化工行业合成生物学专题报告：革故鼎新，方兴未艾

（报告出品方/作者：西部证券，杨晖）

1.1合成生物学处于发展初期，近年来蓬勃发展

当时很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”，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，在此过程中设计与构建一系列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。利用合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：

1）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、贝瑞基因等；

2）基因元件的标准化：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及“细胞工厂”：不管是天然产物生产、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合成生物学构建出的高产菌株开发落地，2005年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。

1.2合成生物学市场空间及应用领域广阔

据CBInsights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健康、科学研究和化学工业。

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）、抗病毒和凝血作用显著的咖啡酸（caffeicacid）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。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，合成生物学在干细胞与再生医学、药物载体的靶向递送和治疗等领域均在发挥重要作用。

在化学工业领域，合成生物学有望助力解决化工原料及能源问题，并在部分化学品的生产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。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。

1.3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：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：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（OxfordNanopore），其开拓了新的应用场景和方向。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（GinkgoBioworks）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（BotaBio）等。

2）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，如合成医药相关中间体，代表性公司包括弈柯莱等。

3）“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ImpossibleFoods公司通过酵母生产血红素，添加到植物大豆蛋白中生产人造肉等。

4）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、CRISPRTherapeutics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：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。

2.1方法论：从随机走向理性，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，这种随机诱变策略往往花费时间长、工作量大，是一种典型的“以时间/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，至今仍是微生物育种的常用平台技术。

随着DNA合成技术的发展，基于芯片的高通量、高保真DNA合成技术显著降低了合成时间、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，为合成途径的创建提供了坚实的物质基础。基因编辑方面，CRISPR/Cas（ClusteredRegularlyInterspacedShortPalindromicRepeats/CRISPR-associatedproteins）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。在此基础上科学家们通过人工设计DNA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，可更有针对性地设计出理想性状的微生物细胞工厂，研发效率大幅提升。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及上限在哪里呢？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。但目前也存在着一些瓶颈，例如理性改造的成功率有限、存在一定的逃逸几率等。此外，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可能仍无法突破瓶颈。

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，目前我们仍无法对随机诱变和理性设计哪个更好下定明确结论，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。

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

DNA测序技术进步，测序成本快速下降，加速“读取”生物遗传密码。

（1）测序技术的发明。1977年Sanger发明双脱氧链终止法（Sanger测序法）、Maxam和Gilbert发明化学降解法测序技术。随后第一代基因测序技术代表的ABI3700荧光标记自动核酸分析仪（Sanger测序法）的发明将基因测序带入自动化时代。2000年人类基因组计划完成，当时使用的测序方法是通量较低的荧光标记毛细管电泳的Sanger测序方法。尽管Sanger测序有着测序读长长（500～600bp）、错误率低（0.001%）的特点，但是其测序通量太低、耗时太长（单次反应10小时），一个96孔板24小时仅能测出115kbp的序列。也正是由于当时测序技术的限制，人类基因组计划耗时近8年斥资近30亿美元才测得大部分的人类基因组。在资本和政策的刺激下，测序技术的研发和迭代迅速铺展开来。

（2）下一代测序（NextGenerationSequencing，NGS）技术的出现。NGS技术又称大规模平行测序或深度测序，包括第二代、第三代和第四代测序技术。具代表性的第二代测序平台有瑞士Roche公司的454测序技术，美国Illumina公司的基因组测序仪（GenomeAnalyzer，GA）、HiSeq2000和MiSeq，美国ABI公司的寡聚物连接检测测序（SequencingbyOligoLigationDetection，SOLiD）5500XL等。第三代测序平台有美国HelicosBiosciences公司的HeliScope遗传分析系统和PacificBiosciences公司的单分子实时（SingleMoleculeRealTime，SMRT）测序技术。第四代测序技术有英国OxfordNanoporeTechnologies公司的纳米孔测序技术。2019年3月，市场调研机构GrandViewResearch预测，在未来几年新一代测序技术（NGS）的市场将以12.78%的复合年增长率快速增长，至2025年预计将达到197亿美元，在全球基因测序市场规模中占比近90%。

