陈大明 , 刘晓 , 毛开云 , 熊燕
中国科学院上海生命科学信息中心 上海 200031
收稿日期: 2016-01-25; 修订日期: 2016-02-16
基金项目: 国家自然科学基金委员会-中国科学院学科发展战略研究合作资助项目（L1222037）
通信作者: 电子信箱: E-mail:yxiong@sibs.ac.cn
摘要:
目的 从产品开发角度分析全球合成生物学发展现状和趋势。
方法 在伍德罗·威尔逊国际学者中心的合成生物学产品和应用清单（synthetic biology products and applications inventory）的数据基础上，对全球合成生物学产品的开发状态、市场应用和发展前景等进行补充检索和分析。
结果 至2015年，全球至少已有81家企业（或研究机构）的116种合成生物学产品得到了市场应用开发，主要开发者为美国企业（或研究机构），产品主要集中于化学和医药领域。
结论 合成生物学实现了从生物学分析向生物学合成的范式转移，其产品开发将给一系列的行业带来深刻的变革。
收稿日期: 2016-01-25; 修订日期: 2016-02-16
基金项目: 国家自然科学基金委员会-中国科学院学科发展战略研究合作资助项目（L1222037）
通信作者: 电子信箱: E-mail:yxiong@sibs.ac.cn
摘要:
目的 从产品开发角度分析全球合成生物学发展现状和趋势。
方法 在伍德罗·威尔逊国际学者中心的合成生物学产品和应用清单（synthetic biology products and applications inventory）的数据基础上，对全球合成生物学产品的开发状态、市场应用和发展前景等进行补充检索和分析。
结果 至2015年，全球至少已有81家企业（或研究机构）的116种合成生物学产品得到了市场应用开发，主要开发者为美国企业（或研究机构），产品主要集中于化学和医药领域。
结论 合成生物学实现了从生物学分析向生物学合成的范式转移，其产品开发将给一系列的行业带来深刻的变革。
关键词: 合成生物学 医药 化学品
Development Status and Trend Analysis of Synthetic Biology Products
CHEN Da-Ming , LIU Xiao , MAO Kai-Yun , XIONG Yan
Shanghai Information Center for Life Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China Abstract: Objective To analysis status and trends of synthetic biology in the perspective of product developments. Methods based on the Synthetic Biology Products and Applications Inventoryunveiledby Woodrow Wilson International Center for Scholars' Synthetic Biology Project, supplementary search and analysison development phase, potential applications and prospect for the future were performed. Results To 2015, at least 81 companies (or research institutions), mainly US, with 116synthetic biology products have been developed. The products mainly concentrated in chemicals and medicines. Conclusion Synthetic biology has created a paradigm shift whereby the analysis of biology is being supplanted by its synthesis, and their product developments have the potential to significantly impact approaches across a variety of industries.
Key words: Synthetic biology Medicine Chemical application products
