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2023年宸睿资本就旗帜鲜明地在全市场率先提出新时代中国消费投资主题：寻找中国消费行业“芯片”和“安全供应链”，围绕该主题，宸睿资本开始布局化妆品原料、生物育种、合成生物、香精香料、益生菌、功能食品原料等赛道。
合成生物学作为未来产业的重要推动力，通过基因工程等技术手段，对生物体进行设计和改造，展现出巨大的新质生产力潜力。特别是在农业领域，该技术在动植物育种、新型材料替代、食品安全检测以及改善农业环境等方面具备广泛的应用前景，预计将显著推动农业的高质量发展。
在技术进步和政策支持的双重推动下，合成生物学在全球和中国市场均呈现出快速增长的趋势，尤其在农业领域的增速显著高于其他行业。全产业链的整合和发展路径的探索将成为未来的关键，产品型企业与平台型企业的融合将进一步增强合成生物学的市场化和产业化进程。
01
合成生物概念界定和发展情况
1.1什么是合成生物学:从“认知生命”到“设计生命”
合成生物学建立在基因工程之上，是指对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”。其原理是对目标基因片段进行定位，随后将改造后的基因植入底盘细胞。经改造的底盘细胞通过其自身代谢，表达植入的基因从而获得目标产品。
合成生物学的发展可以分为四个阶段：
一是认知阶段（2005年以前）。在科学研究发现DNA双螺旋结构之后研究者开始实行人类基因组计划，从微观层面打开探索人类基因奥秘的大门，在这一阶段多种研究技术和方法开始出现。以基因线路在代谢工程领域的应用为代表，青蒿素前体在大肠杆菌中合成标志着基因认知的逐渐成熟。
三是拓展阶段（2011-2015年）。随着基因组编辑的效率大幅提升，合成生物研究的产品逐步迈出实验室走向世界，多种应用应运而生，覆盖医疗、化工、农业、食品等多个领域。
四是融合阶段（2015年以后）。合成生物学从简单的“设计—构建—测试”逐步拓展成“设计—构建—测试—学习”循环往复的模式，通过融合信息技术形成了“半导体合成生物学”、“工程生物学”等新理念，从而推进合成生物多元化、产业化发展。
1.2发展如何：作为未来产业新质生产力，细胞级别合成成为主流
细胞级别的合成目前已实现大规模生产，具有降本增效、低碳减排、原料再生等特点。成本方面，生物合成设备相较化工投资额低，轻资产优势显著；微生物体内代谢过程中的酶作为高效催化剂能大幅降低反应能耗，意味着能实现原料利用率最大化。减排方面，生物合成一方面替代石油基产品，降低CO2等温室气体排放；另一方面能够通过CO2光合作用将碳合理转化，有利于“碳中和”目标在工业生产中的实现。原料再生方面，生物合成以生物基原料为主，包括玉米、甘蔗等淀粉类作物、木质纤维素材料和微藻等，基数庞大、价格低廉。
利用合成生物学进行工业生产的关键在于底层细胞的改造和发酵工艺的精进。根据发酵底料和需求产物的不同，首先要对底层细胞进行筛选和改造，然后将处理后的原料与菌液混合，经过发酵后，底层细胞产出目标代谢产物，分离纯化，得到最终产物。合成生物学之所以成为科研领域的黄金赛道，一方面是改变了传统的生产方式，用微观的视角对工业生产进行解构重组；另一方面是开发全新的产品，通过基因编辑等手段优化产品性能。随着生产的标准化、规模化，合成生物将成为未来产业的新质生产力。
1.3何去何从：上游稳步发展，聚焦中下游应用端放量
合成生物学产业关键环节包括菌株设计改造、工艺开发、工业化量产和终端产品的交付，产业链可分为工具层、平台层和应用层。
1.3.1工具层：原料充足，基础技术市场规模快速扩张
1.3.2平台层：依靠菌种构建和发酵技术平台从实验室走向规模化
1.3.3应用层：品类众多，全行业覆盖存在挑战
1.3.4商业模式：打通全产业链的产品型企业更受资本认可
市场尚未成熟，平台型公司盈利堪忧。2019年之前，合成生物学企业曾经有过平台发展浪潮，试图建立类似于互联网公司的平台，通过做大元件等数据库试图实现规模效益。由于合成生物学整体仍然处于比较早期的阶段，市场规模不大，对产品研发的需求也不大，仅仅依靠平台为客户提供研发服务，可能并不足以支撑平台型公司的发展。
