作为“第三次生物技术革命”的合成生物学，正构建从无序到有序、从随机到可控的全新生产体系，它带来了生产方式的变革，以绿色节能、降本增效等诸多优势正逐步取代传统生产方式。

我国绿色生物制造与合成生物学发展已进入新一轮技术和产业升级节点，挑战与机遇并存。为共同研讨合成生物学技术创新、应用平台和产业化、商业化机遇，首届生物智造·绿色科技行业论坛暨“想象 · 现实 · 未来——让合成生物梦想照进现实”研讨会将在2023-11-03隆重举行，届时力邀17位合成生物学行业领袖以报告与圆桌讨论形式展开互动和交流，回归合成生物学的技术与商业本质，围绕“底层驱动技术”、“从基础科学走向应用科学”、“产业化与商业化之路”3大方向，贯穿12个行业主题链条，全景式地展示合成生物学发展核心驱动因素，面临的产业化挑战与商业化考验。

本次论坛及研讨会主办单位为深圳瑞德林生物技术有限公司和深圳市松禾资本管理有限公司，合作单位为深圳市高新技术产业促进中心，指导单位为合成生物产业创新联盟，承办单位为肽研社。诚邀各级政府部门、科研院所、行业从业人员、投融资机构等合成生物学领域人士对话，多维度交流合作，共同探讨合成生物学底层技术、产业化、商业化的难点与未来发展方向。

从初创到爆发

合成生物学是对于传统的化学制造方式的补充和颠覆，是生产理念的改变和思维方式的升级。近年来，随着各个基础学科向更深层次研究迈进，同时底层赋能技术如基因合成与测序、基因编辑、人工智能、高通量筛选等技术在科学研究、商业应用中快速发展，合成生物学驶入发展快车道。未来超50%的化学制造产品可通过生物合成，将从根本上改变各行各业的生产方式，这一发展趋势正在慢慢变为现实。

从学术界的角度来看，合成生物学是一门新兴交叉学科。具体来说，合成生物学（Synthetic Biology）是指采用工程化设计理念设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。其汇集了进化生物学、分子生物学、系统生物学、生物信息学、计算机科学等学科，底层学科的成熟催化了合成生物学达到发展临界点。例如：分子生物学为合成生物学提供了技术手段；系统生物学为合成生物学提供看待与解决问题的全局思维和能力等等。

从产业界的角度来看，合成生物学是一种生产方式。其改变了原有传统化学合成单一的生产方式，因生物合成具有低成本、绿色、微型化、可循环、更安全的特点，各个产业领域生产正朝着生物合成与化学合成二者互为补充的方向变革升级。合成生物学的出现改变了原有产业界的生产方式，从原来无序的发酵生产到有序地对基因、细胞、催化酶等做定向改造，实现高价值材料和设备的“按需设计与生产”，实现生物元器件和生物制造平台的模块化标准化设计，推动生物制造平台质的突破。未来的合成生物将引导各个产业向系统化的方向发展，有望全面实现对各种化合物的低成本、高效率生产。

从投资界的角度来看，合成生物学是未来具有高度发展前景的行业赛道。生物合成有望颠覆原有的生产方式，未来行业增长趋势明显。由于底层技术基因测序、合成、编辑等实现突破，同时展现出了良好的成本控制潜力，行业发展奇点已初步显现，相关公司的生产里程碑突破从侧面印证了行业产业化、商业化的可行性和相对优势。但相比学术界对于技术研究打磨，投资界更看重合成生物学选品的商业逻辑，真正考虑的是这项技术如何发挥商业价值。

从政府部门的角度来看，合成生物学是助力实现可持续发展的重要优势战略新兴产业。合成生物制造产品平均节能减排未来将达到50％-70％，将对化石原料的替代、高能耗高物耗高排放工艺路线的替代以及传统产业的升级产生重要的推动作用。在双碳目标与可持续发展的政策背景下，合成生物学独有的绿色生产的产业优势将助力节能减排，从而推动各个领域上下游产业升级。美国、中国、英国、日本等政府近几年加大对合成生物学的政策和资金支持：2021年美国通过《2021美国创新与竞争法案》，批准未来5年内将(50Bn投入科技产业与发展，其中合成生物学是重点发展领域；2022年中国发改委在 《“十四五”生物经济发展规划》指出，包括合成生物学在内的生物经济是未来中国经济转型的新动力；英国在2016年发布《英国合成生物学战略计划2016》，计划到2030年实现英国合成学€10Bn市场；日本2019 年在发布《生物战略 2019》明确提及合成生物学在产业与经济上的巨大前景，并提出“到 2030 年，成为世界最先进的生物经济社会”。而在全球竞争中，由于我国制造业良好的产业基础和配套完整的工业体系，发展合成生物学产业化有一定优势。