合成生物学(synthetic biology)是在现代生物学和系统科学基础上发展起来的、融入工程学思想的多学科交叉研究领域，通过设计构建、调试优化的工程学循环，全面革新生物技术，向现代工业、医药、农业、环保等领域渗透(图 1)，为解决人类发展面临的资源、能源、健康、环境等若干重大问题提供解决方案。为此，在各国加强合成生物学研究投入的同时，各企业也加快了合成生物学的应用开发步伐，形成了一系列的产品。
![图 1 合成生物学的早期产业化应用领域[1]](https://www.cn-ferment.com/skin/default/image/lazy.gif)
图 1 合成生物学的早期产业化应用领域[1]
Figure 1 Early Industrial Applicationsfor Synthetic Biology
The Italic:Early industrial applications for synthetic biology Source:Andy Boyce. Win-win investments: Synthetic biology for growth and innovation(6 Jun.2012)
美国联合市场研究(Allied Market Research)2016年1月发布的报告《全球合成生物学市场－机遇与预测，2014~2020》(World Synthetic Biology Market-Opportunities and Forecast, 2014~2020)显示，2015年全球合成生物学市场达52.457亿美元，预测期内的复合年均增长率(CAGR)为23%[2]。在战略机遇面前，2015年全球范围内已至少有565家研发机构进入该领域，国际遗传工程的机器设计竞赛(International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM)的参赛队伍由2004年的5支增长至2015年280支[3]。这些研究机构和队伍均在合成生物学领域进行了大量的研究，其中不乏诸多的产品开发者。本文拟从情报学的角度系统分析合成生物学的重要产品、重点企业，以及市场化现状和趋势，为合成生物学的产业化应用开发提供参考。
1 研究方法
1.1 数据来源
合成生物学产品目录和基础数据源自美国伍德罗·威尔逊国际学者中心(Woodrow Wilson International Center for Scholars)科技创新计划中的合成生物学项目(Synthetic Biology Project)[4]，新药研发数据源自Thomson Reuters Cortellis数据库[5]，能源和化工产品的市场规模和生产设施等数据源自国际咨询机构E4tech的报告[6]，其他信息数据源于各产品对应的企业官方网站、专利数据库和新闻网站。
1.2 分析方法
主要采用定量分析法和对比分析法。在定量分析法方面，将数量特征、数量关系与数量变化进行统计分析，以作为对比分析的基础；在对比分析法方面，通过实际数与基数的对比来提示实际数与基数之间的差异，借以了解分析对象目前所处的现状和趋势。
2 结果
2.1 全球合成生物学产品开发现状与发展趋势
2.1.1 美国在全球合成生物学产品开发中处于领先地位
根据美国伍德罗·威尔逊国际学者中心的统计，截至2015年，全球共有116个合成生物学产品得到了开发，其中92个产品由美国企业(或研究机构)主导开发(图 2，部分产品由多国企业或研究机构共同开发，图中数据仅就主导企业或研究机构加以统计)。美国的领先地位与其巨额投入密不可分：2008~2014年，美国共投入8.2亿美元用于合成生物学研究，其中2014年的投入达2亿美元以上，约60%的资金源自美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)[3]。2014年4月1日，DARPA设立新的生物科技办公室(Biological Technologies Office，BTO)，专门负责生物学与物理科学等学科之间的交叉领域。DARPA的生命铸造厂项目(living foundries program)将创建革命性的生物制造平台。该平台采用新型生产模式、制造新型特质材料，可用于开发新型的产品(化学品、燃料、药物等)和系统(多细胞体系、自我修复体系、警戒性生物体系)，并具快速、可扩展的访问性能，以维护国家安全。
图 2 2015年各国合成生物学产品开发数量及状态分布
Figure 2 Synthetic biology product developments in 2015, by geography
