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正文目录
合成生物学的发展脉络 6
合成生物学与传统发酵工程、基因编辑技术的区别 6
应用前景：部分替代传统化工+创造新增长空间 9
政策驱动+AI 赋能：合成生物学迎来新发展阶段 13
国家政策支持以及国内外差距（双碳政策） 16
海外政策情况 16
国内政策情况及展望 18
合成生物学产业链：应用层、平台层、工具层 20
合成生物的投资机会 23
关注技术突破的核心单品公司 23
凯赛生物：生物基新材料落地放量，投资 AI 技术平台赋能研发 23
华恒生物：生物法丙氨酸领军者 24
蓝晶微生物：领先的生物法功能分子和 PHA 新材料制造商 26
巨子生物：重组胶原蛋白领军者 27
帝斯曼：传统化工转型生物制造典范 28
华熙生物：透明质酸微生物发酵技术全球领先 29
嘉必优：发酵精细调控技术落地生物基产品 30
关注传统发酵企业的转型升级 30
梅花生物：氨基酸领军企业 31
中粮科技：玉米深加工企业转型 31
投资生物制造上游工具企业 33
弈柯莱生物科技：生物医药技术平台“研发+市场”双驱动 33
BOTA BIO：细胞铸造厂技术平台 34
微构工场：细胞工厂技术 35
逐渐发展的生物制造中游平台层企业 36
蔚蓝生物：酶制剂研发平台 36
川宁生物：抗生素发酵技术平台 36
相关公司估值 37
风险提示： 37
敬请参阅末页重要声明及评级说明
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图表目录
图表 1 生物制造的三种路径 6
图表 2 正向工程自顶向下路线构建微生物底盘细胞 7
图表 3 合成生物学可通过正向工程创造拥有新功能的菌种 7
图表 4 合成生物学技术链 8
图表 5 合成生物学发展使微生物细胞工厂效率大幅提升 8
图表 6 基因编辑技术应用于创制底盘细胞过程中的第二环节 9
图表 7 合成生物学与化工生产对比 9
图表 8 以异植物醇的合成路线为例：生物法从原子角度可替代化工法 10
图表 9 基因测序成本降低体现了奈特定律 11
图表 10 海内外化工企业积极布局合成生物学领域 11
图表 11 预计 2028 年全球合成生物学市场规模近 500 亿美元 12
图表 12 合成生物技术将在不同行业逐步完成工业化落地 13
图表 13 合成生物学发展历程 14
图表 14 合成生物学上游 “设计-构建-测试-学习（DBTL）” 阶段中相关技术的中外差距 15
图表 15 AI 可以赋能合成生物学技术发展的各个环节 15
图表 16 近年来部分国家经济战略中的合成生物学 16
图表 17 美国《生物安全法案》企图以立法手段限制中国生物制造企业市场布局 17
图表 18 国内政策从三个层面推动合成生物学产业发展 19
图表 19 各省市积极出台系列政策支持发展 19
图表 20 合成生物学产业链各层核心壁垒 21
图表 21 企业图谱 22
图表 22 凯赛生物掌握优化生产所需的核心合成生物学技术 23
图表 23 凯赛生物研发支出保持较高占比 24
图表 24 凯赛生物毛利率净利率相对稳定 24
图表 25 华恒生物产品布局丰富 25
图表 26 华恒生物厌氧发酵 L-丙氨酸节能环保 26
图表 27 华恒生物厌氧发酵缬氨酸收率更高 26
图表 28 蓝晶微生物掌握多项 PHA 生产相关专利 27
图表 29 合成生物学技术平台赋能公司产品研发 27
图表 30 帝斯曼通过生物科技实现新产品突破 28
图表 31 法尼烯法 VE 工艺反应步骤简洁且环保 29
图表 32 公司采用微生物发酵技术生产的透明质酸质量参数全球领先 29
图表 33 嘉必优研发支出持续增长 30
图表 34 嘉必优拥有完善的研发架构 30
