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技术进步、研发计划启动及政策支持 共促我国合成生物学市场容量加速扩张

合成生物学是对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,这一名词最早出现于DNA重组技术发展的上世纪70年代。合成生物学汇聚并融合了生命科学、工程学和信息科学等诸多学科,在天然产物合成、化学工业、生物能源、生物医药等诸多领域有广泛的应用前景。

合成生物学关键技术图

<strong>合成生物学关键技术图</strong>

资料来源:DeepTech

合成生物学行业驱动因素

一、技术进步

1、基因编辑技术:DNA从头合成、组装、测序等相关技术飞跃发展,即科学家们可以自主设计需要的核苷酸序列,并进行重新组合,或对未知序列进行测序,为后续其他人工设计流程奠定了基础。

2、基因元件的标准化:随着人们对生物元件、遗传信息的开发研究不断深入,生物序列的不可见、已错配等问题给后续设计基因等操作带来较大不便。据此,麻省理工大学的奈特教授提出了“生物砖(BioBricks)”克隆技术,促进了标准化生物元件的装配,简化了设计与创造生命系统的过程,使生物合成更加简易快捷。即如同传统的机械制造那样,这顶技术使得特定结构和功能的DNA序列可共用一个标准的接口,拼接起来可形成一个新的生命系统。将DNA看作元件进行改造或组装极大地促进了合成生物学的标准化、统一化。

3、微生物底盘改造技术”及“细胞工厂”:不管是天然产物生产、代谢工程增产还是植物中的药物、高附加值化学品生产,都依赖细胞或微生物作为底盘应用的“工厂”。近年来细胞或生物体基因(组)底盘改造技术的蓬勃发展,例如CRISPR/Cas系统可用于调控基因表达强度、敲除基因、定点突变等,动态调控技术可随细胞内重要代谢物或荧光指标变化而随时自我调整,这些都加快了人工构建理想性状细胞的进程,进而已有研究将该技术拓展到医疗相关(如遗传病改造、修复等)。随之涌现了大批公司尝试将合成生物学构建出的高产菌株开发落地,2005年Amyris研发出了可以产生青蒿酸的酵母菌株,随后又开发了天然零卡路里甜味剂、法尼烯、大麻二酚等。类似的国外还有Ginkgo、Zymergen、Novozymes等,国内有凯赛生物、华恒生物等。

4、人工智能和机器学习指导下的新突破:人工智能和机器学习系统可按照“设计-构建-测试-学习(Design-Build-Test-Learn)”的循环流程,通过从大型实验数据集学习系统的行为模式,以预测复杂的细胞代谢、蛋白质结构,模拟分子间相互作用,优化启动子等基因元件,大大节省了理性设计时间,加速合成生物学的井喷式发展。

我国合成生物学领域的研发虽然起步较晚,但也在一定领域取得成就,如在核酸与基因组合成共计2项专利,在基因治疗和细胞治疗有1项专利等。

我国合成生物学领域的研发虽然起步较晚,但也在一定领域取得成就,如在核酸与基因组合成共计2项专利,在基因治疗和细胞治疗有1项专利等。

数据来源:公开资料整理

二、研发计划启动

1997年,我国重点基础研究发展计划启动(“973计划”),主要支持国家重大需求驱动的基础研究和重大新兴交叉科学前沿领域。2010年启动部署“合成生物学”专题研究,其中安排了10个研发项目,为我国合成生物学发展奠定了重要基础。2018年,在前期发展计划(“973计划”)的基础上,科技部启动国家重点研发计划“合成生物学”重点专项,专项中重点部署“人工基因组合成与高版本底盘细胞”“人工元器件与基因线路”“人工细胞合成代谢与复杂生物系统”以及“使能技术体系与生物安全评估”等4项主要任务,涵盖了11个任务模块、47个研究方向。

 973 计划”合成生物学项目

项目名称

首席科学家

立项年份

人工合成细胞工厂

马延和

2011~2015

光合作用与人工光合叶片

常文瑞

2011~2015

新功能人造生物器件的构建与集成

赵国屏

2012~2016

微生物药物创新与优产的人工合成体系

冯雁

2012~2016

用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径

陈国强

2012~2016

抗逆元器件的构建和机理

林章凛

2013~2017

合成微生物体系的适配性

张立新

2013~2017

微生物多细胞体系的设计与合成

元英进

2014~2018

合成生物器件干预膀胱癌的基础研究

蔡志明

2014~2018

生物固氮及相关抗逆模块的人工设计与系统优化

林敏

2015~2019

资料来源:《中国合成生物学发展回顾与展望》

国家重点研发计划“合成生物学”重点专项任务及资助情况

研究任务

申请数

立项数

资助经费/亿元

资助率(资助经费/申请经费)

基因组人工合成与高版本底盘细胞

44

20

4.19

46.9%

人工元器件与基因线路

55

19

4.04

34.2%

人工细胞合成代谢与复杂生物系统

57

24

4.48

40.3%

使能技术体系与生物安全评估

9

4

0.9

53.0%

资料来源:《我国“合成生物学”项目立项概况与实施管理建议》

三、政策推动

根据观研报告网发布的《中国合成生物学行业发展趋势分析与未来前景预测报告(2022-2029年)》显示,随着合成生物学重要性日益凸显,国内对于合成生物学产业的支持力度也在不断加大。当前国内诸多省份已出台并颁布重点鼓励和支持合成生物学行业的政策,加强顶层设计,助推行业更快发展。如2021年10月,深圳市光明区政府颁发的《光明区关于支持合成生物创新链产业链融合发展的若干措施》中提出,支持合成生物战略科技力量建设、创新链建设、产业链建设、生态链建设以及合成生物界定等,其中对承接国家省市重点科技专项、新建改造GMP厂房、用房租金、建设产业公共服务台灯四个方面的合成生物企业最高给予1000万元支持。