Source: Woodrow Wilson Center. Synthetic Biology Project-Synthetic Biology Products and Applications Inventory (31 Dec. 2015)
2.1.2 医药、化工和能源是合成生物学产品开发的重点领域
鉴于合成生物学的巨大应用前景，不少创新型企业投入诸多资源投入合成生物学产业化开发，以抢占合成生物学研究和发展先机。全球已开发的合成生物学产品中，医药、化工和能源产品约占47%，116个产品中有22个医药产品、18个化学品、14个生物燃料产品、11个材料产品、11个工业流体产品、10个食用产品、9个工业酶、5个个人护理产品、5个农业产品、3个软件产品、3个生物线路产品、2个生物机械产品，以及5个其它产品。在这些产品中，瑞士Evolva公司生产的PomecinsTM既可应用于农业，也可用作应用于医药；美国Mascoma公司生产的动物饲料加工和纤维素乙醇生产用酵母，既可应用于农业，也可生物燃料(图 3)[2]。其中，工业酶产品和个人护理产品均已上市(或接近上市)，材料产品、工业液体产品、食用产品、软件产品的市场应用开发较快，医药、化学品、生物燃料、农业产品、生物线路、生物机械及其它产品的市场应用开发相对滞后。
图 3 2015年全球合成生物学细分市场的产品开发数量及状态分布
Figure 3 Synthetic biology product developments in 2015, by Category
Source: Woodrow Wilson Center. Synthetic Biology Project-Synthetic Biology Products and Applications Inventory (31 Dec. 2015)
2.2 杜邦、BioAmber等企业引领合成生物学产品开发
至2015年，全球至少已有81家企业(或研究机构)参与了合成生物学产品的开发(表 1，鉴于企业和产品数量较多，表中仅列出有2个或2个以上产品的企业或研究机构)。在全球的合成生物学开发企业中，杜邦(杜邦公司和陶氏化学公司已于2015年底宣布合并，合并后的公司将被命名为陶氏杜邦公司；本文仍以杜邦和陶氏分别加以统计)和BioAmber分别以14个产品和13个产品位居前列。杜邦的产品系列中，工业酶产品和农业用酶产品达9个，且均已上市(或接近上市)，可见其对于对该领域的重视；从其研发策略来看，这些酶产品的开发多与高效酶生产商Verenium公司(2013年已由巴斯夫的美国子公司收购)合作开发。在这些酶产品中，FUELZYME®α-淀粉酶等多个工业酶产品可应用于纤维素乙醇的生产处理，这与杜邦本世纪以来在生物燃料领域的布局相一致。作为另一大合成生物学产品系列，杜邦与Tate & Lyle Bio Products公司(杜邦与泰莱合资成立)合作开发了一系列基于1, 3-丙二醇的产品，衍生产品涉及材料、个人护理和食品领域。
表 1 2015年合成生物学开发领先企业(或研究机构)及其产品分布 Table 1 Top synthetic biology companies(institutions) and their products in 2015
| 企业 (机构) |
国家 (地区) |
产品数量 | 产品类型 | 产品 | |
| 已上市(或接近上市)产品 | 市场开发中产品 | ||||
| 杜邦 | 美国 | 14 | 工业酶 | FUELZYME®α-淀粉酶(与Verenium共同开发)、DELTAZYM® GA L-E5糖化酶(与Verenium共同开发)、XYLATHIN®木聚糖酶(与Verenium共同开发)、Pyrolase®纤维素酶(与Verenium共同开发)、EradicakeTMα-淀粉酶(与Verenium共同开发)、Cottonase®果胶裂解酶(与Verenium共同开发)、Luminase® PB-100酶(与Verenium共同开发)、ACCELLERASETM TRIO® | |
| 材料 | DuPontTMSorona®地毯纤维(与Tate & Lyle Bio Products共同开发，基于后者的生物基1, 3-丙二醇开发) | 生物异戊二烯(与固特异、Amyris、米其林、LanzaTech共同开发) | |||
| 个人护理 | Zemea®丙二醇(与Tate & Lyle Bio Products共同开发)(皮肤、头发护理，化妆品，家庭护理) | ||||
| 食品 | Zemea® USP 1, 3-丙二醇(与Tate & Lyle Bio Products共同开发)(天然溶剂和保温剂) | ||||
