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文章來自35斗微信公眾號，作者耿海榮

編者按：“合成生物學(xué)”被稱為繼“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組計劃”之后的第三次生物技術(shù)革命。以“合成生物學(xué)”為代表的新興技術(shù)成為了全球科技競爭的新焦點，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、化工、農(nóng)業(yè)、食品、能源等多個領(lǐng)域，自2020年下半年開始，合成生物已經(jīng)成為資本追逐的熱門領(lǐng)域。近期，35斗撰寫了合成生物學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域應(yīng)用情況的研究報告，詳細分析了相關(guān)技術(shù)在具體細分領(lǐng)域、場景的應(yīng)用情況，并結(jié)合對企業(yè)家、投資人的一手采訪信息，厘清產(chǎn)業(yè)圖譜并展望行業(yè)趨勢。本篇文章為研究報告節(jié)選。

一、合成生物農(nóng)業(yè)食品產(chǎn)業(yè)應(yīng)用圖譜

按產(chǎn)業(yè)鏈上中下游關(guān)系，國內(nèi)的合成生物學(xué)公司大致可以劃分為：工具層、平臺層和產(chǎn)品層。上游工具層，主要跟DNA相關(guān)，包括測序、合成、儲存和基因編輯等等。中游是平臺層，側(cè)重細胞工廠的構(gòu)建，通過大量的實驗形成數(shù)據(jù)積累，進而打造一個高通量、自動化的技術(shù)平臺。下游產(chǎn)品層，就是把產(chǎn)品成功推廣到可以商業(yè)化應(yīng)用的過程。

工具層和平臺層屬于合成生物學(xué)技術(shù)的底座，服務(wù)于產(chǎn)品層的發(fā)展，在各應(yīng)用領(lǐng)域中屬于融合狀態(tài)，本報告將以農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域應(yīng)用為重點，圍繞農(nóng)業(yè)食品產(chǎn)業(yè)鏈，詳細梳理合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域的具體應(yīng)用，因此，本報告此章節(jié)將不過多涉及工具層和平臺層的相關(guān)介紹。

合成生物學(xué)可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)食品的多個細分領(lǐng)域，據(jù)Plug and Play預(yù)測，2024年合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域的市場規(guī)模分別為22.33億美元和25.75億美元?；凇凹Z食安全”“大食物觀”“雙碳”等戰(zhàn)略，以幫助和保護農(nóng)作物及畜牧生產(chǎn)，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改良農(nóng)作物及畜禽品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本、減少化肥農(nóng)藥施用以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面的潛力日益凸顯。圍繞農(nóng)業(yè)碳中和，從廣義合成生物學(xué)出發(fā)，我們把合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)食品的應(yīng)用場景分為動植物育種、創(chuàng)新食品及添加劑、新型材料、動植物營養(yǎng)、動植物健康、食品安全及綠色保鮮、農(nóng)業(yè)廢棄物資源化、農(nóng)業(yè)環(huán)境修復(fù)等八大細分領(lǐng)域。

圖1 農(nóng)業(yè)食品合成生物產(chǎn)業(yè)圖譜

數(shù)據(jù)來源：公開資料，35斗繪制

應(yīng)用細分領(lǐng)域及相關(guān)闡述如下：

應(yīng)用細分領(lǐng)域

技術(shù)手段及應(yīng)用場景

動植物育種

通過高精度的基因編輯技術(shù)，在不引入外源基因的前提下誘發(fā)可遺傳的變異，進行分子精準(zhǔn)設(shè)計育種。

· 植物育種：使作物具有抗蟲、抗倒伏、抗除草劑等優(yōu)良性狀，同時賦予農(nóng)作物以功能性，如低脂、宜糖、高營養(yǎng)等，從而拓寬了植物育種范疇。

· 動物育種：在提高飼料轉(zhuǎn)化率、瘦肉率，以及抗病抗疫等方面效果顯著。

動植物營養(yǎng)

目前主要利用植物細胞或微生物細胞，通過高密度發(fā)酵生產(chǎn)新型飼料（含飼料添加劑）和新型肥料。其中微生物細胞應(yīng)用最廣，主要有肥料/飼料原料和添加劑，而添加劑又分為酶制劑和菌制劑。當(dāng)然隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以微藻為代表的微生物細胞的開發(fā)也逐漸應(yīng)用到動植物營養(yǎng)領(lǐng)域。

