合成生物学技术的主要应用还是聚焦于化工原材料、医药中间体的合成上，并且在工业领域的应用发展最快，以凯赛生物为代表的尼龙原材料最先走向世界。

　　化石能源是一种有限的资源，随着人类历史的快速进步和发展，能源枯竭问题亟待解决；再加上人类活动对化石资源的依赖与日俱增，环境污染、安全风险等问题也逐渐浮出水面。人类开始寻找一种更为清洁、且可持续发展的能源去替代传统化石能源，合成生物技术的出现为人类提供了一种全新的解决方案。

　　20世纪90年代，基因组学与系统生物学逐渐兴起，为合成生物学的诞生奠定了技术基础。21世纪初，科学家们尝试在现代生物学与系统生物学的基础上引入工程学思想和策略，诞生了学科高度交叉的合成生物学，成为近年来发展最为迅猛的新兴前沿交叉学科之一。

　　合成生物技术是综合了科学与工程的一项崭新的生物技术，借助生命体高效的代谢系统，通过基因编辑技术改造生命体以设计合成，使得在生物体内定向、高效组装物质和材料逐步成为可能，该技术应用于生物材料、生物燃料、生物医药等多个领域。

　　具体而言，合成生物学是将生物体进行定向改造成为“高效细胞微工厂”，然后将原材料物质通过细胞工厂进行定向化、高效化、大规模化加工与转化，以产出目标新材料产品。这是一种性的生产方式，整个生产过程绿色、条件温和，能有效解决人类对传统石化、化工产品的过度依赖，且伴随而来的环境污染、安全风险等问题。

　　从理论上看，通过合成生物技术进行的物质生产可以替代绝大多数以化石能源生产的石油化学品，甚至还可以合成传统化工法不能合成的新材料，未来发展空间不可限量。动脉网对海内外深耕合成生物学产业的企业进行了梳理，看看最前沿的合成生物学技术都正在为哪些场景赋能？又将彻底替代哪些化工产品、产出了哪些新材料？

　　谁也不曾想到，人类几千年来一直用于啤酒生产的发酵技术，在21世纪迎来了新的应用场景——利用微生物定向合成目标产物，这项技术已经在基因组学与系统生物学的加持下变为了现实。

　　早在2002年，美国科学家文特尔小组首次合成了一套完整的phi X 174病毒基因组，引起了人们对合成生物学的关注；2008年，该科学小组人工合成了生殖道支原体（Mycoplasma genitalium）的细菌基因组，并将其成功移植到受体细胞，成为了人类历史上首个真正意义的合成细菌。

　　2010年，文特尔小组人工合成了相近的丝状支原体（Mycoplasma mycoides）基因组，并移植到受体细胞中，合成基因完全控制了该受体细胞，创造了人类历史上第一个真正意义的人工生命——辛西娅。

　　从2010年人类完成合成生物的初次尝试之后，直至今日的十年时间里，人类应用合成生物学已经不仅局限于科研的尝试，而是已经实现了多领域的产品生产、多场景的商业化落地。参考CB Insights对合成生物学细分领域的分类，我们对合成生物学的应用场景也划分为了四大方向：农业、食品、工业、生物医疗。

　　生物医药是合成生物学的应用场景之一，比较热门的应用便是在大麻素合成上。美国生物制药公司Teewinot Life Sciences、中国欣贝莱生物等企业都是以合成生物学生产医用级大麻素为核心业务。

　　大麻素可以作为一种医药中间体，而医药中间体也是合成生物学在医疗场景下最主要的应用之一。在中国，从事合成生物学医药中间体/原料开发的企业据不完全统计约有5家，如下图所示：

　　弈柯莱生物、酶赛生物、百葵锐生物在国内都有从事医药中间体的开发，其中弈柯莱生物开发的丁酸作为西格列汀开发的中间体，西格列汀是一种口服降糖药（抗糖尿病药）；另外开发的2,4-二氟苄胺则作为热门的抗艾滋病药物度鲁特韦的中间体，已经列入WTO、盖茨基金会等慈善机构的采购目录。同时，弈柯莱生物与酶赛生物除了自主开发医药中间体外，也提供相应的生物催化领域的定制研发服务。

