合成生物学的核心技术是底盘细胞的构建和生产规模的放大。
美国：合成生物学的领跑者，总统行政令推动生物技术发展
全球维度而言，美国属于较早发展合成生物学的国家。2006 年美国成立合成生物学工程 研究中心（Synberc），并由美国国家自然基金会（NFS）为其提供 10 年 3900 万美金的资 助用以推动合成生物学的发展。在 NSF 支持的 10 年中，Synberc 通过成员实验室的研 究、学术界和行业成员之间的互动以及支持社会责任创新的广泛影响的活动，为合成生物 学领域的发展做出了重要的早期贡献。 2022 年 9 月，美国总统拜登签署了一项启动“国家生物技术和生物制造计划”的行政命 令，以促进美国生物技术创新、提升生物制造能力。同月，白宫主办国家生物技术和生物 制造峰会，各政府部门和机构宣布投入 20 余亿美元推进该计划。总统行政令加速推动了 美国生物技术的发展。
欧洲：主要大国持续加强生物技术政策驱动
2020 年 1 月，德国联邦政府内阁正式通过了由德国联邦教研部和农业部两部委主导、联 合其他部委提出的《国家生物经济政策战略》，德国两部委承诺将在 2020 年至 2024 年期 间生物经济领域的预算将达到 36 亿欧元。此外德国国家生物经济战略的具体目标还包括： 1）推动生物技术的研究；2）提高生物基础的经济在整个国民经济的比重；3）强化高分 子遗传研；4）制订具体财政预算来支持生物经济等。 英国在合成生物学机遇下做出积极响应，分别于 2012 年、2016 年、2018 年及 2019 年发 布多份合成生物学战略计划。2012 年的《英国合成生物学战略路线图 2012》中，总结了 英国合成生物学发展的 5 个关键建议，分别为：1）建设多学科网络中心，构建英国合成 生物学资源体系；2）建立英国合成生物学社区；3）促进技术市场化；4）形成国际领导 地位；5）建立领导理事会。同时英国政府围绕合成生物发展路径进行布局，其在 2012 年 底成立了英国合成生物学领导理事会（SBLC），进一步深化对合成生物学的布局。 法国整体在合成生物学政策上支持与争议并行，如法国出台了《国家研究与创新战略》、 《国家研究战略：法国-欧洲 2020》、《法国国家生物生产战略》、《法国健康创新 2030 战 略》等驱动政策。但合成生物学的发展也同样受制于法国相关机构对于生物风险等伦理安 全的争议。
中国：生物技术的发展及应用逐步被纳入国家战略计划
中国制定了一系列政策文件和规划，支持合成生物学在生物制造、医药、能源等领域的应 用。例如早在 2011 年，国家科技部在《“十二五”生物技术发展规划》中提及，生物技术 是国际科技发展的主要推动力，同时也成为国际竞争的焦点。因此，国家科技部将合成生 物学技术列为重点需要突破的核心关键技术之一。 近年随着生物技术的发展，国家陆续加强对于合成生物学的关注，《2024 年国务院政府工 作报告》中再次提及，要加快发展新质生产力，加快前沿新兴氢能新材料、创新药等产业 发展，积极打造生物制造、商业航天低空经济等新增长引擎。目前我国生物制造产业正处 于政策红利期。
合成生物学的核心技术是底盘细胞的构建和生产规模的放大。现在合成生物学的起点通 常利用基因工程技术对特定的细胞进行改造，使其具有合成某种特定物质的能力，随后将 细胞进行扩大培养，之后发酵等工艺进行大规模的生产。发酵工艺应用时间较长，技术门 槛相对较低，因此底盘细胞的构建成为了合成生物学技术的主要壁垒。近年来，随着基因 测序，基因合成和基因编辑技术取得重要突破，合成生物学也得到了快速的发展。
基因测序，基因合成和基因编辑技术是构建底盘细胞也是推动合成生物学进步的核心
合成生物学的基础是构建合适的底盘细胞。底盘细胞是可用于合成特定物质的宿主细胞。 出于基因信息明确，易于改造，饲养成本低等原因，一般以大肠杆菌，乳酸乳球菌，谷氨 酸棒杆菌，酵母等细菌或者真菌细胞做为宿主细胞。研究人员需要结合的具体合成目标选 择合适的宿主细胞。 菌种的改造和高效的工业化大生产工程能力是合成生物学产业化成功的关键因素，根据华 恒生物招股书，生物法大部分反应步骤均在微生物或酶的作用下进行，菌种自身的性能如 效率和鲁棒性很大程度上决定了其是否适合产业化。 改造底盘细胞，使优化的底盘细胞增加重构途径中的物质和能量供应，减少细胞内源的消 耗、杂质的生成，解除引入产物对细胞的反馈抑制或毒性作用，使菌种具有更好的操作性、 鲁棒性，这些策略都是实现高效生物制造的关键。此外，生物制造一般会经历更为严格的 小试、中试、放大过程，去探索不同条件下最优的生产条件、工艺参数、设备选型等，这 些对大规模、低成本生产极为重要。 在底盘细胞构建的过程中，基因测序技术主要用于关键生物酶的基因序列的测序以及检测 宿主细胞是否被正确改造。基因合成技术主要应用于合成编码关键生物酶的基因片段，基 因编辑技术则主要用于对宿主的基因组进行改造。
