotechnologies、Metabolix、诺维信、嘉吉 等 0.3 0.9 5210 12863 0.01 己二酸 Verdezyne、Bioamber、ennovia 等 0.001 0.002 3019 56006900 310-5 异丁烯 Glob

37、al Bioenergies 等 0.01 0.02 15000 27750 610-5 资料来源：CNKI合成生物学应用产品开发现状与趋势 ，西部证券研发中心 表 3：生物基/合成生物学方法的成本优势 化学品化学品名称名称 传统合成工艺传统合成工艺 生物基生物基/合成生物学合成生物学法生产企业法生产企业 生物法生物法成本优势成本优势 油价平衡油价平衡点点（美元（美元/桶）桶） 己二酸（ADA） 环己烷氧化为环己酮和环己醇，后硝酸进一步氧化 Rennovia 20%-30% 85 1,4-丁二醇（BDO） 乙炔法/马来酸酐法/环氧丙烷法 Genomatica 15%-30% 45 丁二酸 丁烷

38、制备马来酸酐，后催化加氢 Succinity、BioAmber 基本持平 35 L-丙氨酸 酶法 华恒生物 50% 资料来源：Wind，华恒生物招股说明书，E4tech，西部证券研发中心 1.3 合成生物学企业的分类合成生物学企业的分类 按照产业链所处位置，可将合成生物学产业按上、中、下游进行分拆。其中，上游主要开发使能技术，包括 DNA/RNA 合成、测序与组学，以及数据相关的技术、产品和服务等。中游主要是平台型公司，提供技术赋能、构建平台型生物，涉及对生物系统和生物体进行设计、开发和改造等。下游企业主要涉及实际应用和产品的落地，渗透到健康和保健、食品和农业、化学品和日用品等众多领域。 按照

39、不同的研发按照不同的研发和应用方向，我们将涉及合成生物学的企业分为以下五类：和应用方向，我们将涉及合成生物学的企业分为以下五类：1）提供平台化服务类公司；2）生产人造生物组件，如生产蛋白类物质的公司；3） “细胞工厂”类公司，利用微生物改造生产化合物产品；4）医疗诊断类公司；5）应用于农业环境及能源等领域的公司。具体来看： 1） 平台化公司平台化公司：通常与 DNA 相关，如 DNA 测序、合成等，属于合成生物学领域的最最底层技术。目前 DNA 测序和合成成本已经有了明显下降，但还有很多可以改进的地方。DNA 测序技术如新一代的牛津纳米孔测序（Oxford Nanopore） ，其开拓了新的应

40、用场景和方向。DNA 合成技术方面代表者有如 Twist 公司的超高通量芯片合成 DNA，以及酶法合成 DNA， 可一次性合成更长的 DNA 序列， 走在前面的有 GenScript 公司。此外， 平台型公司还包括涉及菌株改造和生产技术的公司， 例如 Ginkgo 公司 （Ginkgo Bioworks）可高通量、自动化地对菌株进行改造，其不参与下游生产而是专门做菌株的设计和筛选。国内也有很多类似公司，知名的如恩和生物（Bota Bio）等。 2） 生产蛋白类物质的公司生产蛋白类物质的公司：如诺维信，可生产大宗蛋白酶类。此外，酶催化公司拥有大量的酶库，可替代化学合成来催化合成相应化合物，如合成

41、医药相关中间体，代表性 行业专题报告 | 化工 10 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 公司包括弈柯莱等。 3） “细胞工厂”型公司“细胞工厂”型公司：这是目前和化工产业关系最为密切的，也是产业化最成熟的公司。其通过改造微生物生产具体化学品，可替代传统化工生产过程，如凯赛生物生产的生物尼龙、 金丹科技生产的 PLA、 蓝晶生物生产的 PHA 等， 此外还有如华恒生物、梅花生物生产的大宗化学品如氨基酸类等物质。其他还有与食品行业相关的产品，代表性的如 Impossible Foods 公司通过酵母生产血红素， 添加到植物大豆蛋白中生产

42、人造肉等。 4） 医疗诊断类公司医疗诊断类公司：此类公司利用 CRISPR 基因编辑技术，改造微生物进行免疫疗法开发，致力于攻克癌症和一些特殊疾病等。例如 Synlogic 公司改造微生物治疗苯丙酮尿症，此外代表性公司还有 Editas、CRISPR Therapeutics 等海外公司，国内的博雅辑因等。 5） 农业、能源及环境应用相关公司农业、能源及环境应用相关公司：此类目前以国外公司为主，涉及领域如生物固氮、食品保存、CRIPSR 育种、提升农作物光合效率等。 图 8：合成生物学企业图谱 资料来源：CNKI，西部证券研发中心 表 4：五大类合成生物学公司举例 企业企业 国家国家 企业类型

43、企业类型 当前融资轮次当前融资轮次 累积融资额累积融资额/ /市值（亿美元）市值（亿美元） 主营业务主营业务 Ginkgo 美国 平台型 上市 86.1 高通量菌株改造和生产 Novozymes 丹麦 生产蛋白型 上市 168.7 大宗蛋白酶类 凯赛生物 中国 细胞工厂型 上市 106.2 生物法长链二元酸、生物基戊二胺、生物基聚酰胺 Editas 美国 医疗诊断型 上市 15.1 基因编辑 Pivot Bio 美国 农业环境及能源型 D 轮 6.0 微生物固氮产品 资料来源：Wind，西部证券研发中心 行业专题报告 | 化工 11 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 20

