西南证券研究发展中心 2022年8月 分析师：杜向阳 执业证号：S1250520030002 电话：021-68416017 邮箱： 合成生物学建物致知，大有可为 1 核心观点 合成生物学发展经历了四个阶段。2005年以前：技术发展初期，代表成果为青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。20052011年：基础研究快速发展，工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段，体现出“工程生物学”的早期发展特点。20112015 年：基因组编辑效率大幅提升，下游应用领域开始不断拓展。2015 年以后：“设计构建测试-学习”概念提出，多学科融合程度加深，叠加资本市场加速入场，行业进入加速发展期。 多环节高技术壁垒，国内外差距不大，国内企业存在弯道超车可能。合成生物学在基因设计、菌株改造、产物功能性质的鉴定、分离纯化、放大量产等方面存在多学科知识交叉，需要企业长时间经验积累，目前国内外尚未出现真正的合成生物学领军者，国外纳斯达克上市公司如Amyris、Ginkgo Bioworks市值均在50亿美元以下，国内企业通过产学研或自主研发的形式，有望实现弯道超车。 政策、技术、资本三重加持下，行业市场规模24年超千亿，医药领域占比约3成。1）政策端：合成生物学发展符合我国“双碳”目标的实现，与传统技术路线相比，更环保、成本优势更明显。且属于创新型技术，是我国未来生物科技发展的重点技术项目。2）技术端：基因测序技术发展迅速，检测时间和单位成本明显下降。国内企业使能技术、生产Knowhow技术已经积累到一定阶段，在产品商业化方面逐渐放量。3）资本端：2018 年创下融资金额23 亿美元的融资记录。资本和市场的目光正在向合成生物的技术应用层面聚集。从投资领域来看，主要集中在医疗、食品及饮料开发、生物体设计、自动化生产平台及能源应用开发等。根据 CB Insights 数据，预计到 2024 年合成生物学市场规模达到 189 亿美元。从CAGR来看，预计食品饮料、农业领域的增速最快，分别为64.6%/64.2%。从占比来看，医疗健康领域预计2024年市场规模为50亿美元左右，占到整体市场规模的27%。 选品视野和产业化能力是核心竞争力。通过复盘海外Amyris等公司发展路径，我们认为，考验公司立项的前瞻性视野尤为关键，对于产品的市场前景（景气度、成熟度）、可替代性（成本、环保）、产业放大难度（早期菌株选择、后期纯化量产）等方面的判断是决定公司未来发展的核心。目前来看，合成生物学选品仍以自下而上的方式为主，主要集中在化工能源、医药、食品领域较多，未来随着与计算机科学的深入研究，合成生物学有望创造新需求。建议重点跟踪企业早期项目布局及进展，同时关注上市后产品验证情况。 主要标的：金斯瑞（底层技术实力强劲）、诺唯赞（酶试剂龙头企业）、华熙生物、华东医药、凯赛生物（长链二元酸龙头企业）、华恒生物（L-丙氨酸等氨基酸龙头企业）、金城医药等。 风险提示：选品失败的风险；研发失败的风险；产品销售或技术服务销售不及预期的风险。 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.1 合成生物学含义 信息来源：合成生物学，生命科学，西南证券整理 合成生物学“建物致知”：是指在工程学思想指导下，按照特定目标理性设计、改造或者从头重新合成生物体系，即生物学的工程化，涉及生物学、生物信息学、化学、计算机科学等多个学科的交差。简单来说就是通过DNA基因层面的设计通过多组学方法生产想要的各类产物。 要解决的主要技术：1）关键元件（DNA序列）的挖掘/合成；2）底盘细胞的优化（菌株的选择及改造）；3）代谢途径/基因表达途径的构建和产物鉴定；4）如何分离纯化以及放大生产。且全过程中与机器学习等算法/以及生物数据库的完备程度息息相关。 合成生物学涉及到的学科广泛 合成生物学发展要解决的关键技术 合成生物学 DNA设计/功能鉴定 整体功能通路打通 天然宿主改造/无细胞体外合成 底盘细胞选择/优化 2 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.2 合成生物学下游应用领域多样 信息来源：CB insights，西南证券整理 基于合成生物学原理以及技术方式可分为三大类型公司：1）开发使能技术，如 DNA 合成和测序；2）制造 DNA 构件及集成系统，如软件服务；3）利用合成生物学平台生产所需产品，（医疗、农业、消费品、食品饮料、能源、工业等领域）。 