合成生物学(synthetic biology)是在现代生物学和系统科学基础上发展起来的、融入工程学思想的多学科交叉研究领域，通过设计构建、调试优化的工程学循环，全面革新生物技术，向现代工业、医药、农业、环保等领域渗透(图 1)，为解决人类发展面临的资源、能源、健康、环境等若干重大问题提供解决方案。为此，在各国加强合成生物学研究投入的同时，各企业也加快了合成生物学的应用开发步伐，形成了一系列的产品。

美国联合市场研究(Allied Market Research)2016年1月发布的报告《全球合成生物学市场－机遇与预测，2014~2020》(World Synthetic Biology Market-Opportunities and Forecast, 2014~2020)显示，2015年全球合成生物学市场达52.457亿美元，预测期内的复合年均增长率(CAGR)为23%^[2]。在战略机遇面前，2015年全球范围内已至少有565家研发机构进入该领域，国际遗传工程的机器设计竞赛(International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM)的参赛队伍由2004年的5支增长至2015年280支^[3]。这些研究机构和队伍均在合成生物学领域进行了大量的研究，其中不乏诸多的产品开发者。本文拟从情报学的角度系统分析合成生物学的重要产品、重点企业，以及市场化现状和趋势，为合成生物学的产业化应用开发提供参考。

1 研究方法 1.1 数据来源

合成生物学产品目录和基础数据源自美国伍德罗·威尔逊国际学者中心(Woodrow Wilson International Center for Scholars)科技创新计划中的合成生物学项目(Synthetic Biology Project)^[4]，新药研发数据源自Thomson Reuters Cortellis数据库^[5]，能源和化工产品的市场规模和生产设施等数据源自国际咨询机构E4tech的报告^[6]，其他信息数据源于各产品对应的企业官方网站、专利数据库和新闻网站。

1.2 分析方法

主要采用定量分析法和对比分析法。在定量分析法方面，将数量特征、数量关系与数量变化进行统计分析，以作为对比分析的基础；在对比分析法方面，通过实际数与基数的对比来提示实际数与基数之间的差异，借以了解分析对象目前所处的现状和趋势。

2 结果 2.1 全球合成生物学产品开发现状与发展趋势

2.1.1 美国在全球合成生物学产品开发中处于领先地位

根据美国伍德罗·威尔逊国际学者中心的统计，截至2015年，全球共有116个合成生物学产品得到了开发，其中92个产品由美国企业(或研究机构)主导开发(图 2，部分产品由多国企业或研究机构共同开发，图中数据仅就主导企业或研究机构加以统计)。美国的领先地位与其巨额投入密不可分：2008~2014年，美国共投入8.2亿美元用于合成生物学研究，其中2014年的投入达2亿美元以上，约60%的资金源自美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)^[3]。2014年4月1日，DARPA设立新的生物科技办公室(Biological Technologies Office，BTO)，专门负责生物学与物理科学等学科之间的交叉领域。DARPA的生命铸造厂项目(living foundries program)将创建革命性的生物制造平台。该平台采用新型生产模式、制造新型特质材料，可用于开发新型的产品(化学品、燃料、药物等)和系统(多细胞体系、自我修复体系、警戒性生物体系)，并具快速、可扩展的访问性能，以维护国家安全。

2.1.2 医药、化工和能源是合成生物学产品开发的重点领域

鉴于合成生物学的巨大应用前景，不少创新型企业投入诸多资源投入合成生物学产业化开发，以抢占合成生物学研究和发展先机。全球已开发的合成生物学产品中，医药、化工和能源产品约占47%，116个产品中有22个医药产品、18个化学品、14个生物燃料产品、11个材料产品、11个工业流体产品、10个食用产品、9个工业酶、5个个人护理产品、5个农业产品、3个软件产品、3个生物线路产品、2个生物机械产品，以及5个其它产品。在这些产品中，瑞士Evolva公司生产的Pomecins^TM既可应用于农业，也可用作应用于医药；美国Mascoma公司生产的动物饲料加工和纤维素乙醇生产用酵母，既可应用于农业，也可生物燃料(图 3)^[2]。其中，工业酶产品和个人护理产品均已上市(或接近上市)，材料产品、工业液体产品、食用产品、软件产品的市场应用开发较快，医药、化学品、生物燃料、农业产品、生物线路、生物机械及其它产品的市场应用开发相对滞后。