| 农业 | Phyzyme® XP植酸酶(与Verenium共同开发) | ||||
| 化学品 | Susterra®1, 3-丙二醇(与Tate & Lyle Bio Products共同开发) | ||||
| 化学品 | 丁二酸(与Myriant、帝斯曼共同开发) | 己二酸(与Verdezyne、Rennovia共同开发)、1, 4-丁二醇 | |||
| 材料 | BIO-SATM聚氨酯、BIO-SATM树脂和涂料 | 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)(与Myriant共同开发) | |||
| BioAmber | 美国 | 13 | 工业流体 | BIO-SATM润滑油基础油和添加剂、BIO-SATM导热油(或冷却液)、BIO-SATM溶剂、BIO-SATM无邻苯二甲酸酯增塑剂(与朗盛共同开发) | |
| 个人护理 | BIO-SATM护理用品(皮肤、头发护理，化妆品) | ||||
| 食品 | BIO-SATM香料 | ||||
| 其他 | BIO-SATM除冰材料 | ||||
| Amyris | 美国 | 8 | 化学品 | 青蒿酸、法尼烯 | |
| 工业流体 | MyraleneTM(溶剂)、Muck DaddyTM(洗手剂) | ||||
| 个人护理 | NeossanceSqualane(润肤剂)、NeossanceHemisqualane(润肤剂) | ||||
| 材料 | 生物异戊二烯(与杜邦、固特异、米其林、LanzaTech共同开发) | ||||
| 食品 | 广藿香油 | ||||
| Evolva | 瑞士 | 8 | 食品 | 圆柚酮(与Allylix、Isobionics共同开发)、白藜芦醇 | 香兰素、藏红花成分(藏红花苦苷、藏红花素和藏红花醛)、甜菊糖 |
| 医药 | EV-035(细菌拓扑异构酶Ⅱ抑制剂，2-吡啶酮类化合物)、EV-077(抑制前列腺素和异前列腺素活性的新型化合物) | ||||
| 农业、医药 | PomecinsTM(抑菌化合物) | ||||
| metabolix | 美国 | 8 | 材料 | 生物聚合物I6001[基于聚羟基链烷酸酯(PHA)开发]、生物聚合物I6003rp(基于PHAs开发)、生物聚合物MveraTM B5011(基于PHAs开发)、生物聚合物MveraTM B5010(基于PHAs开发)、生物聚合物MirelTM P1003, F1005(基于PHAs开发)、生物聚合物MirelTM P1004, F1006(基于PHAs开发) | |
| 化学品 | 丙烯酸(与Myriant、OPX Biotechnologies、诺维信、嘉吉共同开发) | ||||
| Verenium | 美国 | 8 | 其他 | 用于水族馆反硝化的metabolix DP 9002(基于PHAs开发) | |
| 工业酶 | FUELZYME®α-淀粉酶(与杜邦共同开发)、DELTAZYM® GA L-E5糖化酶(与杜邦共同开发)、XYLATHIN®木聚糖酶(与杜邦共同开发)、Pyrolase®纤维素酶(与杜邦共同开发)、EradicakeTMα-淀粉酶(与杜邦共同开发)、Cottonase®果胶裂解酶(与杜邦共同开发)、Luminase® PB-100酶(与杜邦共同开发) | ||||
| 农业 | Phyzyme® XP植酸酶(与杜邦共同开发) | ||||
| Myriant | 美国 | 7 | 化学品 | 丁二酸(与BioAmber、帝斯曼共同开发)、乳酸 | 丙烯酸(与OPX Biotechnologies、metabolix、诺维信、嘉吉共同开发)、己二烯酸、延胡索酸 |
| 材料 | 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)(与BioAmber共同开发) | ||||
| 工业流体 | Myrifilm®零挥发性有机化合物的聚结溶剂 | ||||
| Tate & Lyle Bio Products(杜邦与泰莱合资成立的企业) | 美国 | 4 | 材料 | DuPontTMSorona®地毯纤维(与杜邦共同开发) | |
| 个人护理 | Zemea®丙二醇(与杜邦共同开发) | ||||
| 食品 | Zemea® USP 1, 3-丙二醇(与杜邦共同开发) | ||||
| 化学品 | Susterra®1, 3-丙二醇(与杜邦共同开发) | ||||
| Solazyme | 美国 | 4 | 生物燃料 | SoladieselBD®和SoladieselRD®(藻类生物柴油)、SolajetTM(藻类喷气燃料) | |