　　此外，中国另外一家合成生物学公司华恒生物则专精于生物合成各种小品种氨基酸产品，其中以丙氨酸为代表的系列产品其生产规模已经位居国际前列。这种以微生物细胞工厂为核心的发酵法生产工艺替代了传统化学合成工艺的重污染生产方式，生产成本更低，生产过程更为安全、绿色、环保。

　　由于合成生物技术更多围绕微生物、细菌展开，所以在生物医药领域合成生物学的另一大应用场景聚焦于肠道菌群的“合成设计”。例如，美国生物技术公司Novome Biotechnologies通过对食品中常见的乳酸乳球菌进行工程设计，使其具备抗炎特性，作为控制克罗恩病和溃疡性结肠炎等疾病的有效治疗方案。

　　化工领域是合成生物学应用最广泛的领域之一，通过合成生物学技术生产开发传统需要通过石化工艺才能生产的原材料，既环保又节约资源，是石化材料未来的发展趋势。例如，美国科技公司Novvi从植物糖中提取目标碳氢化合物分子，生产可再生“石油”。

　　再比如美国合成生物学公司NovoLoopuses设计了一种专有的细菌来消耗塑料中的有机成分，使其转化为有价值的生物合成化合物，二次利用起来；同样在美国，Gevo再生燃料公司利用合成生物学设计酵母菌，使其能够将玉米或甜菜中的糖转化为化学物质，如异丁醇，然后用于生物燃料。

　　同样，在这个领域，中国的凯赛生物应用合成生物学技术合成的长链二元酸系列产品在全球都处于主导地位，长链二元酸和二元胺可以合成聚酰胺（PA），也就是我们俗称的尼龙。凯赛生物在生物法长链二元酸、生物基戊二胺和生物基聚酰胺行业竞争中的优势地位较为突出。

　　在农业领域，通过改造微生物使其合成一些天然的防虫成分，从而替代可能对农作物及健康产生负面影响的化学制剂。以美国科技公司Agrimetis为代表，基于合成生物学生产天然杀虫剂，阻止害虫侵蚀农作物，提高作物质量与产量。

　　其次，在农业领域通过合成生物学还可以改善作物土壤中的微生物组，以增加作物的产量。例如美国科技公司Pivot Bio开发了一种农作物固氮解决方案，公司找到了在玉米根系中的固氮微生物（γ变形菌），并将其改造“开启”固氮基因，让微生物可以从空气中转化氮元素满足作物日常氮需求。

　　除了农作物，合成生物学赋能农业领域还可以应用于动物饲养上。美国科技公司Agrivida从微生物中获取某种特定酶的基因，该酶能够帮助鸡更好吸收磷成分。Agrivida将该基因合成到玉米植株中，使转基因后的玉米可以直接合成带酶的玉米饲料。

　　在食品领域，合成生物学同样能够发挥巨大的作用。通过微生物发酵技术合成甜味剂，例如爱尔兰初创公司Miraculex和Milis Bio。生物合成的甜味剂不会像化学甜味剂遗留在人类肠道上，更不会像糖分一样增加胰岛素水平，而是会被身体直接完全消化。

　　通过和啤酒相似的发酵技术，科学家们还在肉制品和乳制品上找到了生物合成的应用场景。例如美国科技公司Clara Foods通过定向设计酵母菌，使其合成各类人类食品所需的蛋白质，如鸡蛋蛋清等，替代以动物生产培育为源头的传统食物，用更少的生产成本及资源产出同样的口感替代食品。

　　另外在防腐剂上，美国科技公司Apeel Sciences从果皮中找到灵感，通过合成生物学技术开发了能够延长水果保鲜的植物性涂层，以替代传统化学防腐剂，更安全也更环保。最后还有通过改良特定食品基因，使对其过敏的人群也可以食用的低过敏性食品等等。合成生物学的应用场景无处不在。

　　目前，全球约有40家从事生物合成大麻素的企业，根据大麻市场研究公司New Frontier Data 的一项新分析，全球大麻消费市场价值3440亿美元。大麻素市场增长的一个关键原因在于大麻素的其他价值（例如医用价值）正在越来越多被应用，而以发酵合成生物学方式进行低成本和高纯度生产大麻素的公司将拥有更多机会。