因此，平台型和产品型一体化成为产业新发展路径。产品型公司在产品研发过程中往往会同步建立研发平台，让多个产品管线的快速落地，而平台型公司也可以在发展后期逐渐建立下游的研发创新能力，生产出自己的产品。
1.4市场规模：国内外市场保持两位数增长，合成生物农业领域增速超过整体
中国市场—预计整体市场未来增速23%。根据ResearchandMarkets的数据，2022年中国合成生物学市场规模约9.37亿美元，预计未来将以23%的增长率增长，由此测算2023年中国合成生物学市场规模约11.5亿美元。由此可见，中国合成生物产业正处于蓬勃发展阶段。
02
农业领域将成为合成生物学发展新赛道
2.1我国农业高质量发展面临的挑战：从生产端到产品端
合成生物能够从生产端、排放端、产品端为农业-食品系统赋能。
2.1.1生产端：农业资源缺乏及农业生产效率低
我国农业变革可分为三个阶段：传统农业阶段、现代化农业阶段、可持续农业阶段。传统农业阶段主要依靠天时地利人和，投入主要以分散化人力为主导致生产效率低下；现代化农业阶段历经中国工业化变革，引进高新机器设备实现劳动和资本集成化，具备一定规模效应。规模效应达到一定程度会出现边际效益递减，劳动力和资本投入无法为生产提供经济效益，为谋求更高的生产效率需要技术革新。
我国农业生产存在的痛点首先在于资源匮乏。2023年我国耕地保持在18.65亿亩，但人均耕地面积不足世界均值40%，且由于大部分地区长期不休耕，导致耕层变薄、耕地质量下降，农业资源的质量和数量都已进入刚性约束期。我国可再生淡水资源人均占有量约为世界平均水平的三分之一，水资源南北分布极不均匀，且受到不同程度的污染。这些因素共同导致了我国农业资源的短缺。
其次，我国农业生产效率与发达国家存在较大差距。2022年，中国农业就业人口占总就业人数23%，创造的第一产业GDP占比7.3%；美国2022年农业就业人口占比2%，创造了占比1.05%的第一产业GDP。农业生产资源匮乏和生产效率低下双重制约着我国农业生产端的发展。
合成生物技术能够在生产端解决我国农业痛点。一方面培育具有优良性状的动植物品种，另一方面基于高通量测序等生物技术能够使得农作物育种效率提升千百倍，育种周期缩短，快速选育出优质、绿色、营养高效的新品种，提高农业资源的利用效率。不仅如此，利用合成生物技术改造后的微生物可对农业环境进行修复，改善土地、水源等农业资源，使农业生产进入良性循环。
2.1.2排放端：农业污染及排放较高
我国农业碳排放一直居高不下，从1961年2.49亿吨增长到2018年的8.7亿吨，增长量超过2倍。根据学界研究，农业温室气体排放量占我国总排放的10%，其中动物肠道发酵、水稻甲烷以及动物粪便等直接排放占70%左右，农业用水耗电、化肥农膜、柴油消耗等间接排放占农业排放的30%左右。
药肥过量施用造成的农业面源污染加剧了土地贫瘠、资源匮乏和环境污染等问题。2023年，我国农作物每公顷化肥施用量达506.11公斤，为英国的2.05倍、美国的3.69倍、澳大利亚的9.45倍，远高于世界发达国家水平。2017年，我国水稻、玉米、小麦三大粮食作物化肥利用率为37.8%，农药利用率为38.8%，化肥和农药使用量均居世界第一，但其利用率比发达国家低10%~20%。
秸秆利用率低，由此产生大量温室气体，造成农业源空气污染。我国每年产生秸秆近9亿吨，资源化利用率约70%；农膜使用量200多万吨，回收率不足三分之二。生物肥料、生物饲料以及生物农药等生物经济中的技术解决方案提供了低排放和可持续再生的新思路。
2.1.3产品端：农产品质量与安全堪忧
随着经济社会的发展和生活水平的提高，人民群众对食品安全质量、营养健康的期待也越来越高。然而我国农产品质量与安全方面仍旧存在一系列尚未解决的问题，如农药残留超标、土壤重金属污染、各种激素类催熟剂滥用、监管技术难以满足需求等。生产层面，一些农户或商家受利益驱动，违规过量使用化肥、高毒和高残留的农药，滥用含激素类的药物以及使用违禁的添加剂，导致频频出现如“毒豇豆”“速生鸡”等农产品安全问题事件。监管层面，检验检测运行的挑战在于资金短缺及设备效率低，维护进口仪器、购买检测试剂等经费不足导致从基层开展食品安全检测存在困难。