（3）测序成本显著降低。当前应用最为广泛的是美国Illumina公司的测序技术，其属于第二代测序技术。2014年初该公司推出的HiSeqX-Ten测序系统包括10台高通量测序仪,以人均1000美元左右的成本每年可完成18000人的全基因组测序。但要注意的是测序的成本与测序的深度紧密相关，1000美元的花费目前可以产生约90G的数据,对人类基因组来说大约是30×的测序深度。2017年1月10日,Illumina公司推出了新的NovaSeq测序仪,使得100美元测序的目标变得更近,进而每个人都可能在精准医疗中获益。总之，DNA测序技术的发展可谓日新月异，其成本以超出摩尔定律的速度快速下降，奠定了合成生物学的成本基础。

DNA合成技术及基因编辑技术发展，人类“编写”基因组成为可能。如果说DNA测序技术打开了人类对生命遗传规律的认知之门，那么人工DNA合成技术使人类进一步深度认知、改造甚至创造生命成为可能。

（1）DNA合成技术的发展。DNA合成技术是现代分子生物学的根基。PCR（聚合酶链式反应）或者酶切手段只局限于获得自然界已有的DNA片段，而DNA的从头合成则可以通过Oligo（寡链核苷酸）的拼接获得人工设计的特定DNA片段，为人工设计基因及生物性状奠定基石。目前Oligo的合成方法可分为已经成熟并商业化的化学法和正在研发中的酶促合成法。（2）随着基因合成技术的进步，拼装完整的病毒或者噬菌体基因片段难度大幅下降。2020年，Thao等利用化学法合成基因片段，基于酵母组装平台，在T7RNA聚合酶转录作用下，在一周内就完成了2020年新型冠状病毒SARS-CoV-2的合成，给后续病毒机理研究及疫苗开发提供研究基础。

（3）DNA合成技术的发展促进了代谢工程改造、酶工程改造、抗体工程、IVD诊断、寡核苷酸药物、DNA数据存储等多个合成生物学领域的发展。尤其是面向特定应用的DNA合成技术，将会给下游应用领域带来革命性的变革。比如通过建立DNA合成设计到特定应用的快速自动化合成平台，将加速有益于人类功能活性物质的生产或药物分子的菌株改造效率。作为DNA数据存储流程的基础技术，人工DNA合成技术是DNA数据存储从概念走向大规模应用的关键。在全球数据大爆发的背景下，开发针对DNA数据存储的长片段、低成本、快写入的DNA合成技术，对于加速DNA数据存储的应用以及解决人类面临的数据危机尤为重要。

诱变育种与高通量筛选设备持续更新。

（1）诱变育种。从头合成药物等其他天然化合物并非易事，例如维生素B12的代谢途径十分复杂，需要涉及30余个合成基因的共同作用，并存在多条分支途径，且未有详尽的代谢工程研究来阐明合成途径的调节机制，致使通过优化代谢途径的方法对菌种的定向改造困难重重。因此诱变育种的方法仍是提高微生物生产能力的高效便捷手段。传统的诱变方式有物理诱变（紫外、激光照射等）、化学诱变（烷化剂等）。但诱变效率有限，且过程中对微生物有一定的毒害作用。相对于其他较为传统的诱变技术，新型常压室温等离子体（AtmosphericandRoomTemperaturePlasma，ARTP）诱变育种技术在具有操作简易且条件温和的基础上，可以达到一次诱变便能获得2万个以上突变体的大库容高效诱变，其安全高效的特点使ARTP技术已广泛应用于获得工业发酵高产菌株。

（2）诱变后进行高通量筛选是获得高产突变株的另一关键步骤。微流控芯片是近年发展起来的一种全新的微量分析技术，可将样本前处理、分离检测等多个步骤集合在一起，使不连续的分析过程连续化、集成化、自动化、微型化，具备分析剂量小、速度快、成本低、易于集成开发等独特优势，已应用于生命科学研究、环境科学、病原微生物检测、临床体外诊断等领域，可用于高纯度和高通量筛选目标细胞。