2.2 杜邦、BioAmber等企业引领合成生物学产品开发

至2015年，全球至少已有81家企业(或研究机构)参与了合成生物学产品的开发(表 1，鉴于企业和产品数量较多，表中仅列出有2个或2个以上产品的企业或研究机构)。在全球的合成生物学开发企业中，杜邦(杜邦公司和陶氏化学公司已于2015年底宣布合并，合并后的公司将被命名为陶氏杜邦公司；本文仍以杜邦和陶氏分别加以统计)和BioAmber分别以14个产品和13个产品位居前列。杜邦的产品系列中，工业酶产品和农业用酶产品达9个，且均已上市(或接近上市)，可见其对于对该领域的重视；从其研发策略来看，这些酶产品的开发多与高效酶生产商Verenium公司(2013年已由巴斯夫的美国子公司收购)合作开发。在这些酶产品中，FUELZYME^®α-淀粉酶等多个工业酶产品可应用于纤维素乙醇的生产处理，这与杜邦本世纪以来在生物燃料领域的布局相一致。作为另一大合成生物学产品系列，杜邦与Tate & Lyle Bio Products公司(杜邦与泰莱合资成立)合作开发了一系列基于1, 3-丙二醇的产品，衍生产品涉及材料、个人护理和食品领域。

BioAmber是全球生物基丁二酸(琥珀酸)开发的领先企业，其与日本三井合作开发的、位于萨尼亚的工厂拥有目前世界上最大的生产丁二酸的装置。基于BioAmber在该领域的优势，该公司又开发了一系列的BIO-SA^TM衍生产品，涉及材料、润滑油、溶剂、个人护理、食品等多个领域。由合成生物学研究的领军人物之一Jay Keasling创立的Amyris公司，是全球应用合成生物学生产青蒿酸的开创者，目前其产品已扩展至多个领域。瑞士Evolva则是合成生物学在食品领域应用开发的领先者，其圆柚酮、白藜芦醇、甜菊糖等产品的开发颇具特色，目前该公司的产品开发已向医药领域拓展。

2.3 合成生物学细分领域的产品开发态势

2.3.1 合成生物学医学产品的开发

合成生物学的应用为医学领域的发展带来了强大的动力，包括促进干细胞与再生医学的发展，通过分子传感器、分子纳米器件与分子机器的开发等提升疾病诊断能力，开发人工合成减毒或无毒活疫苗以增强疾病预防能力，合成人工噬菌体使其成为替代抗生素的新型杀菌物质，将人工噬菌体技术和基因组打靶技术等用于基因治疗，运用合成生物学技术设计细胞行为和表型可以精确调控、治疗特异的免疫细胞、干细胞等临床治疗性细胞产品体系，人工设计和合成工程细菌作为靶向治疗用的药物载体，等等。目前，基于合成生物学的新药开发仍处于早期阶段(表 2)，Intrexon公司的UltraVector^®平台等技术已经广泛应用于Ziopharm Oncology公司、Synthetic Biologics公司等的创新疗法开发，其在CAR-T等肿瘤免疫疗法中的广阔应用潜力更是极具发展空间。

以青蒿酸的生物合成为标志(在表 1的分类中，伍德罗·威尔逊国际学者中心将其作为前体化合物，因而列入化学品的分类)，合成生物学在天然产物、抗生素的人工合成中应用的巨大潜力已经得到证明。此外，目前合成生物学在组织工程、药物递送系统、抗生素佐剂等领域的产品开发也已进入各企业和研究机构的视野(表 3)。

2.3.2 生物基化学品、生物能源产品的开发

利用大肠杆菌、酵母和蓝藻等底盘细胞，通过系统设计和改造，以生物质、二氧化碳等为原料，生产清洁、高效、可持续生产的化学品和生物能源产品，实现生物质资源对化石资源的逐步替代、生物路线对化学路线的逐步替代，对于破解经济发展的资源环境瓶颈制约、构建新型可持续发展工业化道路具有重大战略意义^[7]。目前，部分合成生物学化学品和燃料已经有一定的应用(表 4)，但更多的产品开发则需要更好合成生物学研究的突破，以进一步降低成本、提高生产效率、扩大生产规模，从而实现对石化产品的替代。