44、22 年年 02 月月 21 日日 二、技术二、技术的的发展发展与迭代与迭代驱动驱动行业行业螺旋式上升螺旋式上升 2.1 方法论：从随机走向理性，方法论：从随机走向理性，研发效率得以提升研发效率得以提升 微生物/菌种是生物法生产化学品的核心，在 20 世纪 90 年代之前，目标产物高产菌株主要通过天然微生物的筛选和非理性诱变育种技术获得。 这种将随机突变和定向筛选相结合的策略在工业菌株的开发上已经有诸多经典成功案例。然而，由于突变过程的随机性，这由于突变过程的随机性，这种种随机诱变随机诱变策略往往花策略往往花费费时间长、工作量大，是一种典型的“以时间时间长、工作量大，是一种典型的“以时间/人力

45、换效果”的策人力换效果”的策略。尽管如此，由于其具有操作简单、适用范围广、属于非转基因操作等优势，至今仍是略。尽管如此，由于其具有操作简单、适用范围广、属于非转基因操作等优势，至今仍是微生物育种的常用平台技术微生物育种的常用平台技术。 随着随着 DNA 合成技术的发展，基于芯片的高通量合成技术的发展，基于芯片的高通量、高保真、高保真 DNA 合成技术显著降低了合成合成技术显著降低了合成时间、合成成本和错误率时间、合成成本和错误率。同时，单个酶的大量合成和高通量筛选相结合，能有效解决外源基因的表达和翻译问题。而标准化的结构元件和调控元件文库，如启动子、核糖体结合位点和信使 RNA 稳定区文库，

46、为合成途径的创建提供了坚实的物质基础。 基因编辑方面，基因编辑方面，CRISPR/Cas （ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated proteins）系统是近年发展起来的一种重要基因组定向编辑手段，该系统可以特异性定位目标 DNA 序列， 可用于调控基因表达强度、 敲除基因、 定点突变等。目前 CRISPR/Cas 技术已成功应用于大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌、酿酒酵母等模式生物，可用于生产脂肪酸、维生素、氨基酸、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等多种化学品，是最主要的基因组编辑手段之一。在此

47、基础上科学家们通过人工设计在此基础上科学家们通过人工设计 DNA 片段或途径引入合适的片段或途径引入合适的底盘细胞，摆脱了非理性诱变筛选的局限性，底盘细胞，摆脱了非理性诱变筛选的局限性，可可更有针对性更有针对性地地设计出理想性状的微生物细设计出理想性状的微生物细胞工厂，研发胞工厂，研发效率大幅提升效率大幅提升。未来，随着 DNA 大片段、多拷贝快速组装技术的进一步发展，微生物细胞工厂理性改造的效率将进一步显著提升。 那么技术发展的未来那么技术发展的未来及及上限在哪里呢？上限在哪里呢？自基因工程出现以来， 人类对现有生物体加以人工修饰的技术一直都在飞速发展。通过合成生物学技术，我们可以按照自己的

48、想法对基因序列进行插入、删除和修饰，从而启动生物体内新的通路，产生新的表型和代谢产物或者对其计算机模拟计算。这些技术可以以前所未有的速度与效率，帮助我们对基因组内的基因排列及所处环境进行研究，在我们已经掌握的遗传中心法则的基础上，为我们提供大量的上帝视角并促使我们加以新的探索。但但目前也存在着一些瓶颈，目前也存在着一些瓶颈，例如例如理性改造的成功率有理性改造的成功率有限限、存在一定的逃逸几率存在一定的逃逸几率等等。此外，此外，由于人类认知的有限，许多真正关键的改造靶点还尚由于人类认知的有限，许多真正关键的改造靶点还尚未被发现，因此现阶段的设计改造未被发现，因此现阶段的设计改造可能仍可能仍无法突

49、破瓶颈。无法突破瓶颈。但随着生物信息学和各种组学技术的快速发展，基因组范围内大量的未知功能基因位点逐渐被人们所认知，包括潜在的别构调节区域、复杂的转录调节网络等。这些未知功能区域实际上在整个细胞内发挥着举足轻重的作用。 高通量基因编辑技术和表型筛选技术的发展有可能为未来微生物细胞工厂的构建范式带来革命性的变革。 在此基础上科学家们有希望构建定制化的全基因组水平的细胞工厂，解决单凭理性设计带来的全局限制。尽管如此，目前我们目前我们仍仍无法对无法对随机诱变和理随机诱变和理性设计哪个更好性设计哪个更好下定明确结论，因两者通常要紧密结合。下定明确结论，因两者通常要紧密结合。随机诱变跟高通量筛选和硬件设

50、备的提升有关，理性设计则与对机制的认识和软件有关。相信未来随着对微生物认知的提升及数据量增加，普适性的理性设计会越来越多，同时随机诱变或定向进化将作为辅助。 行业专题报告 | 化工 12 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券西部证券 2022 年年 02 月月 21 日日 图 9：微生物细胞工厂设计构建方法的迭代 资料来源：CNKI微生物细胞工厂的设计构建 ，西部证券研发中心 图 10：CRISPR/Cas 技术应用原理 图 11：CRISPR/Cas 技术应用领域 资料来源：Elsevier，西部证券研发中心 资料来源：Elsevier，西部证券研发中心 2.2 底层技术及底层技术