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

“双碳”目标驱动工业转型。根据世界气象组织统计数据显示，当前地球二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的浓度分别比工业化前高出149%、262%和123%，而这种增长在2021年仍在继续。

在此背景下，2020年9月中国于联合国大会做出承诺，力争2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和。目前我国已建立碳中和政策体系雏形，发展绿色制造经济成为重要解决方案之一。“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提到我们需要“加强原创性引领性科技攻关（基因组学研究应用，遗传细胞和遗传育种、合成生物、生物药等技术创新）”。在全国各个地区的十四五规划中提及“合成生物学”高达40余次，其中深圳市人民政府专门出台了《深圳市光明区关于支持合成生物创新链产业链融合发展的若干措施》等，双碳经济下的工业转型正在发生。

生物法制造化学品是推动节能减排和发展低碳经济的必然选择。根据中科院天津工业生物技术研究所统计，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％，这对化石原料的替代、高能耗物耗和高排放工艺路线的替代以及传统产业的升级将产生重要的推动作用。

从全流程角度看，生物法制造化学品也有诸多优势。以异戊二烯为例，它是生产合成橡胶的重要单体，已广泛应用于医药、农药、食品等领域，同时可生产樟醇、柠檬醛、角鲨烯等多种精细化工产品。传统的化学产品多基于石油基路线，异戊二烯传统生产工艺也主要依赖石油基产品。石油脑及其他裂解原料制备工业乙烯过程中可产生副产物C5馏分，利用溶剂萃取蒸馏和共沸精馏可分离C5馏分中的异戊二烯，是目前工业上生产异戊二烯的主要方法。对比传统石化路线，合成生物学方法生产异戊二烯具备以下优势：

1）能耗更低、反应条件温和且环保。化学法生产异戊二烯基于C5馏分精馏，加热分离的工艺消耗大量能量，同时其化学合成过程产生大量的工业废水。而生物合成方法基于酶法路线，对比化学催化剂，酶具有效率高、专一性强、反应条件温和等特点，可大幅降低反应的活化能，进而节约反应所需能耗。

2）产品纯度更高。化学法分离出的异戊二烯为混合物，纯度相对较低且进一步提纯的流程复杂、经济性较低。而生物合成方法是从头开始设计合成，发酵生产后的杂质分离简单、可得的化学品纯度高。此外，化学法生产难以分离手性化合物，例如1,4-丁二醇、L-丙氨酸等的化学法生产多为手型混合物，给后续分离带来较大难度。而从头设计光学手性化合物的生物法生产，具有更好的特异性，可避免分离过程。

3）可极大地降低安全隐患。化学法生产过程中需要大量加热设备，同时涉及较多易燃易爆化学品，如异戊二烯的丁炔-丙酮制备方法就涉及较多危险化学品。而生物合成方法的反应条件较温和，发酵过程通常为常温常压，同时废弃的工业菌种也已经过减毒灭活处理，极大地降低了工业生产过程中的安全隐患。

3.2国内政府高度重视合成生物学发展

虽然侧重点各有不同，但强调合成生物学技术创新，并以其引导产业提升甚至产业革命的核心理念基本是一致的。2020年2月，教育部审批通过天津大学新增本科专业“合成生物学”，在人才培养上再次明确了合成生物学领域研究重要性。在《广东省科技创新“十四五”规划》中，广东省政府提出将合成生物学领域作为“前沿技术和颠覆性技术研究”实施研发专项，同时还在行动计划中明确要“提升合成生物系统的定量可预测设计能力”“推动合成生物技术在工业生物智造、疾病诊疗、环境安全、能源安全与国家安全等领域的颠覆性前沿技术创新与工程化应用”。深圳市光明区政府则率先将合成生物创新产业链的扶持政策充分落地，给予企业充足的财政补贴及支持。

3.3融资速度加快，医疗健康领域融资规模大

大部分增长归因于交易数量达到创纪录的73笔交易，而平均交易规模虽有所下降但仍非常可观，为8360万美元。根据医药魔方（PharmaInvest）数据库，截止2021年12月，全球共有超730家生物技术（Biotech）公司披露融资消息（不含IPO/战略投资/并购/增发），累计融资金额超425亿美元。据SynbioBeta预测，2022年将是合成生物学有史以来最好的投资年，年底有望达成从2009年开始到2021年的所有年份总和一样多的融资资金。