我国生物合成学相关政策汇总

公布时间

颁布部门

政策名称

合成生物学相关内容

2020.09.18

发改委

《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点的指导意见》

系统规划国家生物安全风险防控和智利体系建设,加大生物安全与应急领域投资,加强国家生物制药检验检定创新平台建设,促进生物技术健康发展。

2020.09.27

江苏省发改委

《关于进一步加强塑料污染治理的实施意见》

聚焦产业应用推广需求,围绕低成本聚乳酸、生物基合成材料、新一代生物医用塑料等可降解塑料相关技术方向,加快突破技术瓶颈,为后续大规模产业化推广提供技术储备和支撑。

2021.01.19

北京市发改委

《中国(北京)自由贸易试验区科技创新片区海淀组团实施方案》

结合人工智能技术以及临床研究优势,重点围绕细胞基因治疗、合成生物学、结构生物学、高端医疗器械、智能医疗服务布局重大产业平台和重点项目;围绕“互联网+医疗”,为互联网医疗、智能医院建设提供科技支撑。

2021.06.09

深圳市人民政府

《深圳市国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035远景目标纲要》

生物育种方面,重点围绕组学技术、合成生物学、植物基因学、动物基因学、生态基因学、食品科学等领域开展关键技术攻关。

2021.06.23

上海市人民政府办公厅

《上海市战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》

基因编辑、拼装、重组技术以及人工组织器官构建等合成生物学技术列为重点发展先导产业,以推动合成生物学工业应用以及相关急速临床应用。

2021.06.26

天津市人民政府

《制造业高质量发展“十四五”规划》

为发展生物医药产业,将布局建设合成生物学国家重大科技基础设施和国家合成生物技术创新中心等创新平台,加快“生物制造谷”、“细胞谷”建设。

2021.07.09

上海市人民政府办公厅

《上海市卫生健康发展“十四五”规划》

支持医学与新兴学科交叉融合发展,推进工程生物学、半导体合成生物学等在医学领域的应用,发展智能细胞、脑机融合等前沿技术。

2021.08.04

山西省人民政府

《山西省“十四五”14个战略性新兴产业规划》

开展合成生物学基础研究和生物基高分子新型材料、仿生材料等应用技术开发,加速合成生物产业生态园、生物降解聚酯等重点项目建设,重点发展生物基聚酰胺、生物降解聚酯、生物炭纤维复合材料等产品,推动人源化胶原蛋白产业化。

2021.09.01

上海市科学技术委员会

《上海市重点领域(科技创新类)“十四五”紧缺人才开发目录》

在发布的紧缺人才目录中,生命科学领域人才十分紧缺。包括代谢组学研究人才、微生物菌群和健康评估人才、合成科学和生命创制研究人才、细菌学研究人才等。

2021.09.02

江苏省人民政府

《江苏省“十四五”科技创新规划》

超前部署生物表型、农业合成生物、智慧农业等农业前沿技术和关键共性技术,加快发展农业绿色发展关键技术,推进农业高新技术产业示范区建设,完善农业科技社会化服务体系,为我省乡村全面振兴和农业农村现代化提供坚实的科技支撑。

2021.10.15

深圳市光明区政府

《光明区关于支持合成生物创新链产业链融合发展的若干措施》

支持合成生物战略科技力量建设、创新链建设、产业链建设、生态链建设以及合成生物界定等,其中对承接国家省市重点科技专项、新建改造GMP厂房、用房租金、建设产业公共服务台灯四个方面的合成生物企业最高给予1000万元支持。

2021.11.12

发改委&工信部

《关于推动原料药产业高质量发展实施方案的通知》

加快合成生物技术、连续流微反应、连续结晶控制等先进技术开发与应用。重点发展合成生物技术、酶催化、生物催化剂(酶)筛选与制备、连续流微反应、连续结晶和晶型控制、高效分离纯化、药物微量杂质控制、过程分析等先进技术。

资料来源:国家及各省市人民政府、

随着合成生物学相关技术的发展,其成为传统技术的充分补充和替代,广泛用于医疗、化工、食品、农业、消费品等终端领域,并在相关政策的支持下,我国合成生物学市场规模不断增长,预计2025年市场规模有望突破7000百万美元。

随着合成生物学相关技术的发展,其成为传统技术的充分补充和替代,广泛用于医疗、化工、食品、农业、消费品等终端领域,并在相关政策的支持下,我国合成生物学市场规模不断增长,预计2025年市场规模有望突破7000百万美元。

数据来源:观研天下数据中心整理(TC)

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光刻胶配套试剂主要是用基础化工原料(包括氢氟酸、异丙醇、硝酸、氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、无水乙醇、双氧水、硫酸、氢氧化钠等)制造的产品,包括稀释剂、显影液、漂洗液、剥离液等,与光刻胶配套使用。因此同光刻胶应用范围相同,主要应用于显示面板、集成电路和半导体分立器件等细微图形加工作业。

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