图表 35 梅花生物通过合成生物技术规模化生产多种氨基酸 31
图表 36 中粮科技董事会硕博占比九成 重视技术转型 32
图表 37 2021 年弈柯莱已具备多项医药类产品产能 33
图表 38 弈柯莱依照合成生物学研发逻辑建立 4 个实验室技术创新平台 34
图表 39 BOTA BIO 融资历程 35
图表 40 微构工场从技术平台向产品落地拓展 35
图表 41 公司纤维素酶产品可为纺织行业降本 36
图表 42 公司在菌种筛选及优化领域拥有数项国内领先技术成果 37
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图表 43 相关公司估值 37
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合成生物学的发展脉络
合成生物学是一门基于工程化的设计理念，结合生物学、化学、医学、农 学、工程学、计算机与数据科学等交叉学科技术，旨在设计和构建新的生物系 统，以实现特定的功能。合成生物学本质是让细胞为人类工作生产想要的物质， 秉持系统生物学“自上而下”的“分析”理念设计细胞工厂，结合“自下而上” 的“建造”理念构建细胞工厂，形成闭环的正向工程 。针对特定需求，合成生物学将运用微生物细胞工厂构建技术、微生物高效合成化学品的代谢调控机制、无细胞合成技术等主要技术工具，设计构建元器件或模块，通过这些元器件对 现有自然生物体系进行改造和优化，或者设计合成全新可控运行的人工生物体 系，最终满足需求。在实际生产路径上，合成生物学工艺主要包括以生物酶催 化为核心的体外合成生物学法、以微生物细胞工厂为核心的体内合成生物学法， 以及利用合成生物学技术优化部分原路径的化学合成法。
奕柯莱招股书、华安证券研究所
图表 1 生物制造的三种路径
资料来源：
合成生物学与传统发酵工程、基因编辑技术的区别
合成生物学和发酵工程的区别在于合成生物学可以对细胞进行定向性干预， 将被动筛选转为主动设计，大幅提升细胞工厂代谢效率、更高效地生产目标物 质。发酵反应是通过对微生物（或动植物细胞）进行大规模的生长培养，使之 发生化学变化和生理变化，从而产生和积累大量所需要的代谢产物的过程。与 传统的微生物发酵相比，合成生物学技术加入后的进步之处在于它可以使代谢 过程从反向工程优化到正向工程，不再培养大量菌种并筛选、以期获得高效生 产细胞工厂，而是从需求入手，通过对代谢路径的重塑和工程化，直接改造细 胞工厂，使底盘生物实现其特定的生物学功能。
《基于合成生物学微生物底盘细胞构建与优化的研究进展》孙天丽等，华安证
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图表 2 正向工程自顶向下路线构建微生物底盘细胞
券研究所
资料来源：
合成生物学为传统发酵提供了工程化、模块化、标准化的工具，提高了传 统发酵的能力圈。在传统的发酵过程中，人们对细胞的认识比较有限、通过细 胞功能确定生产产品，后续产品优化则主要来源于对菌种进行改造或大量筛选， 进而研究 DNA、蛋白和代谢物对提升产品性能的影响。合成生物学出现后，人们可以对生物元件进行定性和定量，以此为基础重新组装元件，创造新功能。 合成生物学的引入大大提高了传统发酵的能力圈，不仅可以利用相对简单的方 法提高产品的质量和生产效率，还能生产原本不能生产或原本效率低下的产品。
摩熵咨询，华安证券研究所
图表 3 合成生物学可通过正向工程创造拥有新功能的菌种
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合成生物学的主要工具包括微生物细胞工厂构建技术、微生物高效合成化学品的代谢调控机制、无细胞合成技术。微生物细胞工厂（microbial cell factories，MCFs）是绿色生物制造的核心环节，也是合成生物学重要的产业化工具。利用微生物强大且多样的生化反应网络，通过对代谢路径的重塑和工