合成生物学在医疗健康行业的融资额继续大幅超过其他行业。合成生物学在医疗健康领域的应用广泛，涉及细胞免疫疗法、RNA药物、微生态疗法、基因编辑相关应用、体外检测、医疗耗材、药物成分生产和制药用酶等众多领域。例如利用mRNA技术可快速人工合成疫苗，利用基因编辑技术可治疗遗传疾病，设计细胞行为和表型精确调控的免疫细胞可治疗肿瘤，改造微生物可生产医疗耗材和药物化合物等。随着合成生物学技术的创新及充分应用，未来将帮助人们解决更多的健康问题。在此前的市场空间测算中，医疗健康领域的市场占比达到约40%，同时据CBInsights预测，合成生物学涉及的医疗健康领域的市场空间在未来4-5年年复合增长率将达19%。2021年，医疗和医药行业的融资额在第三季度的28笔交易中增加了27亿美元，而今年迄今为止在64笔交易中达到67亿美元。

己二腈长期被国际寡头垄断，“卡脖子”技术限制我国尼龙产业链发展。聚酰胺俗称尼龙，是工业中应用广泛的一种工程塑料，其中尼龙66具有良好的综合性能，在服装、户外运动品、绳索、汽车、电子电器和轨道交通中有着广泛的应用。受下游行业的需求影响，我国尼龙66需求持续稳增，近五年的平均增速为6%。然而，尼龙66上游原材料己二腈的生产工艺较长、催化剂体系复杂、反应物中含有剧毒的氰化物，故技术壁垒非常高，全球的己二腈产能主要集中在美国、法国和日本。因此，我国己二腈严重依赖进口，且主要来自美国英威达公司。在寡头垄断的供应格局下，己二腈价格经常剧烈波动，如2018年国外己二腈装置开工负荷降低直接引发国内己二腈—己二胺—PA66产品链产生多米诺骨牌效应，导致PA66价格暴涨，严重限制了我国尼龙产业链发展。当前，国内华峰化学、天辰齐翔、神马股份等企业的己二腈工业化生产已初显成效，然而也仅处于刚起步状态。

凯赛生物的生物法聚酰胺56绕过己二腈环节，摆脱进口依赖。公司通过生物法生产戊二胺，绕过“卡脖子”的己二腈环节。其生物基戊二胺的主要生产过程可分为三步：1）玉米经过深加工得到葡萄糖液；2）葡萄糖液经过赖氨酸菌发酵得到赖氨酸；3）赖氨酸经过脱羧酶菌发酵后，经过转化、蒸发、中和、离心、脱水精馏等步骤，最终得到戊二胺产品。公司所得戊二胺产品可以外售，也可以自用，其产品质量已被下游纺织、汽车和电子电器等行业的国际高端客户认可。戊二胺进一步和己二酸混合反应、浓缩聚合可得到聚酰胺56（尼龙56），经过切粒或纺丝得到可以外售的尼龙切片或尼龙短纤。

尼龙56的物理性能和尼龙66接近，且在特定应用领域中具备一定的性能优势：1）相比传统的尼龙66，尼龙56在吸湿性、阻燃性、柔韧性、化学品耐受性等方面有着一定优势；2）其主要原料是玉米、秸秆等生物质能源，相比己二胺使用化石原料生产，在原料使用上实现了“负碳”排放，能耗明显减少；3）以戊二胺和长链二元酸的生产为基础，可在尼龙56的基础上发展出更多具备不同性能特点的生物基尼龙产品（PA5X），尼龙产品线得以拓宽，有望占领多领域的细分市场。