| 工业流体 | 微生物源液体介质(与陶氏共同开发)、Encapso(润滑油) | ||||
| 帝斯曼 | 荷兰 | 4 | 化学品 | 丁二酸(与Myriant、BioAmber共同开发) | |
| 生物燃料 | 纤维素乙醇(与Qteros、Logen、BP、Proterro共同开发) | ||||
| 食品 | 朱栾倍半萜(与Allylix、Isobionics共同开发) | ||||
| 医药 | 头孢氨苄 | ||||
| 麻省理工学院(MIT) | 美国 | 4 | 医药 | 噬菌体治疗(抑制SOS网络)(与哈佛大学、霍华德休斯医学研究所、波士顿大学共同开发) | |
| 软件 | caDNAno(三维DNA折纸设计处理工具)(与Autodesk、Wyss研究所共同开发) | ||||
| 生物线路 | 遗传线路 | ||||
| 生物机械 | Cyberplasm(仿寄生鱼的机器人) | ||||
| Wyss研究所 | 美国 | 4 | 软件 | caDNAno(三维DNA折纸设计处理工具)(与Autodesk、麻省理工学院共同开发) | |
| 医药 | DNA纳米机器人 | ||||
| 食品 | 太空中太阳光驱动的微生物学合成(与Oakbio共同开发) | ||||
| 其他 | 基于DNA的记忆装置(用于生物安全领域) | ||||
| Verdezyne | 美国 | 3 | 化学品 | 己二酸(与Verdezyne、BioAmber共同开发)、癸二酸、十二烷二酸 | |
| 生物燃料 | 气体制乙醇 | ||||
| LanzaTech | 美国 | 3 | 化学品 | 1, 3-丁二烯(以一氧化碳和氢气为底物，厌氧发酵产丁二醇) | |
| 材料 | 生物异戊二烯(与杜邦、固特异、Amyris、米其林共同开发) | ||||
| Intrexon | 美国 | 3 | 医药 | rHuA1AT(重组人α1-抗胰蛋白酶(A1AT))(用于遗传性肺气肿等A1AT缺乏症治疗)(与Halozyme共同开发)、合成单克隆抗体(与Synthetic Biologics共同开发)、SYN-PAH-001(用于肺动脉高血压治疗，利用转基因在体内细胞产生前列腺素合成酶)(与Synthetic Biologics共同开发) | |
| Rennovia | 美国 | 2 | 化学品 | 己二酸(与Verdezyne、BioAmber共同开发)、己二胺 | |
| BP | 英国 | 2 | 生物燃料 | 纤维素乙醇(与Qteros、Logen、帝斯曼、Proterro共同开发)、生物丁醇(与Green Biologics、Microvi共同开发) | |
| Isobionics | 荷兰 | 2 | 食品 | 朱栾倍半萜(与Allylix、帝斯曼共同开发)、圆柚酮(与Allylix、Evolva共同开发) | |
| Allylix | 荷兰 | 2 | 食品 | 朱栾倍半萜(与Isobionics、帝斯曼共同开发)、圆柚酮(与Isobionics、Evolva共同开发) | |
| Mascoma | 美国 | 2 | 生物燃料 | 纤维素乙醇 | |
| 生物燃料、农业 | 纤维素乙醇和动物饲料加工用酵母 | ||||
| Modular Genetics | 美国 | 2 | 工业流体 | 生物分散剂、肉豆蔻酰基谷氨酸(表面活性剂) | |
| 诺维信 | 丹麦 | 2 | 工业酶 | Cellic® CTec(用于纤维素乙醇制造) | |
| 化学品 | 丙烯酸(与Myriant、OPX Biotechnologies、metabolix、嘉吉共同开发) | ||||
| OPX Biotechnologies | 美国 | 2 | 化学品 | 脂肪酸(利用CO2和H生产) | 丙烯酸(与Myriant、metabolix、诺维信、嘉吉共同开发) |
| Synthetic Biologics | 美国 | 2 | 医药 | 合成单克隆抗体(与Intrexon共同开发)、SYN-PAH-001(用于肺动脉高血压治疗，利用转基因在体内细胞产生前列腺素合成酶)(与Intrexon共同开发) | |
| Autodesk | 美国 | 2 | 软件 | caDNAno(三维DNA折纸设计处理工具)(与Wyss研究所、麻省理工学院共同开发) | Project Cyborg(基于云计算的设计工具) |
| 哈佛大学 | 美国 | 2 | 医药 | 噬菌体治疗(抑制SOS网络)(与麻省理工学院、霍华德休斯医学研究所、波士顿大学共同开发) | |
| 生物机械 | 组织工程仿生水母(具有应用于人造肌肉等领域的潜力)(与Caltech共同开发) | ||||