合成生物学是少有的能够拉通学术端、产业端、投资端、政府端的行业。它不止是学科上交叉融合的创新研究，产业界已经实实在在地将合成生物的理念和技术应用在原材料的生产当中，某些领域已实现产品量产。

生物医药领域，2006年4月，美国加州大学伯克利分校的Jay D.Keasling领导的团队利用工程酵母菌合成了青蒿酸，成为了合成生物学量产的标志性成果，开启了使用生物合成天然提取物的历史。

材料制造领域，合成生物学改变了某些材料传统的制造方式，主要包含材料和化学品、化工用酶、生物燃料等方向，如2013年成立的Zymergen开发了一种透明的生物膜，这种生物膜薄、柔韧、耐用，可用于在智能手机、电视屏幕和皮肤等多种表面传输触摸。

护肤活性原料领域，近年来也涌现出了一批新兴企业，如国内合成生物学领跑企业瑞德林生物筛选一系列多肽连接酶以开发系列多肽产品，应用合成生物学改变原有功效护肤、营养健康等原料化学合成的方式，推动降本增效，改变原料格局。

从独立到融合

工欲善其事，必先利其器。合成生物学的各项底层技术已独立发展成熟，合成生物学的工程化平台将各项技术集成融合，共同推动合成生物发展到达商业化临界点。其中，基因三大技术（包括基因测序、基因合成、基因编辑）的快速发展产生了大量生物信息数据，推动了生物信息学、计算生物学、人工智能等前沿学科发展，其中人工智能基于生物信息数据能构建和管理一套生物大模型，有效预测生物结构对功能的影响，辅以更加精准、高通量的筛选分析，使定向设计、改造生物体成为可能。

1. 基因测序、合成效率提升、成本下降是推动合成生物行业发展的最重要驱动力。

基因测序技术发展迅速，技术不断迭代，测序成本、长度、速度均得到指数级提升。从最初的Sanger测序发展到四代纳米孔测序，效率提升的同时成本陡降，由2001年每基因组的接近1亿美元下降至2021年的0.006美元。高效低成本的的DNA测序是实现DNA合成的基础。基因测序提供的基因序列信息，可提供为合成生物学的“代码库”，这是下游合成生物学应用的重要起点。

基因合成原料成本降低，逐步走向高通量和精准合成。一代固相亚磷酰胺法及二代芯片法大幅降低成本，三代酶法未来可期。DNA的从头合成可以通过寡核苷酸（Oligo）的拼接实现，根据实现方式的不同，寡核苷酸化学合成技术主要包括柱式寡核苷酸合成以及芯片寡核苷酸合成。2021年每Mb碱基合成的平均费用已由2001年的超过5000美元下降至0.006美元，未来随着第四代酶促合成技术的发展和成熟，DNA合成有望进一步降低成本，实现更大规模化生产。

在国内的基因测序、合成企业当中，深圳华大基因是当之无愧的龙头企业，自1999年成立以来，已完成了多项具有国际先进水平的基因组研究工作。沈玥博士是华大基因的合成基因组学技术与应用/合成生物学的首席科学家，长期从事基因组“写”的工具与应用研究，致力于合成基因组学和相关的使能技术开发及应用探索。自 2010 年起，作为合成基因组学领域里程碑项目“酵母基因组合成国际计划（Sc2.0 project）”的中国协作组代表之一，主导完成多条酿酒酵母染色体的设计与合成工作，建立一系列合成基因组学的技术与方法。高通量测序仪、合成仪相当于生命科学的光刻机，沈玥博士带头研发了自主知识产权高通量 DNA 合成仪，通量及关键性能指标可对标国际先进水平，且建成了国内首个自动化模块化 DNA 组装平台。