5.1Amyris

作为合成生物学产业化的开山鼻祖，Amyris（Nasdaq：AMRS）可谓出道即巅峰：2003年以加州大学伯克利分校的JayKeasling为代表的几位顶尖科学家，为了研究利用合成生物学技术生产抗疟药物青蒿素及其他萜类化合物，成立了Amyris。起初作为一家非营利性公司，Amyris的生物法合成青蒿素无疑是十分重要并吸引市场和学界眼球的，因为青蒿素的规模化量产无疑会为数百万饱受疟疾之苦的患者带来新的希望。幸运的是，公司在成立第三年便实现了第一个发展里程碑：2005年公司研发出了能够产生青蒿酸（Artemisinicacid，合成青蒿素的重要前体）的酵母菌株。随后2008年，公司将这一技术转让给了法国制药巨头赛诺菲（Sanofi），并凭借持续不断的融资，开始转向研发、生产及售卖面向其他更广阔市场的“可持续替代品”。青蒿素的成功使得资本市场对公司的未来充满期待，2010年公司在美国纳斯达克股票交易所上市。

然而，在初涉资本市场历经短暂的辉煌后，公司股价出现大幅波动，主因是自身经营状况特别是新产品的大规模生产面临了困境。自2011年上市以来，公司主要经历了三大发展阶段：（1）2012至2013年以生物柴油为产品核心，然而其工业化放大效果不及预期；（2）2014至2015年为业务转向的关键期，公司业务转向以香精业务为核心发展高附加值产品；（3）2015年以后，公司不断扩大品牌战略，将业务扩展至健康与清洁美容等领域。

上市以来，公司三大阶段的股价波动皆与较为薄弱的放大生产能力有关，而金融市场受挫又反作用于公司的资金困境，使其规模化生产之路雪上加霜。由于不同规模的生物技术以及发酵生产过程的不可预测性，生物技术商业化中最具挑战性的部分通常是放大和制造阶段。公司在2011年上市初，曾承诺核心产品生物柴油Biofene（法尼烯分子，Farnsene）产量在2011年将达到600万升至900万升，2012年将生产4000万升至5000万升，公司股价因此曾一度飙升至33美元。然后此后因在巴西设立的工厂的放大规模不及预期，最终年报披露产量只足够供400辆公交车，生物柴油产品业务发展受放大瓶颈的限制从而终止。

生物柴油放大的失败迫使公司依靠法尼烯衍生品将业务核心转向高附加值、小批量的香精业务。此后，公司的产品组合不断扩大，依靠优异的高通量菌株筛选平台所能产出的分子数目不断增加，但却始终面临收入疲软、运营成本高、债务居高不下带来的经营亏损的困境。2021年第三季度公司归属普通股东净亏损为3.08亿美元，在营收为2.77亿美元的情况下，营业支出高达3.26亿美元（其中销售、行政及一般费用为1.63亿美元）、非营业支出为259万美元（其中因债务导致的利息支出为15万美元）。

实际上如前所述，为了扭转困境并获取实际的收益，公司进一步基于其原有的研发基础和产品线，对产品进行了延伸。例如公司此前的明星产品法尼烯，再经一步简单的转化可合成一种叫做角鲨烯的成分，角鲨烯再经去氢处理能够得到性质更加稳定的角鲨烷（Squalene）。角鲨烷具有高度的亲肤性和稳定性，获得护肤界的高度青睐，号称“护肤万金油”。此外，角鲨烷还广泛应用于溶剂、聚合物材料和可再生能源等领域，是公司的核心竞争力之一。传统的角鲨烷从鲨鱼的肝脏中提取，每只鲨鱼仅能提取出0.3-0.4kg。公司通过自身研发改造的酵母来大量合成角鲨烷，进而降低了成本，也迎合了生态环保。

在该业务线上，公司和欧莱雅、雅诗兰黛、亿帆医药等知名厂家都建立了合作。如今公司的定位为一家领先的工业生物技术公司，利用其具有亮点的自动化技术平台为健康与保健、清洁美容和香精香料市场设计、制造和销售高性能、天然、可持续采购的产品。截止2020年，公司已经成功地利用生物技术推出直接面向消费者的甜味剂品牌Purecane，Biossance（销售角鲨烷）品牌护肤品和Pipette母婴护理产品线（现已有七款产品），向香精业务公司供给十种生物分子并与合作伙伴共同生产。