随着技术不断升级 DNA 测序成本大幅下降。基因测序技术目前已历经三次迭代，第一代测 序主要指 Sanger 测序，由于其成本高，可测量片段较短，目前已较少使用。二代是目前 市场上较为主流的测序技术，与一代相比，二代的测序成本大幅下降，根据美国国家卫生 研究院（NIH）的估计，2022 年每兆碱基的测序成本仅为 0.01 美元，而 2001 年时则需要 1000 美元。三代技术则主要是为了进一步延长测序片段的长度，同时在对于存在大量重 复片段的复杂序列进行测序时更加准确。
国内基因测序平台领域的代表企业包括华大智造等。目前二代测序的代表性平台有 Roche 454、ABI SoliD、IonTorrent、Illumina、BGISEQ，华大智造推出的 BGISEQ 在灵敏度、 准确性等方面跻身国际前列，是目前国内企业的龙头代表。第三代测序技术的代表性企业 包括 Pacific Biosciences，Oxford Nanopore 等。
随着生物合成法的应用，可合成的 DNA 片段的长度已大幅提升。以亚磷酰胺法为代表的一 代 DNA 合成技术的主要限制在于难以合成超过 300bp 的基因片段。二代合成法主要是基于 芯片的高通量合成，相比较一代技术，二代技术具有通量高成本低的优势，国内代表性的 企业是金斯瑞和华大基因。正在兴起的生物酶法技术与前两代相比反应条件更加温和，对 环境更加友好，并且进一步的提升了可合成片段的长度，但目前商业化程度相对较低。
第三代基因编辑技术进一步提升了编辑效率并能同时编辑多个基因片段。CRISPR-Cas9 是 第三代基因编辑技术，借助 sgRNA（single guide RNA）来识别目的基因组序列,与前两 代相比，CRISPR-Cas9 具有设计难度低、成本低、更高的编辑效率和更低的脱靶率等优势， 同时，由于引导元件更小，相比前两代，CRISPR 在进行多基因编辑时更具优势。CRISPRCas9 的出现简化了对宿主细胞进行改造的难度，进一步提升了合成生物学的潜力。
发酵技术升级助力合成生物产品产业化
发酵工艺成合成生物产业化的关键一步。 21 世纪之前，发酵工程大致经历了从“以生产 食品为主的自然发酵”到“以生活资料与工业基础资料并重的代谢控制发酵”的过程转变； 进入 21 世纪，随着现代发酵工程技术与新一代发酵工程技术的蓬勃发展，发酵技术升级 为合成生物学落地并实现产业化奠定基础。
天然发酵：前期人们利用天然微生物生产多种发酵产品，如乙醇饮料、发酵面包等。 在此过程中失败率高、产品质量参差不齐。随着经验积累，人们开始选择和保存优良 的发酵菌曲，并对发酵过程进行控制：如加热、密封等，相关发酵产品也丰富起来， 生产出黄酒、啤酒、葡萄酒、面包、酸奶、醋、酸菜、腐乳等产品。
纯种发酵：显微镜的发明帮助科学家揭开发酵过程原理，帮助人们建立了菌种分离的 纯化技术和无菌操作技术，整个发酵过程更加稳定和可控，因此除了食品发酵外，丙 酮、丁醇、乙醇等工业产品的发酵也逐步建立起来。
深层发酵：通过在发酵过程中引入好氧微生物使得发酵培养不再容易染菌，在此背景 下青霉素发酵的好氧发酵技术得到快速发展。之后由抗生素发酵积累的深层好氧发 酵技术的发展和成熟，其他好氧微生物的发酵和产物合成快速发展：如丙酮酸、酮戊 二酸、维生素 C、氨基酸等；并且出现了以酶制剂为代表的蛋白质产品：如蛋白酶、 角蛋白酶和淀粉酶等。
现代发酵技术：上世纪八十年代后，基因工程技术发展推动进入现代发酵工程阶段。 现代发酵过程可以分为：①上游：菌种的选育和改造；②中游：发酵过程控制，如参 数的采集、分析和反馈；③下游：发酵产品从发酵液或细胞中分离、纯化。现代发酵 技术的可控性、精准性已经极大提高了发酵产品的质量与收率，并为更多产品的产业 化奠定坚实基础。
新一代发酵工程技术：在原有的发酵技术基础上，通过加入系统生物学技术、合成生 物学技术、信息与人工智能技术、先进材料技术等，实现新一代发酵工程技术的智能、 节约和高效。尤其是 AI 技术的发展加速了新一代发酵技术的落地。 Culture Biosciences 是美旧金山的一家技术公司，其开发的核心技术平台为 “云生物反应器”，需要进行发酵的客户可以通过远程提交任务，将发酵过程在 Culture Biosciences 的云发酵罐中模拟进行，科学家可以远程控制及监测实际 的发酵过程，可以投入更多时间设计和分析实验。
位于美国加州的 TeselaGen 公司利用 AI 技术，搭建了一套软件系统 TeselaGen， 该系统围绕合成生物学的设计-构建-测试-学习等几个环节，协助生物学家、实 验室技术人员以及生物信息学家协同工作，从而加速生物技术的产业化进程。 位于奥地利的 Novasign 公司依托 AI 技术，利用混合建模方法搭建了描述发酵过程的数字孪生系统，对发酵过程进行预测与控制，加速发酵过程优化的速度。 2024 年 2 月 22 日，川宁生物发布公告，公司与上海金珵科技有限公司达成战略 合作，其合作方向包括“生成式 AI 辅助合成生物制造”，金珵科技为上海锐康生 物提供 AI 辅助研发服务，利用生成式 AI 提升代谢途径中关键酶性能，用生成 式 AI 预测复杂代谢途径中的靶点，从而提升终端小分子产品的效价、糖转化率 和时空转化率，最终实现降本增效的目的。