· 植物營養(yǎng)：新型飼料蛋白（如單細胞蛋白）、飼料添加劑等。

· 動物營養(yǎng)：功能性肥料、納米肥料、固氮微生物肥料等。

動植物健康

與動植物營養(yǎng)的途徑較為相似，但是在動植物健康領(lǐng)域利用動物細胞生產(chǎn)替抗產(chǎn)品或者疫苗有效組分已成為趨勢，同時除利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)原藥外，利用植物細胞，如生菜、水稻等，生產(chǎn)獸藥或者疫苗的應(yīng)用也逐漸在國內(nèi)興起。

· 植物健康：RNA農(nóng)藥、微生物農(nóng)藥、酶制劑農(nóng)藥等。

· 動物健康：RNA疫苗、重組蛋白疫苗、新型獸藥等。

創(chuàng)新食品及添加劑

通過細胞培養(yǎng)和精密發(fā)酵等技術(shù)，利用動植物、微生物細胞，生產(chǎn)新蛋白、代糖、功能性食品原料、食品添加劑等是合成生物學(xué)較大的應(yīng)用市場，也是多數(shù)初創(chuàng)企業(yè)布局的領(lǐng)域。但目前國內(nèi)專注于精密發(fā)酵的企業(yè)還較少，未來具有較大潛力。

· 創(chuàng)新食品：創(chuàng)新蛋白（如細胞培養(yǎng)肉、微生物發(fā)酵蛋白等）、代脂（如代可可、藻油DHA）、代糖（如阿洛酮糖、赤蘚糖醇、甜菊糖苷等）、新型碳源（如人工合成淀粉）、功能食品原料等。

· 食品添加劑：氧化劑、著色劑（如β-胡蘿卜素、花青素、藻藍蛋白等）、香精香料（如香蘭素、γ-癸內(nèi)酯等）、維生素等。

食品安全檢測及綠色保鮮

通過細胞傳感技術(shù)這一新興食品安全快速檢測技術(shù)，以活細胞為感應(yīng)元件，制作多功能細胞傳感器，實現(xiàn)食品安全快速檢測的應(yīng)用場景；

與食品安全息息相關(guān)的保鮮技術(shù)，也在通過合成生物學(xué)向綠色發(fā)展，通過微生物發(fā)酵、動植物提取物等方式生產(chǎn)生物保鮮劑，此外在新型材料的利用中，新型保鮮材料也被納入綠色保鮮行列。

· 食品安全檢測：微生物細胞傳感器（如糧食霉菌檢測、農(nóng)殘檢測、重金屬檢測等）。

· 綠色保鮮：生物保鮮劑（如生物保鮮膜制劑、生物制劑乳酸鏈球菌素等）、創(chuàng)新膜材料等。

新型材料

利用微生物細胞生產(chǎn)生物基可降解塑料是新的發(fā)展方向，目前比較有前景的可降解材料有PLA、PBS、PHA，在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域主要用于食品包裝、農(nóng)用地膜、農(nóng)業(yè)投入品包裝等；

此外，合成生物學(xué)與納米生物學(xué)的交叉推動產(chǎn)生了一個全新的研究領(lǐng)域——合成納米生物學(xué)，納米材料尤其是納米載體材料可以作為農(nóng)藥和化肥控失劑以及重金屬修復(fù)劑，有效提高農(nóng)藥和化肥的利用效率，減少環(huán)境污染。

· 可降解材料：PHA、PLA、PBS等，用于食品包裝、農(nóng)用地膜等。

· 納米材料：納米載體材料（載農(nóng)藥、肥料等）、生物納米復(fù)合材料（如食品包裝）。

農(nóng)業(yè)廢棄物資源化

利用微生物發(fā)酵、酶工程、基因工程等技術(shù)將秸稈、廚余垃圾、畜禽糞便等廢棄物轉(zhuǎn)化為有機碳源、有機氮源、生物能源等，直接或間接利用到合成生物學(xué)下游發(fā)酵或者產(chǎn)品。

· 有機碳源：人造淀粉、秸稈糖等。

· 有機氮源：功能性肥料、功能性飼料及其他高附加值產(chǎn)物。

農(nóng)業(yè)環(huán)境修復(fù)

在合成生物學(xué)技術(shù)加持下，利用微生物分解、吸附以及多種細胞生產(chǎn)新產(chǎn)品、新材料等不同途徑。在前面的細分領(lǐng)域中也多次提到相關(guān)應(yīng)用，主要通過降低危害物使用、增加綠色生物產(chǎn)品使用、提高利用率等，以解決塑料降解、農(nóng)業(yè)面源污染、畜牧養(yǎng)殖廢水污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖水體污染等，如可降解材料、納米材料、生物肥藥等等，在此不過多贅述。