目前公司的生产仍较多依赖与外界的合作，尚未成为“一家真正的产品公司”。2020年底，公司与帝斯曼公司达成战略交易，公司授权帝斯曼向香料巨头Givaudan供应法尼烯的生产和销售的权利。实际上此前公司已与帝斯曼建立了战略合作伙伴关系。2017年5月，帝斯曼对公司进行了2500万美元的初始股权投资，转换为约12％的股权，并在同年收购了公司位于巴西发酵生产法尼烯的工厂，成为Amyris背后的大股东之一。

虽然和帝斯曼的合作可以为公司提供优质的市场渠道，并为公司的市场开拓提供宝贵的经验，但是工厂的出售使得公司不再拥有完全独立的大型生产基地（截止2021年底），而新建的巴西生产基地预计将于2022年一季度开始生产，此前公司生产主要依靠在巴西、美国和欧洲的合作基地完成。从报表上看，公司营业收入中的关联方赠款和合作收入占比从2018年的12%上升至2021年三季报的58%，独立的可再生产品收入占比则从2018年的53%下降至37%。

5.2Novozymes

自2000年作为独立的酶业务企业从NovoTerapeutiskLaboratorium公司分拆以来，Novozymes（诺维信，Nasdaq：NVZMY）一直有着明确的市场定位——世界上最大的酶制造商，公司酶业务的市占率一直维持在50%左右。从1945年第一个酶产品胰蛋白酶的推出到2010年，公司用时65年时间完成现有业务板块的构建。1983年公司推出第一个微生物发酵生产的洗涤剂酶Alcalas，2001年公司开始涉足生物燃料催化酶业务，2005年公司推出第一款生物发酵产聚合物产品（后续公司在中国透明质酸市场投资不断，该业务却始终未能为公司贡献可观营收），2010年公司第一款商业化生物燃料催化酶推出。

自2000年上市以来，公司业务发展可分为以下三个阶段：（1）2000年至2006年，作为一家新兴公司业绩增长较为乏力，年复合增长率为5.15%；（2）2007年，公司开始进军革命性产品生物燃料乙醇相关酶的研发，这类产品后续为公司贡献了约20%左右的营收。直至2015年，公司业绩增长处于高速期，年复合增长率达8.15%，且公司股价在这一期间增速稍快于纳斯达克指数。（3）2015年以后，公司发展进入平台期。2020年受疫情影响较大，2015年至2020年年复合增长率仅为0.01%。通常情况下公司股价走势与纳斯达克指数走势十分接近，这与公司所涉足的业务类型有关。

公司业务与生活必需品紧密相连，营收结构稳固。公司每年推出6-10款新型酶产品，但新产品本身通常并不具有革命性，而是建立在往年产品的基础上在性能上有所改进。公司主营业务为五大部分：家庭护理（占比33%），主要产品为洗涤剂酶；食品饮料（占比27%），主要产品为用于面包发酵等食品生产过程；生物燃料（占比18%），主要产品用于生物质转化产生乙醇燃料过程；农业饲料（14%），主要产品为农作物生产过程中所使用的酶产品；工业与医药（10%），主要产品用于污水处理，药物生产过程。公司所参与生产的市场终端产品与生活联系紧密，其多为快速消费品（2016年公司被评为宝洁最佳业务合作伙伴），某种程度上公司营收增长速度全面反映了当期国民生活状态。

公司是售卖“专一高效催化剂”的平台型公司。Novozymes的主营产品酶本身并不直接面向消费者，而是作为加速生产过程或是改善产品品质的“高效催化剂”添加至消费品的生产过程中。本质上，Novozymes的“消费者”是众多下游生产厂家，例如宝洁、巴斯夫等知名化工企业。据公司2019年年报披露，公司在全球拥有16家生产酶和微生物的工厂。虽然公司并未公布产能，但是作为催化剂酶在反应中所需量通常很小。作为生产解决方案的提供者，公司向外源源不断的输出本质上更接近一种技术。