2.3.3 其他合成生物学产品的开发

生物基化学品等的开发，为合成生物学在材料、涂料等领域的应用奠定了基础。同时，与医药产品、生物基化学品的开发类似，合成生物学对功能性食品成分、饲料用成分、农药成分的生产也具有非常重要的作用，可用于实现植物源次级代谢产物的人工生物合成，减少对野生和珍稀植物资源的依赖、对生态环境的破坏，解决干旱、盐渍和低温等非生物逆境对农业生产带来的严重影响。例如，通过人工设计基因路线控制昆虫性别、行为，实现家蚕等有益昆虫的高效利用，以及蚊子等有害昆虫种群数量的人工调控，实现害虫的无公害治理；再如，利用合成生物学技术，设计最小固氮体系，构建人工固氮生物，改造非豆科粮食底盘作物，导入人工高效固氮装置，实现非豆科粮食作物共生结瘤固氮或自主固氮。目前，这些研究仍局限于实验室，尚未进入大规模的市场开发阶段。

更为重要的是，合成生物学的研究利用拓展了传统技术的局限，使很多技术得以通过交叉集成、突破局限、解决各种复杂难题。例如，Wyss研究所已经利用合成生物学开发光合微生物，以解决太空中利用太阳能生产营养和化学物质的难题，为太空长期飞行等提供营养源^[8]。再如，麻省理工学院利用合成生物学原理开发的微型机器人Cyberplasm^[9]，通过微电子技术和仿生学的技术集成，来测试血液情况，帮助人类诊断疾病。

3 总结与展望

英国皇家工程院在定义合成生物学时指出，“合成生物学旨在设计与制造以生物为本质的部件、新装置与体系，同时也对现有的、自然中存在的生物体系进行重设计”^[10]。一方面，工程学概念和理论的引入，使得合成生物学颠覆了生物学以描述、定性、发现为主的传统研究范式，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的新时代，使生物技术产品的开发得以有工程化、系统化和标准化的科学思维支撑，现有产品的开发已经证明了这一模式的巨大潜力。Intrexon公司的技术开发便是其中的典型例子：该公司通过开发UltraVector^®平台和Better DNA^®途径等，已经实现了概念化-工程-调控-优化-生产的“一站式”生物技术方案。其中，UltraVector^®作为该公司的核心技术，用于快速、低成本、高效的功能筛选和新解决方案开发。与传统的代谢工程、系统生物学、蛋白质(酶)工程技术相比，UltraVector^®平台最大的特点在于自动化技术的广泛运用，用于各工程环节信息整合的Design-Build-Test-Learn^TM引擎与UltraVector^®数据库有机融合后，可以实现各环节的数据挖掘、建模和统计分析，从而极大地扩展了其预测功能，减少了成本和风险。因而，其技术得到了Ziopharm Oncology公司、Synthetic Biologics公司等的青睐，在各类产品开发中展现了广阔物潜力。

另一方面，合成生物学的发展实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计，突破了传统的“自上而下”方法的诸多局限，基于caDNAno产品的DNA折纸术(DNA origami)便是典型的例子。DNA折纸术能够在纳米尺度上对DNA链进行精确的组装与排列，得到更加复杂精细的结构，而且实验条件简单、操作简便、组装高效，可用于开发电磁、光学等性能可控的药物传输系统和纳米器件，展现了其独特的优势。

由此可见，学科汇聚、技术整合已经展示出合成生物学在医药、化学品、食品、材料、生物燃料、环境等领域的广阔应用前景。因此，不少学者也将合成生物学的当前发展阶段与20世纪中期的信息技术发展阶段相提并论，预言合成生物学的发展有可能带来新一轮的产业革命。可以预见的是，合成生物学产品的开发，必将在解决人口与健康、资源与环境、能源与材料重大难题的过程中发挥重要作用，从而促进国民经济和社会的可持续发展。