此外，我們在報告中，從市場規(guī)模、細分賽道所面臨問題等方面，詳細分析了基于合成生物學(xué)未來農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域的創(chuàng)新機遇。詳細可參考報告第八部分內(nèi)容。

二、合成生物農(nóng)業(yè)食品應(yīng)用已打造出多個“雙碳”新藍海

合成生物在農(nóng)業(yè)食品不同領(lǐng)域，在政策、技術(shù)和資本的推動下，逐漸涌現(xiàn)出了一批創(chuàng)新企業(yè)，并且取得了一系列的代表成就，在不同的細分賽道中呈現(xiàn)出了不同特色。受篇幅影響，本篇文章僅以動植物育種領(lǐng)域和創(chuàng)新食品領(lǐng)域為例在此分析，對于“動植物健康：利用細胞工廠生產(chǎn)生物原藥逐漸興起”“動植物營養(yǎng)：從微生物組切入聚焦降本增效”“新型材料：農(nóng)膜成為最具潛力的應(yīng)用場景”相關(guān)觀點還請閱讀報告。

1. 動植物育種：政策監(jiān)管成為商業(yè)化最后一道門檻

結(jié)合我國的訂單農(nóng)業(yè)等新型運營模式，出現(xiàn)了自源頭育種開始的定制化服務(wù)，這種從育種到加工全鏈條、多種服務(wù)模式相結(jié)合的方式，促使了更多新品種的開發(fā)及研究。期間我們調(diào)研了多家基因編輯作物育種企業(yè)了解到，目前，除了傳統(tǒng)的抗病蟲害、抗除草劑等方向的生物育種需求以外，像功能性水稻、功能性番茄、功能性燕麥以及專門做炸薯條的馬鈴薯等等特制品種需求變的越來越多，而基因編輯技術(shù)在這些農(nóng)作物繁育和改良中起到了重要作用。

國內(nèi)多家育種企業(yè)已經(jīng)布局了基因編輯育種，多位企業(yè)家向35斗表示，相較于轉(zhuǎn)基因技術(shù)，基因編輯技術(shù)的門檻不是太高，并且基因編輯技術(shù)的育種速度更快，投入成本更低，所以在效率上比轉(zhuǎn)基因的還要高，這樣一來就促使基因編輯技術(shù)在育種端可以做的產(chǎn)品就更多，像大北農(nóng)、北大荒、先鋒種業(yè)、隆平高科等大型企業(yè)都在布局，與此同時舜豐生物、齊禾生科、隆平生物等多家創(chuàng)新型企業(yè)也都在布局，并且取得了一定的成果。

根據(jù)EU-SAGE（European Sustainable Agriculture Through Genome Editing）統(tǒng)計，在農(nóng)業(yè)基因編輯領(lǐng)域，我國相關(guān)研究論文、專利數(shù)量處于領(lǐng)先水平，截止到2023年1月，在統(tǒng)計的52個國家中有850項研究，其中中國370項，占比達43.5%，遠高于排名第二的美國（148項）。

圖2 各國農(nóng)業(yè)基因編輯相關(guān)研究的數(shù)量

數(shù)據(jù)來源：EU-SAGE，35斗繪制

在全球范圍內(nèi)，基因編輯已經(jīng)在水稻、玉米、大豆、小麥和番茄等農(nóng)作物中廣泛應(yīng)用，糯玉米、高油酸大豆、抗褐變馬鈴薯、高GABA番茄、抗褐變蘑菇等基因編輯產(chǎn)品陸續(xù)在美國、日本、英國等國家上市推廣。而我國雖然目前還沒有正式放開，但2022年1月，我國發(fā)布了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南(試行)》，對基因編輯植物的安全評價管理進行了規(guī)范，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部密集就基因編輯技術(shù)征求意見，為下一步全面放開基因編輯市場打開通道奠定了政策基礎(chǔ)。

對于未來的發(fā)展機遇，多家基因編輯育種企業(yè)向35斗表示，“目前在產(chǎn)業(yè)化階段，國內(nèi)在技術(shù)端已經(jīng)處于領(lǐng)先水平，而最大的阻礙的就是政策的閘口，我國基因編輯育種企業(yè)已蓄勢待發(fā)，在國內(nèi)政策還未開放前已經(jīng)開始進軍國外市場，如巴西、東南亞等地，在國內(nèi)也在籌備生物安全證書的申報，隨時等待政策的放開?！?/p>