5.3对国内相关企业的启示

从几家头部及热门合成生物学公司的发展历程和股价走势看，由于生物生产过程存在的诸多不确定性，以及从实验室转战规模化商品市场的不同竞争格局，合成生物学企业有时会无法恰当评估规模化生产的难度，抑或是做出不合公司实际发展情况的错误决策或承诺，最终反映为公司经营和业绩的不及预期，而在资本市场上则直接体现为投资人的信心缺失和股价的剧烈波动。

首先我们可以确认的是，合成生物学是一个“长坡厚雪”的赛道，无论是从碳中和的角度看，还是从制造业本身的角度，它都正在推动一场革命，体现在探索替代原料和生产工艺，并进一步延伸到性能更好的产品开发，用以解决能源紧缺、环境污染、医疗健康、全球可持续发展等多方面的问题。而对比海外，中国在合成生物学后端生物生产环节具备天然的产业基础和成本优势，同时前端的科研能力不输于海外、科研落地水平甚至更胜一筹。

其次，公司经营及股价出现波动，我们认为主要归结于合成生物学产业领域的两方面底层难题：选品难题和工艺放大难题。

对于选品问题，由于合成生物学从新产品开发到最终落地差不多需要5年左右甚至更长的时间以及千万元级别的投入，因此如果产品选错，例如产品的周期性较强，或是风靡几年后就会被市场迭代淘汰的产品，则会产生巨大损失。因此，对于合成生物学领域的初创企业来讲，在注重自身科研成果的延伸落地的同时，还要同时将实际市场需求和空间、以及产品经济性等多种因素考虑进去。

1）从市场需求角度，“刚性需求”是十分重要的，即站在10年或更长的维度是否有强有力的底层逻辑去驱动需求持续提升，以及是否紧密围绕社会最迫切的需求，代表性方面如可降解塑料。2）从研发的底层科学性角度，企业需要判断此改造是否符合生物自身的生命规律，例如想要通过微生物发酵得到的物质，是否处于或影响整个代谢通路中重要的物质能量节点（如果是，则想实现量产需要进行的工作就很多，同时隐含较大难度和不确定性），同时理性评估目标产品通过生物合成路径对比其他合成路径的效率和效益等。例如Amyris凭借成功产业化青蒿素起家并上市，然而随着大量非洲农民利用传统种植手段生产出青蒿素，其市场价值迅速降低，研发的成功不代表商业化选品的成功。3）企业是否具备足够的技术壁垒及未来持续研发的能力。4）从经济性角度，则不可避免要考虑工艺放大问题，即利用规模效应降本。

对于工艺放大问题，我们认为除去工艺开发本身确实面临的诸多难点，企业在工艺放大方面的产业化经验不足也是一大痛点。对于这一问题，我们认为合成生物学领域未来可能会借鉴制药领域对于新药开发的发展模式，即初创企业或高校研究所凭借自己长年的积累开发出一条高效的代谢通路或高产菌株，后续发酵、纯化、材料合成及改性等需要大量资本开支的过程则交给成熟的、具备充足产品工艺放大经验的公司进行开发，即行业业态将发展为上下游各自具备核心优势，充分合作与绑定。当然行业龙头一定会拥有自己的核心菌株和产品，也会凭借多年积累的生产放大、成本控制和市场推广经验，不断拓展产品版图。

6.1凯赛生物

公司是一家以合成生物学等学科为基础，利用生物制造技术，从事新型生物基材料的研发、生产及销售的高新技术企业。公司目前实现商业化生产的产品主要聚焦聚酰胺产业链，利用生物制造技术在全球率先实现了生物法长链二元酸系列、生物基戊二胺、生物基聚酰胺等生物新材料的产业化。其中，长链二元酸产品以产能计，公司国内市占率近70%；生物基戊二胺产品可突破国际巨头对己二腈化学生产工艺的垄断；生物基聚酰胺5X产品具有与传统通用型聚酰胺66接近甚至更优的性能，同时在大规模生产后具备成本优势。

公司目前正处在产能快速扩张期。2021年年中公司乌苏工厂10万吨聚酰胺、5万吨戊二胺投产，并于三季度开始贡献收入。同时，规划产能中的4万吨癸二酸及2万吨长链生物基尼龙预计将于2022年下半年投产。此外，公司还有规划中的50万吨戊二胺及90万吨生物基聚酰胺产能。随着公司产能的逐步释放，规模效应将逐渐显现，未来成长性可观。