| 斯克里普斯研究所(TSRI) | 美国 | 2 | 医药 | 核苷酸活疫苗(与Synthorx共同开发)、合成紫杉醇 | |
| Source: Woodrow Wilson Center. Synthetic Biology Project-Synthetic Biology Products and Applications Inventory(31 Dec. 2015) | |||||
BioAmber是全球生物基丁二酸(琥珀酸)开发的领先企业，其与日本三井合作开发的、位于萨尼亚的工厂拥有目前世界上最大的生产丁二酸的装置。基于BioAmber在该领域的优势，该公司又开发了一系列的BIO-SATM衍生产品，涉及材料、润滑油、溶剂、个人护理、食品等多个领域。由合成生物学研究的领军人物之一Jay Keasling创立的Amyris公司，是全球应用合成生物学生产青蒿酸的开创者，目前其产品已扩展至多个领域。瑞士Evolva则是合成生物学在食品领域应用开发的领先者，其圆柚酮、白藜芦醇、甜菊糖等产品的开发颇具特色，目前该公司的产品开发已向医药领域拓展。
2.3 合成生物学细分领域的产品开发态势
2.3.1 合成生物学医学产品的开发
合成生物学的应用为医学领域的发展带来了强大的动力，包括促进干细胞与再生医学的发展，通过分子传感器、分子纳米器件与分子机器的开发等提升疾病诊断能力，开发人工合成减毒或无毒活疫苗以增强疾病预防能力，合成人工噬菌体使其成为替代抗生素的新型杀菌物质，将人工噬菌体技术和基因组打靶技术等用于基因治疗，运用合成生物学技术设计细胞行为和表型可以精确调控、治疗特异的免疫细胞、干细胞等临床治疗性细胞产品体系，人工设计和合成工程细菌作为靶向治疗用的药物载体，等等。目前，基于合成生物学的新药开发仍处于早期阶段(表 2)，Intrexon公司的UltraVector®平台等技术已经广泛应用于Ziopharm Oncology公司、Synthetic Biologics公司等的创新疗法开发，其在CAR-T等肿瘤免疫疗法中的广阔应用潜力更是极具发展空间。
表 2 基于合成生物学的新药研发 Table 2 New drug developments based on synthetic biology
| 产品 | 企业(机构) | 适应症 | 药物类型 | 最高研发状态 |
| EV-086 (Pomecin A, EV-086-33140) | Evolva | 真菌感染 | 小分子 | 已中止 |
| EV-035 | Evolva(后转移至Emergent BioSolutions开发) | 细菌感染 | 小分子 | 临床前研究 |
| EV-077(SER-150-DN) | Evolva(后转移至Serodus ASA开发) | 糖尿病、肾病 | 小分子 | 临床Ⅱ期 |
| VT-301 | ViThera制药 | 炎症性肠病(克罗恩病和溃疡性结肠炎) | 益生菌(利用ENLACTTM表达抗炎蛋白) | 未知 |
| BSG005 | Biosergen | 真菌感染 | 小分子 | 临床前研究 |
| rHuA1AT | Intrexon | A1AT缺乏症 | 重组蛋白 | 未知 |
| SYN-001 | Synthetic Biologics(利用Intrexon的mAbLogixTM等技术) | 感染性疾病 | 单克隆抗体 | 临床前研究 |
| SYN-003 | Synthetic Biologics(利用Intrexon的mAbLogixTM等技术) | 感染性疾病 | 单克隆抗体 | 未知 |
| SYN-005 | Synthetic Biologics(利用Intrexon的mAbLogixTM等技术) | 感染性疾病 | 单克隆抗体 | 未知 |
| SYN-PAH-001 | Synthetic Biologics(利用Intrexon的转基因技术) | 肺动脉高血压 | 基因治疗 | 未知 |
| 基因治疗、CAR-T等新型疗法 | ZIOPHARM Oncology、Intrexon | 肿瘤 | 新型疗法 | 未知 |
| Source：Thomson Reuters Cortellis(31 DEC 2015) | ||||
以青蒿酸的生物合成为标志(在表 1的分类中，伍德罗·威尔逊国际学者中心将其作为前体化合物，因而列入化学品的分类)，合成生物学在天然产物、抗生素的人工合成中应用的巨大潜力已经得到证明。此外，目前合成生物学在组织工程、药物递送系统、抗生素佐剂等领域的产品开发也已进入各企业和研究机构的视野(表 3)。
