人类历史上曾经发生过两次生物技术革命，对人类经济社会与生活都带来了深远影响。

第一次是DNA双螺旋结构的发现。分子生物学使生物大分子的研究进入全新阶段，使人类对遗传的研究深入到分子层次，让人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径，打开了“生命之谜”。

第二次是人类基因组计划的完成。即“农业生物技术”革命，使探秘基因组学有了新的工具和方法，最典型的就是转基因动植物。

人类基因组计划是人类历史上对生命最大规模的一次探索，意义深远。这个计划的完成使中国进入到基因科技的国际先进行列，改变了全球组学的格局，更推动了我国以组学为基础的生物产业，使我国研制的测序仪达到量产级别。

第三次是合成生物学技术，它正在发生。其采用工程化理念、对生物体进行有目标的设计、改造，乃至重新合成，创建赋予超越自然功能的人造生命体系，是催动原创突破、学科交叉融合的前沿学科。

合成生物学近几年热度频起，被多国智库评为十大颠覆性技术，受到资本市场高度关注，已成为新一轮国际生命科学技术研究的前沿焦点和必争之地。

一、合成生物学概念

那么到底什么是合成生物学？——可以理解为生物学的工程化，相当于解构各种基础生物元件，然后重新构建具有期望功能的生物系统，生产各种我们想要的东西。

合成生物学这一名词最早被提出可追溯到1910年，是指利用物理和化学方法合成类生物体系来模拟生命过程，了解生命机制。

2000年, 在美国化学学会年会上，斯坦福大学Eric Kool在基因组学和系统生物学基础上引入工程学概念，重新定义“合成生物学”，标志着这一学科的出现。

合成生物学是一门交叉学科，基因工程是其发展基础。合成生物学是在分子生物学、系统生物学等众多学科发展到一定阶段的基础上诞生的，在现代生物学和系统科学以及合成科学基础上发展起来，融入了工程学思想和策略，融合了生物学、化学、物理学、数学、信息科学、工程科学、计算机科学等相关学科。

合成生物学具有效率提升、成本降低、节能减排和原料再生等多重优势和价值。以合成生物学为指导，设计有机化学品的高效合成路线和人工生物体系，逐渐从天然生物的轻度修饰向全人工合成的生物或生命过度，不仅可能高效利用原来不能利用的生物质资源，也有可能高效合成原来不能生物合成、或者原来生物合成效率很低的产品。

这将为突破自然生物体合成功能与范围的局限，打通传统化学品的生物合成通道，为发展先进生物制造技术、促进可持续经济体系形成与发展，提供重大机遇。

二、合成生物学产业发展沿革

合成生物学的发展主要经历了四个发展阶段。

第一阶段（2005年以前）：以基因线路在代谢工程领域的应用为代表，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。

第二阶段（2005-2011年）：基础研究快速发展，年度的专利申请量较之前并未有显著增加，合成生物学研究开发总体上处于工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段，体现出“工程生物学”的早期发展特点。

第三阶段（2011-2015年）：基因组编辑的效率大幅提升，合成生物学技术开发和应用不断拓展，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、作物育种、环境监测等诸多领域。

第四阶段（2015年以后）：合成生物学的“设计—构建—测试” 循环扩展至“设计—构建—测试—学习”，“半导体合成生物学”、“工程生物学”等理念或学科的提出，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。

21世纪以来，基因线路的工程化开发，开启了合成生物学的“会聚”发展历程。随后，在各国政府的科技战略和强力支持下，基础研究率先快速发展，研究论文产出不断增加。

经过10年左右的发展，合成生物学技术的应用开发蓄势而发，专利申请量进入快速增长期；又经过5年左右的发展，投资者对于合成生物学领域的高度关注和开发热情，多元资金的投入，使合成生物学企业的融资额不断攀高，进一步促进了相关技术的应用和产品的开发。

技术驱动-基因“读-改-写”技术的发展直接促进了合成生物学的产业应用。基因测序、基因编辑和基因合成是合成生物学的三大基础使用技术，这三大技术的发展迭代以及成本的降低大大促进了合成生物学在产业界的应用。

合成生物学产业的快速发展，除了技术驱动，还有政策驱动的加持。

全球20多个国家均出台了推动合成生物技术成果落地的政策。2014年6月，世界经合组织(OECD)发表题为“EmergingPolicy Issues inSyntheticBiology”的报告。该篇报告从合成生物学前景说起，并认为该领域前景广阔，建议各国政府把握好机遇，大约20个国家纷纷出台相关政策。