6.2华恒生物

公司主要产品为生物法氨基酸，下游应用广阔。公司是一家以合成生物技术为核心，主要从事氨基酸及其衍生物产品研发、生产以及销售的高新技术企业，主要产品包括丙氨酸系列产品（L-丙氨酸、DL-丙氨酸、β-丙氨酸）、D-泛酸钙和α-熊果苷等，可广泛应用于日化、医药及保健品、食品添加剂、饲料等众多领域。目前公司拥有L-丙氨酸产能2.3万吨、DL丙氨酸产能2500吨、β-丙氨酸产能2000吨，核心产品L-丙氨酸的全球市场份额超过50%。公司以可再生葡萄糖为原料，实现发酵过程的二氧化碳零放排，与传统工艺相比，发酵法工艺下每生产1吨L-丙氨酸可减少0.5吨二氧化碳排放量。公司采用自产的L-丙氨酸制备DL-丙氨酸，采用自产的β-丙氨酸制备D-泛酸钙，形成了自有业务的上下游产业链优势，可很好地降本增效。

多个新项目在建，持续拓展产业链。据公司公告，IPO募投项目在巴彦淖尔新建L-丙氨酸、L-缬氨酸的交替式共用生产线，正在将厌氧发酵的成功生产经验应用推广。2021年6月，公司公告拟投资不超过2.5亿元建设“巴彦淖尔华恒生物科技有限公司年产1.6万吨三支链氨基酸及其衍生物项目”，进一步扩展业务范围并完善产业链，打造巴彦淖尔华恒生物大发酵基地。2021年8月，公司公告拟投资不超过2亿元建设“安徽华恒生物科技股份有限公司年产7000吨β-丙氨酸衍生物项目”，将持续扩大产能、提高市场占有率。

6.3华熙生物

公司是全球领先的、以透明质酸微生物发酵生产技术为核心的高新技术企业，凭借微生物发酵和交联两大技术平台，建立了生物活性材料从原料到医疗终端产品、功能性护肤品、功能性食品的全产业链业务体系。

公司透明质酸原料生产技术领先全球。1）公司是国内最早实现微生物发酵法生产透明质酸的企业之一，利用链球菌代谢产生透明质酸的天然特性，通过野生菌种诱变和高通量筛选得到透明质酸产率最高的优质菌株，率先实现了透明质酸微生物发酵技术产业化的突破。2）公司在国际上首次使用微生物酶切法大规模生产低分子量透明质酸及寡聚透明质酸，产品分子量范围广（2kDa-4000kDa），与化学降解法相比具有温和、高效的特点。

公司产业化优势突出，产能持续扩大。公司是目前世界上最大的透明质酸原料供应商，2021年4月收购东营佛思特、6月自建天津厂区投产后，透明质酸原料产能达720吨，产业化规模位居国际前列。公司透明质酸原料包括医药级、化妆品级和食品级近200个规格的产品，全球市占率（以销量计）已达43%。规模化效益提高了公司生产竞争力，公司透明质酸发酵产率已达到12-14g/L，发酵产率显著提高，单位透明质酸的生产成本不断下降。此外，济南生命健康产业园和海口生物科技产业园项目正在建设中，预计将分别于2022、2023Q2投产，公司终端产品产能有望持续扩大，未来成长性可观。

公司业务模式由“三驾马车”向“四轮驱动”转变，正在发力功能性食品业务。基于自研自产活性原料，公司已经构建包括生物活性物原料业务、医疗医美终端业务、功能性护肤品业务在内的三驾马车业务架构，功能性食品业务也于2021年成为第四大业务板块。2021年我国首次批准透明质酸钠作为新食品原料，公司积极推进生物活性物例如透明质酸、GABA等在食品领域的应用，陆续切入饮用水、膳食零食等细分赛道，目前已推出透明质酸饮用水品牌“水肌泉”以及国内首个透明质酸食品品牌“黑零”，打破了国产玻尿酸食品的空白，有望引领功能性食品消费新风向。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）