沈玥 博士

深圳华大生命科学研究院

2. 基因编辑迭代升级使生命体的精准改造成为现实。

在生物体的基因组中特定位置插入、删除、修改或替换DNA，是改造底盘细胞、催化酶的重要技术手段。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，人工主导或干扰这个修复过程就可以把特定DNA序列进行删除或者插入外源基因。2012年第三代基因编辑技术CRISPR横空出世，与ZFNs和TALENs技术相比,CRISPR-Cas9的设计要简单且成本低，对于相同的靶点，CRISPR-Cas9有相当甚至更好的靶向效率。除了对DNA的编辑之外，RNA编辑技术也日渐成熟，目前应用较为广泛的是CRISPR-Cas13 技术，是一类由 RNA 介导的靶向 RNA 的基因编辑技术，可以实现对靶 RNA 进行高效且特异性地敲低。

辉大基因联合创始人、中科院神经科学研究所的杨辉研究员致力于CRISPR-Cas13 系统的升级。针对Cas13 普遍存在旁切活性，会造成脱靶效应，且可能存在毒副作用的临床应用障碍，杨辉团队利用蛋白质工程、流式细胞术、体外切割实验、全转录组测序等技术手段，对 Cas13 进行蛋白工程化改造、优化、筛选及验证，开发出了具有高效编辑活性和低旁切活性的高保真 Cas13 蛋白突变体 hfCas13d、hfCas13X.1(辉大基因独有），对基于 RNA 编辑的基础研究、基因治疗策略开发以及临床应用打下了基础。

杨辉 博士

中科院神经科学研究所

3. 计算生物学的不断发展为合成生物学赋能。

计算生物学在合成生物学产物研究中发挥重要作用。微生物基因组数据的快速增长为生物合成基因簇的大数据分析以及进化分析提供了新机遇，不仅让我们对微生物产物全景图有了更清晰的认识，还能够揭示天然产物的进化规律，计算生物学利用进化分析方法、大数据建模和计算机仿真技术等资源挖掘新型的药物先导天然产物，设计改造生物合成体系创造非天然分子。通过应用基因组和代谢通路的知识，通过分子模拟等方法进行辅助生物体设计、缩短开发周期。

国内有很多研究团队从事相关生物信息库的搭建和生物计算的前沿研究。上海科技大学生命科学与技术学院赵素文教授所带领的团队，课题组主要致力于开发和应用各种计算化学和计算生物学方法来研究蛋白质序列-结构-功能关系关系。

赵素文 教授

赵素文教授带领的团队在计算生物学方面的研究取得一定进展，其基于nhmmer开发了一个嗅觉受体注释工具Genome2OR,最终从1608个脊索动物基因组中注释出765248个嗅觉受体，其中有404426个功能基因以及360822个假基因。在注释数据的基础上，建立了一个名为脊索动物嗅觉受体数据库（Chordata Olfactory Receptor Database，CORD）的数据库，用于存档、分析和传播数据。

4. 人工智能构建生物大模型实现合成生物功能预测。

随着人工智能的全面发展，AI已在元件工程、基因线路、代谢工程、基因组工程中广泛应用，加速合成生物各个环节的工作流程，成本明显降低，集成工程化平台可成功缩短研发周期并扩大研发可能。人工智能提供了一个利用公开数据和实验数据来预测对生物主体和环境影响的机会，助力合成生物学突破传统筛选方法，实现模拟仿真、定向选择最优路线等功能。

人工智能在细胞遗传结构编程设计、代谢工程和实验自动化有着广泛应用。在代谢工程中，人工智能已经应用到生物工程过程的几乎所有阶段，例如人工神经网络已被用于预测翻译起始位点，注释蛋白质功能，预测合成途径，优化多个外源基因的表达水平，预测调控元件的强度，预测质粒表达，优化营养浓度和发酵条件，预测酶动力学参数，了解基因型与表型的关联，预测CRISPR的指导效果等阶段。虽然人工智能在生物学中的场景应用非常广泛，但其生物学的结合难度非常大，对于研究人员对交叉学科的掌握要求非常高。英国利兹大学的刘健教授长期从事计算神经科学与类脑智能、视觉系统编码及计算机辅助药物设计研究，曾任职于奥地利格拉兹理工大学理论计算机研究所，参与欧盟旗舰研究项目“人脑计划”，也曾在英国莱斯特大学系统神经科学中心任职，利用脑疾病（癫痫）病人的人脑单神经元实验来分析建模神经系统的动力学模型。近年来在Nat. Commun.，eLife，J. Neurosci.等国际权威学术期刊发表多篇高水平研究论文。