资料来源：
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程化，可以将微生物细胞改造为能够以低价值可再生资源为原料生产各类产品的微生物细胞工厂，使底盘生物实现其特定的生物学功能。利用合成生物学方法对自然界中微生物进行改造可以提高其利用可再生生物质资源合成不同化学品的能力。也正因为这一特性，微生物细胞工厂适用于生产细胞代谢工程中的各类物质。
系统生物学
酶工程技术
基因合成
基因测序
基因编辑
底层技术
图表 4 合成生物学技术链
工艺技术
发酵工程技术
分离纯化技术
支撑技术
发酵和分离设备
原料（农产品）加工
试剂耗材
计算机技术
高通量筛选技术和设备
求实药社，华安证券研究所
《微生物细胞工厂的设计构建：从诱变育种到全基因组定制化创制》袁姚梦
资料来源：
图表 5 合成生物学发展使微生物细胞工厂效率大幅提升
等，
合成生物学与基因编辑技术包含范围不同，基因编辑技术是合成生物学改造微生物过程中使用到的技术工具之一。在生物化工产业链中，微生物细胞工厂是主要的反应单元。在改造或创制这些微生物的过程中，需要对底盘生物基因组进行“读-改-写”，使用基因“测序-编辑-合成”技术，精简、插入或重构底盘生物基因组。传统的基因编辑方法如同源重组，存在打靶效率低、操作时间长和操作繁琐等问题。为了解决这些问题，基因编辑技术从第一代锌指核酸酶(ZFN)、第二代转录激活样效应因子核酸酶(TAL effector) 发展到目前的第三代 CRISPR-Cas 技术。目前广泛使用的CRISPR-Cas 技术具有效率高、操作
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快捷、效果准确等优点，是目前基因编辑的主流技术，已在多种生物体系中得到广泛应用。CRISPR 技术的出现，大大提高了基因组编辑的效率，同时降低了成本，使合成生物学的盈利成为可能。
图表 6 基因编辑技术应用于创制底盘细胞过程中的第二环节
《基因组的“读-改-写”技术》王会等，华安证券研究所
资料来源：
应用前景：部分替代传统化工+创造新增长空间
生物制造是传统化工的有机补充，一方面可以替代部分长流程传统生产路径，另一方面也为部分优化到极限的化学工程法打开新的研究方向，使进一步降本增效变为可能；此外，合成生物学作为新技术也在各个领域有创新性的应用场景，亟待探索。广义上而言，合成生物学产业可被界定为以生物基材料替代化石基材料、以生物技术路线替代传统化工技术路线的科技产业，是传统化工的有机补充。目前化学工程法中许多产品的工业放大装置、降本已经到达极限，市场空间平稳增长，产业急需高效低成本优质产品。未来，低碳低成本是工业发展的重要方向，合成生物学高效、低能耗、低碳、产品优质、原料可循环再生的优势符合这一趋势。目前生物制造还无法颠覆性替代传统化工，但在部分场景可以替代传统化工，尤其是一些集约程度高的长流程化学流程以及在生物代谢中能找到对应路径的产品。
图表 7 合成生物学与化工生产对比
合成生物学
化学工程
核心技术
生物合成途径规模化解析、元件库建设、高通量组装和优化、人
造系统的调试
化学催化过程、生产工艺包
原料来源
淀粉、纤维素、二氧化碳等可再
生碳资源，具有情节、高效、可再生等特点
石油、煤等不可再生化石资源
反应条件
常温常压，反应条件温和
多需高温高压，反应条件严苛
技术壁垒
实验室验证阶段到产业化放大阶
段技术瓶颈众多，一般需要经历漫长的研究探索和生产实践
技术发展相对成熟，新增技术较少，主要聚焦于现有技术的优化
技术特点
降低工业过程能耗、物耗，减少
废物排放与空气、水、及土壤污
能耗较高，二氧化碳、废水等污
染物排放量大，对环境的影响程