中国也将合成生物学写入“十四五”规划，各省纷纷跟进，出台支持政策。2022年5月，国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》，规划中多次提及“合成生物学”，覆盖医疗健康、食品消费等领域。规划指出， 推动合成生物学技术创新，突破生物制造菌种计算设计、高通量筛选、高效表达、精准调控等关键技术，有序推动在新药开发、疾病治疗、农业生产、物质合成、环境保护、能源供应和新材料开发等领域应用。与此同时，各省在十四五规划中也纷纷涉及支持合成生物学的发展政策。

在政策的推动、创新的驱动下，合成生物学的投融资近年来呈现高速增长的态势。截至2019年，全球合成生物学领域的公司超过730家。SynBioBeta的数据显示，2010—2020年，全球合成生物学投融资1130起，总金额超过210亿美元。2020年，合成生物学企业获得了高达78亿美 元的融资，是前一年的2.5倍。2021年，合成生物学领域的融资额达到了180亿美元，几乎追平了之前12年的融资总额。

根据Reportlinker统计，2021年合成生物学全球市场规模首次超过了100亿美元，预计2026年可达336亿美元，年复合增长率在27%以上。

三、合成生物学产业链及产业生态

合成生物学公司可以分为两类，一类是专注于下游应用的产品型公司，拥有规模化生产的能力和市场化能力；另一类是拥有菌株改造等基础研究能力的平台公司。

平台型公司又分为两类，一类只做服务，将改造好的菌种销售给下游产品型公司，也有的平台类公司拥有自己的产能，实现全产业链闭环。合成生物学上游为工具类公司，包含基因测序、基因编辑和基因合成等公司，这类公司为合成生物学公司提供底层技术，但并不是只服务于合成生物学领域，在合成生物学产业之外，他们也是独立的领域，或者服务于其他产业。

中国前端菌株改造底层技术有差距，但作为发酵大国，可提供产业化基础。合成生物学是基于生命科学的底层技术发展起来的，大家都是站在巨人的肩膀上去做创新，现阶段中国企业和海外企业基本上还是处在同一个发展时期。

在菌株改造等底层技术方面，中国与美国等领先国家仍然有一定差距。中国生物制造业已经形成了非常显著的产业基础和成本优势。中国在20世纪五六十年代就有比较成熟的工业菌种育种技术和生物发酵产业。

近十几年来，中国工业菌种支撑的现代生物制造产业发展势头非常迅猛。中国生物发酵产业全球规模第一、影响广泛，中国的发酵产能几乎占到全球市场的70%。

合成生物学未来具有广阔的应用场景。合成生物学通过对生物系统的人工构建，不仅可以实现对生命的更深刻认知，从“格物致知”到“建物致知”的转化，而且还可以“建物致用”， 用绿色、可持续的方法去制造人类需要的产品。合成生物学的多学科融合和交叉特点使其在医药、化学品、材料、生物燃料、食品、环境等领域都表现出了广阔的应用前景。

替代天然产物方面，采用基因组学技术发掘天然产物代谢途径、合成生物学手段在微生物中重构天然产物合成途径已经成了药用植物研究的热点。

肿瘤等疾病诊断方面，通过遗传改造向目标细菌植入报告基因，利用改造细菌与肿瘤细胞接触后性状的改变，识别肿瘤检测。

食品合成方面，食品合成生物学是在传统食品制造技术基础上，采用合成生物学技术，特别是食品微生物基因组设计与组装、食品组分合成途径设计与构建等，构建具有特定合成能力的新菌种。

替代化工产品方面，利用合成生物学技术重组的工程菌，在工业化工产品领域也发挥着巨大作用。目前,已有科学家利用合成生物学技术改造细胞来实现生产塑料和纺织品的化工前体。

生物检测方面，通过合成生物学技术，可以利用电路设计思路同生物细胞相结合，设计改造基因线路，提高生物传感性，实现一些化学物质的生物检测。

环境保护方面，合成生物学在保护和恢复环境方面具有许多潜在的重要利用价值， 例如：将新的基因改造的微生物用于水源、土壤和空气的净化；利用海藻进行碳固定等。

生物燃料方面，目前，合成生物学研究已经应用于第二代生物乙醇、生物柴油等生物燃料产品的研发，并逐渐取得越来越多的技术进展，一些有发展前景的生物燃料产品已经步入准商业化生产进程。与此同时，合成生物学研究还在不断地应用于多种新型生物燃料产品的设计与转化合成研究。

生物新材料方面，通过对自然界生命控制中心的认识和再设计，指导复杂作用结构的装配，可以开发新型的生物材料，例如设计制造新型的更为坚实的细胞膜；创造新型跨膜运输和分泌通道；以蛋白质为载体辅剂促进纳米技术的发展等。