2. 創(chuàng)新食品：新型來源和功能性食品成為重中之重

合成生物學(xué)在食品產(chǎn)業(yè)中的落地成效最為突出，其中最受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的名詞是“新型”和“功能”，其中“新型”本報告重點指“新型來源”，主要包括新型氮源、新型碳源以及新型脂質(zhì)等。而“功能”一詞包括的范圍更廣，蘊含了預(yù)防、保健的含義，按照功能性因子的種類分可分為多糖類、功能性甜味料類、功能性油脂、自由基清除劑類、維生素類、肽與蛋白質(zhì)類、益生菌類、微量元素類等。

可以看到，新型來源食品和功能性食品受關(guān)注主要是由于兩者涵蓋范圍廣、種類多、市場大，加上國家政策和消費者需求的推動，促使合成生物學(xué)能夠在新型食品市場中獲益，一方面是由于微生物發(fā)酵的前期基礎(chǔ)的鋪墊；另一方面是食品領(lǐng)域大單品和小單品的下游客戶端企業(yè)較多，應(yīng)用場景廣泛。

“新型來源”中比較典型的是新型氮源和新型碳源。其中，新型氮源有元育生物、德默特、小藻科技等一直關(guān)注的微藻蛋白，并完成數(shù)千噸微藻粉的量產(chǎn)；周子未來、極麋生物、Avant Meats等通過動物細胞培養(yǎng)的細胞培養(yǎng)肉，已進入百升級生物反應(yīng)器試生產(chǎn)階段，雖與國外千升級的生產(chǎn)還有一定差距，但隨著國內(nèi)企業(yè)不斷加入，可以加速細胞培養(yǎng)肉的量產(chǎn)；昌進生物通過馬克斯克魯維酵母發(fā)酵的微生物發(fā)酵蛋白也已經(jīng)完成了中試，在今年的不久就會達到規(guī)模量產(chǎn)；同時，更多的植物生產(chǎn)蛋白（基于植物葉片進行蛋白生產(chǎn)）也在被逐漸開發(fā)，今年2月成立的諾合新生物的中期將發(fā)力食品、保健品原料包括血清白蛋白、膠原蛋白、乳鐵蛋白等賽道。此外，吉態(tài)來博（GTLB）利用固碳菌種和氣體發(fā)酵技術(shù)，攻克了無機碳源（CO?、CO）轉(zhuǎn)化為有機產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)難題，開發(fā)了規(guī)?；a(chǎn)優(yōu)質(zhì)酵母蛋白和油脂的氣體發(fā)酵技術(shù)，成為中國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的以CO?和H?為原料生產(chǎn)高性能蛋白和油脂等高價值產(chǎn)品的氣體發(fā)酵企業(yè)，為新型蛋白開發(fā)提供了一條新思路。

依然是通過氣體發(fā)酵技術(shù)，中科院天津工業(yè)生物所研究團隊以高密度二氧化碳為原料，合成人工淀粉，打造出一條新型碳源合成途徑。研究人員表示，在口感上，如果把人工合成淀粉做成面條、粉絲，大概會像意大利面那樣勁道，這也成為國際上顛覆性的突破。

同樣是“綠色”“雙碳”思路，將農(nóng)業(yè)廢棄物資源化也成為合成生物學(xué)重點發(fā)揮所長的領(lǐng)域。成立于2018年的聚維元創(chuàng)通過酶工程、發(fā)酵工程等，將秸稈轉(zhuǎn)化為秸稈糖，再經(jīng)合成生物學(xué)途徑，合成更高價值的生物產(chǎn)品，對于常見的合成產(chǎn)品，如生物基材料、多肽蛋白、不飽和脂肪酸、胡蘿卜素等都有較好的效果，合成效率普遍優(yōu)于糧食碳源，目前年處理秸稈量已達萬噸，為非糧生物質(zhì)糖化提供了一個可行的解決方案。