染，以及大幅度降低生产成本
度更高
涉及学科
生物学、生物信息学、计算机科
学、化学、材料学等多学科的交叉融合
化学、化学工程学、材料学等
观研报告网、
从微观的原子层面来看，生物制造有能力覆盖以化石资源为基础的传统工
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业制造产业产品，进行替代。天然生物有 300 万种分子或新材料尚待发掘，从小分子聚合物到生物大分子再到细胞和生物材料。据麦肯锡（McKinsey）统计， 生物制造的产品可以覆盖 70%化学制造的产品；据波士顿咨询（BCG）预测， 到 21 世纪末，生物制造将应用于全球 1/3 的制造业，有望创造 30 万亿美元的经济价值。根据政府“十四五”生物经济发展规划系列解读二，生物制造产业是
生物经济重点发展方向，未来十年间 35%的石油化工、煤化工产品将被生物制造产品替代。
图表 8 以异植物醇的合成路线为例：生物法从原子角度可替代化工法
路径名称
原料
中间体
反应方式
化学法
甲基庚酮路径
异戊醛、乙炔
甲基庚酮
（C8H16O）
以异戊醛为原料和乙炔反应合成甲基庚酮，在经过中间体二氢芳樟醇、二氢香叶基丙酮和二氢法尼基丙酮等各个中间体
后，最终得到异植物醇
甲基庚烯酮路径
丙酮、异丁烯、甲醛（巴斯夫法）/乙炔、丙酮（罗氏法）/异戊二烯、丙酮
（异戊二烯法）
甲基庚烯酮
（C8H14O）、芳樟醇
（C10H18O）
以丙酮为原料，经甲基庚烯酮合成芳樟醇，经过加碳、还原得到异植物醇
生物法
法尼烯路径
糖类、乙醇
法尼烯
（C15H24）
通过选择合适的菌种，提取出菌种发酵液，再纯化分离得到目标产物法尼烯，该化合物再通过氢化，羟基化的方法得到
异植物醇。
《维生素 E 合成路线研究进展》王子强等、华安证券研究所
资料来源：
实际生产中，相比化工生产，生物制造在战略与商业角度均具备优势，其原料易得、可循环，降本空间大，符合环保的经济发展方向。原料方面，生物制造的优势体现在易得与环保的特点上。传统化工生产依赖于石油、煤炭，不可再生且价格波动大，而且我国石油依赖进口，相较于生物制造的原料而言更不易得。而生物制造可使用清洁的生物质甚至 CO2 作为碳源，包括秸秆、玉米、高炉废气等。通过将碳源转化为糖、将糖作为生物基平台的原料基础，可以从源头解决生物制造原料和自给问题，最终产品会涵盖大宗、基础、精细、食品等领域，对目前部分传统生产体系实现大幅提升。据《中国合成生物产业白皮书 2024》，生物制造当前可实现平均节能减排 30%–50%，并具备未来达到 50%–70%的潜力。成本方面，如同摩尔定律之于集成电路，合成生物学的“奈特定律”提出：每隔一段周期，技术的叠加会促使生物合成效率的提升、合成成本的下降。通过对菌种不断进行优化筛选，每年的副反应都会减少、转化率提升，产品生产成本降低，最终实现产品溢价。从更加长远的、环保发展战略的角度来看，生物制造过程中排出的有害物质少，推动生物制造发展也可以降低人们生产生活中对于石油基物质的依赖，缩小传统行业生产现状与未来
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社会发展需求在资源攫取、生产效率、安全性以及环保等方面的巨大落差，实现更多领域的可持续发展。
《中国合成生物产业白皮书 2024》，华安证券研究所
图表 9 基因测序成本降低体现了奈特定律
资料来源：
在实际产业落地过程中，当前化工企业纷纷布局合成生物学，产业转型升 级在全球范围内已在进行中。在化工领域，合成生物学在生物基化学品的合成、生物材料、生物能源、现代农业、环境治理等领域有广泛的应用前景。近年来， 合成生物学的技术进步不仅使一批合成生物学企业（例如：Ginkgo、Beam、Genomatica 等）得以成长，也令许多以传统化工、医药产品开发为主的企业
