合成生物学：面向未来的行业.docx

合成生物学是什么
“合成生物学”的概念最早在 1910 年就被提出，但直到 2000 年美国科学家开发了遗传开关，才标志着现代合成生物学的开端。合成生物学是横跨生物学、化学、物理、数学和计算机等等多个领域的学科，只有在这些领域都达到一定高度之后，合成生物学才获得了近些年突破和发展的机会。在这个时点我们认为值得关注合成生物学主要有三个原因：
一、在全球维度的碳中和目标下，使用可持续原料替代不可持续原料是大势所趋，理想的结果是在保持材料性能的同时减少原料的碳排放。合成生物学能够实现将生物质这样的复杂原料转化为各种基础化工原料的过程，可以说是化工行业实现双碳目标的终极手段。
二、在许多结构复杂的产品上，合成生物学已经成为主流生产方式。而随着技术持续进步，合成生物学的成本优势在不断向上游渗透，在一些低碳小分子化工品上也开始展露出竞争力，未来有可能颠覆现有的石化生产路线。
三、受益于基因测序、编辑、合成等技术的突破，合成生物学可能已经跨过了行业发展的奇点，后续的发展速度有望远超过去的线性增长，在原料选择、产品广度、生产成本上都可能出现飞跃式的提升。
合成生物学制造化学品
合成生物学制造化学品的步骤如下：；；，实现代谢路径的创建；，实现多个酶的协同平衡；，使其满足工业化生产的要求。
图 1：合成生物学制造化学品步骤
数据来源：根据中国知网整理，东方证券研究所
与传统的化学合成相比，合成生物学生产化学品有以下几点优势：：传统化学合成的原料主要来自石油和煤炭等化石能源，而合成生物学所用的原材料以生物质为主，具有数量巨大、价格低廉、可实现碳循环等特点。：传统化工过程中的“三废”污染严重，合成生物学则是一种绿色制造方式。：安全性高体现在两个方面，一是生产过程通常在常温常压下进行，反应安全，条件简单。二是生物法产品具有食品安全性，化工合成过程中常有重金属和有机溶剂残留，而生物法可以克服这一问题。
合成生物学为何出现突破
基因测序、基因编辑和基因合成技术的进步是合成生物学近年来能够取得突破的关键。目前已有三代基因测序技术，第一代技术读长较长，但通量低；第二代技术通量高但读长短；第三代技术通量更高，读长也更长，但准确率较低。当前主流的测序技术仍是第二代技术。第二代技术自身在不断改进，使得成本大幅下降。举例说明，2003 年绘制人类基因组图谱的花费约 30 亿美元，2019 年仅需花费不到 1000 美元，未来十年甚至更短的时间内，成本可能会降到 100 美元以下。成本下降使得大规模测序得以推广，同时积累了大量的生物数据，以便科学家更好的理解生物学。
表 1：三代基因测序技术对比
代际
代表公司
测序平台
测序原理
读长（碱基数）
通量
准确率
优点
缺点
第一代
Thermo Fisher
Beckman
ABI/LIFE 3130/3500/3730
GeXP 遗传分析系
统
Sanger 测序法
Sanger 测序法
400-900bp
600-1000bp

低
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>99
读长较长，准确率 高，很好处理重复序列和多聚序列
通量小，测序成本较高，难以做大量平行测序
Illumina
Hiseq
可逆末端终止法
50-1500bp（*2）
750-
1500Gb/run
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通量很高
仪器昂贵
第二代
Thermo
Fisher
SOLID
连接法测序法
50bp
30-50Gb/run
>99
通量高，试剂成本最
低
测序时间长，读长短，成本高，数
据分析困难，碱基组拼接困难
样品制备难，难以处理重复和同种
Roche
Roche 454
焦磷酸测序法
200-600bp

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第二代中最高读长
碱基多聚区域，试剂冲洗带来错误
累计
第三代
PACBIO
NANOPORE
PacBio RS
Oxford Nanopore Minlon
DNA 单分子测序/半导体测序
纳米孔测序
1000-10000bp
平均读长 5400bp，最长 300kb
-9Gb/run
30-400