表 3 基于合成生物学的医药产品开发 Table 3 Medicine developments based on synthetic biology
| 产品 | 企业(机构) | 状态 | 技术特点 |
| 青蒿酸 | Amyris | 已上市(或接近上市) | 利用酵母细胞工程化表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13步的化学反应过程 |
| 西他列汀 | Codexis | 市场开发中 | 利用生物催化生产 |
| 合成紫杉醇 | 斯克里普斯研究所(TSRI) | 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、麻省理工学院、霍华德休斯医学研究所、波士顿大学 | 市场开发中 | 通过抑制SOS网络，开发高效的抗生素佐剂 |
2.3.2 生物基化学品、生物能源产品的开发
利用大肠杆菌、酵母和蓝藻等底盘细胞，通过系统设计和改造，以生物质、二氧化碳等为原料，生产清洁、高效、可持续生产的化学品和生物能源产品，实现生物质资源对化石资源的逐步替代、生物路线对化学路线的逐步替代，对于破解经济发展的资源环境瓶颈制约、构建新型可持续发展工业化道路具有重大战略意义[7]。目前，部分合成生物学化学品和燃料已经有一定的应用(表 4)，但更多的产品开发则需要更好合成生物学研究的突破，以进一步降低成本、提高生产效率、扩大生产规模，从而实现对石化产品的替代。
表 4 部分合成生物学化学品和燃料的市场开发现状及潜力 Table 4 Market development status and potential of some synthetic biology chemicals and fuel
| 产品 | 企业(机构) | 生物基产品市场 | 所有市场(生物基+石化产品) | 生物基产品占比(%) | |||||
| 价格(美元/t) | 规模(百t) | 市场(百万美元/年) | 价格(美元/t) | 规模(百t) | 销售(百万美元/年) | ||||
| 乙醇 | Qteros、Logen、BP、帝斯曼、Proterro、LanzaTech、Algenol、Mascoma | 815 | 71 310 | 58 141 | 823 | 76 677 | 63 141 | 93 | |
| 乳酸 | Myriant等 | 1 450 | 472 | 684 | 1450 | 472 | 684 | 100 | |
| 丙烯酸 | Myriant、OPX Biotechnologies、metabolix、诺维信、嘉吉 | 2688 | 0.3 | 0.9 | 2469 | 5210 | 12863 | 0.01 | |
| 法尼烯 | Amyris | 5 581 | 12 | 68 | 5 581 | 12.2 | 68 | 近100 | |
| 丁二酸 | Bioamber、Myriant、帝斯曼 | 2 940 | 38 | 111 | 2 500 | 76 | 191 | 49 | |
| 1, 4-丁二醇 | Bioamber | 高于3 000 | 3.0 | 9 | 1 800~3 200 | 2 500 | 4 500~8 000 | 0.1 | |
| 己二酸 | Verdezyne、Bioamber、Rennovia | 2 150 | 0.001 | 0.002 | 1 850~2 300 | 3 019 | 5 600~6 900 | 0.000 03 | |
| 异丁烯 | Global Bioenergies | 远高于1 850 | 0.01 | 0.02 | 1 850 | 15 000 | 27 750 | 0.000 06 | |
2.3.3 其他合成生物学产品的开发
生物基化学品等的开发，为合成生物学在材料、涂料等领域的应用奠定了基础。同时，与医药产品、生物基化学品的开发类似，合成生物学对功能性食品成分、饲料用成分、农药成分的生产也具有非常重要的作用，可用于实现植物源次级代谢产物的人工生物合成，减少对野生和珍稀植物资源的依赖、对生态环境的破坏，解决干旱、盐渍和低温等非生物逆境对农业生产带来的严重影响。例如，通过人工设计基因路线控制昆虫性别、行为，实现家蚕等有益昆虫的高效利用，以及蚊子等有害昆虫种群数量的人工调控，实现害虫的无公害治理；再如，利用合成生物学技术，设计最小固氮体系，构建人工固氮生物，改造非豆科粮食底盘作物，导入人工高效固氮装置，实现非豆科粮食作物共生结瘤固氮或自主固氮。目前，这些研究仍局限于实验室，尚未进入大规模的市场开发阶段。