另一個方向熱點方向功能性食品，由于缺乏嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)也使很多企業(yè)進入并獲利，尤其是在新冠疫情過去之后，消費者對于免疫力和腸道健康的功能性食品消費更為青睞。據(jù)相關(guān)報告統(tǒng)計，免疫類產(chǎn)品占據(jù)功能性食品類型的一半以上，達到53%，并且還有持續(xù)增長的趨勢，這就預(yù)示著圍繞增強免疫力的功能因子的市場更有競爭力，畢竟現(xiàn)在消費滲透率還不足20%，如植物免疫蛋白（螺旋藻蛋白、免疫球蛋白、活性肽等）、多維、微量元素（鐵、鋅、硒等）、植物提取物（人參皂苷、紅景天苷、雪蓮素等）、益生菌（工程益生菌）等，都成為目前追捧的熱點產(chǎn)品。

重慶的安賽搏充分發(fā)揮植物細胞工廠作用，產(chǎn)品線以“人參““高山火絨草””天山雪蓮“等高經(jīng)濟價值的植物細胞為主，為功能性食品注入了新的生產(chǎn)形式。

也可以看到，越來越多的企業(yè)選擇通過創(chuàng)新食品領(lǐng)域，進入到合成生物學(xué)的大盤中，在這個過程中，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的生產(chǎn)創(chuàng)新是進入該領(lǐng)域的一大方向，價格、品質(zhì)、產(chǎn)量戰(zhàn)依然是重重之重。

三、合成生物學(xué)賦予了多種生物體創(chuàng)造的可能

除去政策和法規(guī)在某些方面的鴻溝，越來越多的可能在合成生物領(lǐng)域逐漸被拓展，“AI+合成生物學(xué)+農(nóng)業(yè)食品”成為一種趨勢，為農(nóng)業(yè)食品的創(chuàng)新發(fā)展提供了更多的思路，使提高生產(chǎn)力、提高品質(zhì)、降低成本成為可能。通過AI+合成生物學(xué)的融合，可以將轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的分析效率提高數(shù)倍，同時，可以在規(guī)?；糯筮^程中實現(xiàn)智能化操控及數(shù)據(jù)記錄存儲，建立從元件設(shè)計到產(chǎn)品生產(chǎn)的全環(huán)節(jié)智能化模型，使合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)化效率提升數(shù)十倍，進而推動其在智能育種、微生物肥料、微生物發(fā)酵飼料、創(chuàng)新食品研發(fā)、食品保鮮等多個應(yīng)用場景中發(fā)揮作用。

這也促使更多的多種生物體細胞工廠被更多可能的開發(fā)利用。在應(yīng)用端出現(xiàn)了植物、動物、微生物不同底盤細胞的產(chǎn)。受多種因素影響，目前，較成熟、市場化率比較高的仍是微生物細胞工廠，具有生產(chǎn)產(chǎn)品種類多、價格優(yōu)勢明顯以及技術(shù)成熟度高等特點，也是比較早的細胞工廠的定義范疇，已廣為熟知。

隨著技術(shù)的不斷進步，多種類型的細胞工廠被逐漸開發(fā)利用是合成生物學(xué)技術(shù)驅(qū)動的趨勢一。近年來，動物細胞工廠和植物細胞工廠的產(chǎn)業(yè)化逐漸被重視，將出現(xiàn)三種細胞工廠三足鼎立的局面，越來越多的解決途徑被挖掘。

以植物細胞為底盤細胞的合成生物學(xué)研究，圍繞優(yōu)質(zhì)、降本，在開發(fā)精準(zhǔn)修飾的基因編輯技術(shù)以及建立高效異源合成代謝途徑等方面不斷取得突破，有望為解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品創(chuàng)新、能源環(huán)境、生物制藥等方面的困境與難題提供新策略。

如果能夠合理利用植物光合自養(yǎng)低成本的優(yōu)勢，以現(xiàn)代生物技術(shù)打破資源的時空束縛，重構(gòu)碳源/氮源時空組成，圍繞資源替代的選品邏輯生產(chǎn)大宗商品將有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

以動物細胞為底盤細胞的合成生物學(xué)研究，利用細胞本身復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，開發(fā)抗體、疫苗、原藥等產(chǎn)品可以有效避免抗生素引發(fā)的抗藥性、神經(jīng)毒性等不良反應(yīng)。與此同時，細胞培養(yǎng)肉市場化熱度逐漸飆升，隨著Upside Foods公司和Eat Just公司的細胞培養(yǎng)肉被FDA批準(zhǔn)，使得資本和細胞培養(yǎng)肉企業(yè)更加堅信動物細胞培養(yǎng)肉的市場，也相信越來越多的細胞培養(yǎng)雞肉、魚肉、蝦肉、豬肉、牛肉等食品將逐漸進入消費者菜單。

表1 我國細胞工廠企業(yè)畫像