刘健 教授

5. 自动化高通量筛选平台加速生物合成定向进化。

高通量筛选技术(HTS)是20世纪80年代出现的新的药物筛选方法，它以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微板形式为实验工具载体，以自动化操作系统执行实验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验数据，以计算机对数以千计的样品验数据进行分析处理，并以得到的相应数据库支持整体运转的技术体系。合成生物学其中一条重要生产路径是围绕催化酶开展的，而酶催化聚焦于酶的设计与改造，以体外无细胞形式执行生物合成，是合成生物学在体外反应的一种表现形式。改造催化酶以提高酶活性是合成生物学十分关键的一环，而高通量筛选技术辅以人工智能技术可以快速在酶库中定向筛选出活性较高的酶，从而找到合适的酶基因。

随着合成生物学的发展，一些合成生物学平台公司像Ginkgo Bioworks已经推出基于超高通量筛选和机器学习指导的自动化平台酶服务，支持合成生物学公司通过生物方法寻找新的酶活性，取代现有的化学合成步骤，提高酶在工业相关条件下的特异性、活性和稳定性，并优化酶的制造以降低商品成本和环境影响。很多酶制剂公司也开始布局自己的自动化平台，加速酶的筛选进程。

在国内，深圳率先建设合成生物研究重大科技基础设施，总工艺师是来自中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所博士生导师司同研究员。他在2018年时加入合成所组织搭建了全球最大规模自动化合成生物学平台，能够极大加速合成生物学的 “设计-构造-测试-学习”的循环，帮助研究人员理解更高维度更复杂的生命系统，获得对这些系统的理性设计能力，对于中国合成生物研究乃至生物研究有重大的促进作用。

司同 研究员

综上，高通量、低成本的DNA合成和编辑技术，从根本上重塑生物技术的发展面貌，计算生物学通过计算机技术辅助设计，人工智能通过大数据建模赋予合成生物功能预测，自动化高通量筛选技术。以上技术在实际生产中赋予合成生物学拥有从DNA到蛋白质各个结构层级改造和设计的能力，使合成生物的物种和功能多样性将得到极大的拓展，细胞工厂的生物制造能力将得到极大的提升。

从现实到未来

中国合成生物产业处于高速发展时期，国家持续出台政策助力产业发展。从“十二五”，国家提出对生物制造技术的支持；到“十三五”，国家将合成生物技术列为引领产业变革的颠覆性技术之一。此后国家出台一系列政策支持合成生物的发展，“十四五”更是强调了对生物合成的应用，在政策的大力支持下，合成生物产业也迎来了重要的发展机遇。

风正帆起，合成生物学底层赋能技术已高度成熟，各学科交叉融合应用更加紧密，对生物体的设计和改造理解更加充分，行业发展基础已逐步完成构建，合成生物技术发展正当时。

即使合成生物学底层推动技术的融合发展已大成，合成生物仍存在创新链条长、学科跨度大、技术整合难度高的问题。全球范围内通过整合技术全链条最终实现产业化应用的成功案例十分有限，实现规模量产的大型企业更是屈指可数。我国虽在产能、产业链、产业化人才供给等方面优势显著，但在生物催化剂创制等基础技术领域的创新能力相对薄弱，底层核心技术还存在差距。合成生物学产业化是全球面临的重大挑战，我国在这个领域与国际前沿差距不大，有希望结合自身产业资源和创新力量，掌握该领域的未来核心技术，形成持续研发能力和自主的产品体系、技术体系、产业体系和知识产权体系，在短期内实现疾步赶超并大步领跑。

为共同探讨生物生物学底层推动技术的应用流程与难点，在本次生物智造·绿色科技行业论坛底层推动技术分论坛环节，议题将紧扣合成生物学基因测序/合成/编辑、计算生物学、人工智能场景应用及自动化高通量筛选四大推动技术，邀请到的行业领袖包括深圳华大生命科学研究院合成生物学首席科学家沈玥博士、中科院神经科学研究所研究员/辉大基因联合创始人杨辉博士、上海科技科技大学生命科学与技术学院赵素文教授、英国利兹大学刘健教授、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所博士生导师司同研究员（按议题顺序排名，不分先后）。彼时各位行业领袖将带来关于底层推动技术的深度解读，从现实应用难点出发，探索技术未来发展可能。

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