　　虽然大麻素的生产大多数都还是从大麻植株中直接提取，但这并不妨碍科学家们对应用微生物工程来生产大麻素的兴趣。早在2014年，加拿大科学家Kevin Chen便尝试以合成生物学的方式制造大麻素，并成立了Hyasynth Biologicals生物技术公司。

　　2015年，丹麦科学家Nehtaji Gallage在担任哥本哈根大学研究员时，致力于寻找到大麻植株中能够产出大麻素化合物的独特基因，这成为通过合成生物学方式批量生产大麻素的关键步骤。这段经历也促使Nehtaji Gallage在2018年创建了丹麦生物技术公司Octarine Bio。

　　由于大麻素和大麻之间的关联性，让大麻素研究一直被污名化。大麻素其实是从大麻里提取出来的一组萜酚类化合物，它们天然地存在于动物神经和免疫系统里，起到神经递质的作用，对神经系统具有多种药理效果。所以对大麻素的研究有望为神经及心理疾病的患者找到一些突破性的疗法。

　　大麻中最著名的大麻素成分莫过于能让人产生成瘾性的四氢大麻酚（THC），而大麻素中被证明对精神疾病和癫痫疾病具有治疗价值的大麻二酚（CBD）并不具有致瘾性。早在2019年，美国加州大学伯克利分校的研究人员就率先在酵母中分别生产THC和CBD，为大麻素发酵打开了大门。

　　这种通过酵母发酵产生大麻素的生产方式就是合成生物学。相比于传统的植物提取方法，生物合成大麻素能够有效摆脱天气、地理、虫害等因素的影响，节约耕地、减少资源浪费，快速实现大规模生产——仅需几周的发酵周期，即可替代数月乃至数年的种植周期，创造出高纯度的CBD原料，药物结构与自然结构相同、功效同等。

　　“从大麻植株中提取CBD是非常难以去除THC的，但是如果你采取生物合成的方式生产，在做微生物设计的时候就可以决定最终产物是什么？”丹麦科学家Nehtaji Gallage曾强调。同样，生物技术公司Hyasynth Biologicals在其官网也指出，合成生物学方法可以大规模产出清洁的大麻二酚（CBD），甚至可以改进产出具有药理特性的新型大麻素化合物，相信未来人们会越发意识到大麻素的好处。

　　欣贝莱生物也是将大麻素生物合成作为一项核心项目进行打造。该公司先通过计算分析，找到植株大麻代谢大麻素的代谢途径，然后通过功能模块设计及代谢途径优化手段，定向设计能够分泌出大麻素的细胞工厂。这种细胞工厂可以替代传统大麻养殖获取大麻素的方式，帮助药企在短时间内（不超过半年）大量获取高纯度大麻素。

　　欣贝莱生物联合创始人王筱女士也告诉动脉网：“公司一百平方米的发酵车间已经可以代替数万平方米的大麻种植面积，以低成本的原料合成高附加值的核心药物，同时生物合成高纯度的CBD大麻素也避免了传统大麻素提取时混入THC的干扰。”

　　生产大麻素的“高效细胞微工厂”用什么细胞作为底盘细胞最为合适？每个公司的选择或许各不相同。但由于底盘细胞需要进行改造开发和增殖扩大，所以对其适应性要求非常高，目前产业内最受欢迎的底盘细胞是酵母菌，因为酵母细胞方便基因操作且方便种植培养。

　　不过由于采用酵母细胞作为底盘细胞进行生物合成大麻素已经成为热门应用场景，初创企业再次采用同样策略将会面临诸多专利侵权风险，所以产业界也在积极采用创新的地盘细胞尝试生产大麻素。

　　例如，美国生物技术公司Creo采用从合成生物学鼻祖Amyris授权获得的细菌作为底盘细胞生产大麻素；德国Farmako尝试通过龙兰细菌从糖中生产大麻素，并且已经申请了全球专利；加拿大生物技术公司Algae-C通过藻类微生物进行大麻素培养，藻类可以利用废水和二氧化碳作为营养来源，天然富含生产大麻素所需的许多前体。

　　无论采用哪种细胞作为地盘细。