2022年9月，中国人民代表大会通过了《中华人民共和国农产品质量安全法》，其中对农产品生产质量、饲料、肥料的使用、关键成分和指标等设立了标准，合成生物在此方面具备良好的发展空间，生物技术的发展也将给我国食品产业升级转型带来新机遇。具体体现在动物饲养环节抗生素的替代、生物农药替代化学农药以降低有害物质残留、通过微生物技术为食品安全监测另辟蹊径等。
其次，合成生物技术的应用能更好地满足人们对高质量食品的需求。利用生物合成法可降低食品原料量产的成本，使得高功能食品原料能更广泛的普及和应用，从根源解决劣质农产品生产的问题。利用合成生物学技术研发的人造蛋白能够减少人类对传统畜牧业供给的需求，给农牧业减负的同时带动食品产业更新换代。
2.2合成生物技术在农业领域的支持政策梳理
合成生物技术自“十四五”开始获得国家层面的大力支持。国家发改委在2022年5月发布《“十四五”生物经济发展规划》针对生物经济发展提出五大重点任务，随后工信部、农村农业部等其他部门紧跟步伐先后发布《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》、《农业“火花技术”发现、评估与培育实施办法（暂行）》、《关于推动未来产业创新发展的实施意见》等。为贯彻合成生物领域部署，各地区相应发布政策以扶持企业及研究院在技术方面的探索，上海、浙江、山东、江苏等地陆续对基础建设、技术攻关、产业化应用提出明确发展路线，设立DNA/RNA底层技术突破、蛋白质设计、细胞设计、高通量筛选等重点发展方向。
2.3合成生物技术在农业领域的应用广阔
随着合成生物技术的不断发展和完善，农业领域的应用场景将迎来进一步扩充，现有领域包括动植物育种、动植物营养、动植物健康、创新食品添加剂、新型材料、食品安全及绿色保鲜、农业废弃物资源化及农业环境修复等。随着社会健康和环境保护意识的提高，合成生物技术将成为农产品生产过程中关键的一环。
2.3.1第三代转基因和基因编辑技术助力动植物培育
基因编辑是一种通过改变动植物DNA中某段蛋白表现以达到对某特性定向改造目的的手段。通过“定位+切除+修补”的基因编辑技术能够有效效控制病、虫害，充分发挥动植物的生长优势，帮助其适应环境变化以提升产量。基因编辑的研发历程可分为三个阶段：ZFNs、TALENs、CRISPR/Cas，其中第三代基因编辑具备构建难度低、可支持多基因编辑、服务价格低等特点，相比于ZFNs和TALENs有更高的研究价值及发展前景，目前科学研究发现多种CRISPR/Cas系统，已实现的育种应用包括单倍体诱导、诱导有丝分裂以固定杂种活力、同源定向修复和染色体易位等。
2.3.2新型材料加速传统替代
2.3.3微生物传感器拓宽食物安全检测新渠道
食品安全检测可以通过微生物细胞传感器来实现。该检测技术以活细胞为感应元件，通过多种生化反应制作多功能细胞传感器以解决食品安全问题，现有的安全检测包括粮食霉菌检测、农残检测、重金属检测等。根据工作原理的不同，微生物细胞传感器可以分为电活性物质测定型、呼吸活性测定型、荧光共振能量转移型（FRET）、基因回路型微生物传感器。不仅如此，合成生物开拓了一条可持续性绿色发展道路，目前能够通过生物技术生产生物保鲜剂（如生物保鲜膜制剂、生物制剂乳酸链球菌素等）、创新膜材料等绿色保鲜类产品。
2.3.4“排放端+原料端”双管齐下改善农业环境
2.3.5创新食品及添加剂关键看下游需求拓展
除了直接对接消费端，替代蛋白可以作为农业上游供应链的一部分为产业赋能。由于我国生产饲料的原料存在进口依赖，因此替代蛋白作为饲料生产脱离进口的一种解决方案具备研究发展潜力。受下游需求驱动影响，在替代蛋白领域饲料市场规模大幅扩张。植物蛋白是目前最佳的替代蛋白，替代品包括菜粕、棉粕、花生粕等，广泛应用于猪、肉鸡、蛋鸡等饲料中，具有安全性强、易消化等优点。