更为重要的是，合成生物学的研究利用拓展了传统技术的局限，使很多技术得以通过交叉集成、突破局限、解决各种复杂难题。例如，Wyss研究所已经利用合成生物学开发光合微生物，以解决太空中利用太阳能生产营养和化学物质的难题，为太空长期飞行等提供营养源[8]。再如，麻省理工学院利用合成生物学原理开发的微型机器人Cyberplasm[9]，通过微电子技术和仿生学的技术集成，来测试血液情况，帮助人类诊断疾病。
3 总结与展望
英国皇家工程院在定义合成生物学时指出，“合成生物学旨在设计与制造以生物为本质的部件、新装置与体系，同时也对现有的、自然中存在的生物体系进行重设计”[10]。一方面，工程学概念和理论的引入，使得合成生物学颠覆了生物学以描述、定性、发现为主的传统研究范式，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的新时代，使生物技术产品的开发得以有工程化、系统化和标准化的科学思维支撑，现有产品的开发已经证明了这一模式的巨大潜力。Intrexon公司的技术开发便是其中的典型例子：该公司通过开发UltraVector®平台和Better DNA®途径等，已经实现了概念化-工程-调控-优化-生产的“一站式”生物技术方案。其中，UltraVector®作为该公司的核心技术，用于快速、低成本、高效的功能筛选和新解决方案开发。与传统的代谢工程、系统生物学、蛋白质(酶)工程技术相比，UltraVector®平台最大的特点在于自动化技术的广泛运用，用于各工程环节信息整合的Design-Build-Test-LearnTM引擎与UltraVector®数据库有机融合后，可以实现各环节的数据挖掘、建模和统计分析，从而极大地扩展了其预测功能，减少了成本和风险。因而，其技术得到了Ziopharm Oncology公司、Synthetic Biologics公司等的青睐，在各类产品开发中展现了广阔物潜力。
另一方面，合成生物学的发展实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计，突破了传统的“自上而下”方法的诸多局限，基于caDNAno产品的DNA折纸术(DNA origami)便是典型的例子。DNA折纸术能够在纳米尺度上对DNA链进行精确的组装与排列，得到更加复杂精细的结构，而且实验条件简单、操作简便、组装高效，可用于开发电磁、光学等性能可控的药物传输系统和纳米器件，展现了其独特的优势。
由此可见，学科汇聚、技术整合已经展示出合成生物学在医药、化学品、食品、材料、生物燃料、环境等领域的广阔应用前景。因此，不少学者也将合成生物学的当前发展阶段与20世纪中期的信息技术发展阶段相提并论，预言合成生物学的发展有可能带来新一轮的产业革命。可以预见的是，合成生物学产品的开发，必将在解决人口与健康、资源与环境、能源与材料重大难题的过程中发挥重要作用，从而促进国民经济和社会的可持续发展。
参考文献
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[3] Andy Boyce.Win-Win Investments:Synthetic Biology for growth and innovation.European Parliament Science and Technology Options Assessment (STOA) workshop in cooperation with the University of Copenhagen and the Technical University of Denmark (DTU).[2012-06-06].http://www.europarl.europa.eu/stoa/cms/home/events/workshops/synthetic_biology.
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[5] Thomson Reuters.Cortellis for Competitive Intelligence.[2015-12-31].https://cortellis.thomsonreuterslifesciences.com/.
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[10] Royal Academy of Engineering.Synthetic Biology:Public Dialogue on Synthetic Biology.[2009-06-30].http://www.bbsrc.ac.uk/documents/1006-synthetic-biology-dialogue-pdf.