（例如：BASF、Dupont 等）也将目光投向合成生物学，发展生物化工，开发出一系列生物基产品。目前合成生物学可合成的大宗化学品仅几十种，在整体 基础化学品中的占比还非常有限，提升空间巨大。中短期内，产业内聚焦产品 开发推广的应用层公司有望通过替代化学法更快实现生产盈利；而以技术研发、服务为主的平台层、工具层公司将在合成生物学行业生态建立起来后，通过更 高效专业地为大量代工企业服务获利。
图表 10 海内外化工企业积极布局合成生物学领域
企业
布局合成生物学举措
国外
巴斯夫
自研自产生物基琥珀酸、1,4-丁二醇及下游的四氢呋喃；投资合成生物
公司恩和生物
杜邦
合成生物学工艺商业化生产 1,4-丁二醇；自研自产 1,3-丙二醇
（PDO）并将 PDO 聚合成的 Sorona 聚合物材料用于地毯及服装行 业；与 ADM 公司合作，共同开发新型可再生材料生物基呋喃二羧酸甲酯
住友化学
与 Zymergen 公司合作共同生产聚酰亚胺薄膜 Hyaline；投资合成生物
学新兴企业 Conagen
国内
梅花集团
2011 年与国内科研机构合作开展合成生物高性能菌种开发工作，重新设计系列氨基酸菌种，大幅提升谷氨酸、赖氨酸和苏氨酸的生产转化
率
首钢集团
2011 年与 LanzaTech 成立合资公司，用合成生物学技术改良乙醇梭
菌，用一氧化碳生产蛋白，创造了工业化条件下一步生物合成蛋白质收率 85%的世界纪录
万华化学
2020 年与天津科技大学成立合成生物学联合研究院，推动乳酸单体生
物合成技术升级及关联技术研发
中国石化
2021 年联手新和成探索生物合成蛋氨酸
安琪酵母
2021 年和森瑞斯生物科技成立合资公司，推动以合成生物技术为基础
的开发工业大麻和新材料橡胶的生产中试及其产业化项目
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资料来源：
《中国合成生物产业白皮书 2024》、华安证券研究所
合成生物学产业发展不仅将替代部分传统发酵、传统化工工业行业应用场景，也会创造新的发展空间。合成生物学产业在过去五年经历了高速增长，据据 McKinsey 数据，合成生物学市场规模从 2018 年的 53 亿美元增长到 2023 年的超过 170 亿美元，平均年增长率达 27%，预计全球合成生物学市场在可见的未来仍将保持较快发展势头，将在 2028 年成长为体量达近 500 亿美元的全球型市场。
图表 11 预计 2028 年全球合成生物学市场规模近 500 亿美元
50
+24%
+27%
2
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2018（十亿美元） 2023估（十亿美元） 2028估（十亿美元）
资料来源：
医疗健康 食品与农业 化学工业 消费品 专业科研
《中国合成生物产业白皮书 2024》、华安证券研究所
合成生物技术将在不同行业逐步完成工业化落地，应用场景逐渐打开。据
《中国合成生物产业白皮书 2024》，近五年内，生物制造工业化成果将主要围绕各大领域中先发探索话题的散点突破，如化学和材料中的部分基础化学品及聚合物，农业和食品中的少数食品添加剂、植物蛋白及发酵蛋白作为替代蛋白，医疗保健中创新细胞和基因疗法、部分原料药合成，以及消费品中的部分功能性小分子和重组胶原蛋白技术等；五至十年内，生物制造将围绕各大领域的应用进一步拓展，并实现部分全新子品类的技术突破和规模化生产，如材料领域的高性能蛋白、食品领域的细胞培养蛋白、农业领域的共生固氮技术、医药领域的工程菌疗法等；超过十年的远期来看，合成生物学一方面有望在热门应用领域和目前科研尚处早期/技术瓶颈较大的话题上实现工业化跑通，如活体功能材料、光合作用优化、器官再生等，另一方面，也预期将在生物质燃料、环保等新领域进一步发挥作用。