3 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.2 合成生物学下游应用领域多样 信息来源：合成生物学及其研究进展，西南证券整理 不同领域关注的侧重点不同。传统化工能源、食品领域更多关注其降本增效能力，医药领域则更关心产物质量效果，如蛋白质的靶向性、成药性等指标。 应用领域 产物/疾病 产量 微生物菌种 天然产物 呋喃香豆素 3.6 mg /L 厦门链霉菌 吡喃香豆素 3.7 mg /L 厦门链霉菌 虾青素 29.6 mg /g 蓝细菌 人参皂苷 h2 300 mg /L 酿酒酵母 番茄红素 2.37g/L 酿酒酵母 医学领域 霍乱弧菌感染 - 大肠杆菌 疟疾 - 沙雷氏菌属 肿瘤 - 沙门氏菌 黑色素瘤 - 大肠杆菌 肾衰竭 - 埃希氏菌属 乳腺癌 - 噬菌体 能源领域 丁醇 552mg/L 大肠杆菌 乙醇 90.7g/L 酿酒酵母 脂肪酸 4.5g/L 大肠杆菌 富马酸 22.4g/L 大肠杆菌 丁二酸 12.51g/L 嗜热厌氧杆菌 工业化学品 -聚谷氨酸 32.14g/L 解淀粉芽孢杆菌 苹果酸 201.13g/L 黑曲霉 琥珀酸 134.25g/L 曼海姆菌 4 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.3 合成生物学如何选品目前以自下而上为主，从需求、价格等维度考虑 信息来源：各公司公告，西南证券整理 产品立项的策略 市场需求：寻找大的存量市场中细分赛道市场天花板足够高的赛道，如某些食品添加剂产品目前只能应用成人食品中，后续品质提升后可拓展到婴幼儿食品或老人保健当中；或碳中和背景下，某些环保材料。 价格：传统领域，应用合成生物学能做到降本增效的产品。如部分氨基酸。高附加值产品，如角鲨烯、医药中间体等。 工艺可行性：一般生命体中的化合物/天然提取物的代谢途径都是经由酶催化进行的，需要寻找到相对应的功能酶，多次调试后才会立项生产。 Follow+创新：如食品添加剂、维生素等领域，国内企业一般会follow帝斯曼或者巴斯夫等国际巨头产品线，有现金流后拓展新项目。 存量市场大，细分赛道天花板高 产品立项的考虑策略 选什么做？ 赚产能的钱，国产替代 工艺可行性强 Follow和创新并存 蓝晶微生物：化工材料：2万-3万亿元规模，其中环保塑料未来10年全球规模超万亿元。 凯赛生物：聚酰胺原材料，产能3/4依赖进口，且传统化学方法单位产量较低，成本高 已知代谢途径的化合物 食品维生素：跟随帝斯曼、巴斯夫； 医药生物：自主创新，定向合成全新产物 5 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术 信息来源：CNKI，西南证券整理 基因设计是底层技术，也合成生物学发展必需技术：绝大多数具有生物活性的天然产物，决定其生物合成的众多基因元件都不清楚，因此，挖掘出合成途径中的关键基因元件尤为重要。根据一般的化学反应原理及已知的中间体结构并辅以同位素示踪，可推测可能的生物合成途径。 菌株改造：如何选择最适合的菌株，如何改造最适合的菌株。 产物功能性质的鉴定：产物种类众多，功能鉴定具有独特性，难度最大。对于遗传操作手段不成熟，难以实现 ( 多 ) 基因编辑的菌株，将候选基因克隆出来并在异源系统中表达，以内源产生或外源添加的办法提供底物，进而通过色谱、质谱、核磁等技术对产物进行分析鉴定，从而确定酶的催化活性是目前常用手段。 分离纯化、放大量产：从实验阶段如何扩大生产也是难点。 未来的方向：结合计算机技术建立整体流程的学习反馈机制。 基于合成生物学筛选平台的基因元件挖掘路线图 多组学分析 底盘细胞培养 高通量测序 功能验证 化学分析 6 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：Trends in Biotechnology，西南证券整理 1.4.1 基因设计化合物代谢途径的关键酶+各类型蛋白质 对代谢途径/基因表达途径的理解是基础。2022年8月10日，合成生物学知名学者，Sang Yup Lee教授发表了一张最新的微生物可参与合成的化学品清单。汇编了目前所有可用的生物和化学反应途径，共包含有着 532 种化合物和 580 个反应，这其中生物反应和化学反应分别为 438 个和 142 个。 生物基化学品交互式代谢全图 7 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：合成生物学，西南证券整理 1.4.1 基因设计化合物代谢途径的关键酶+各类型蛋白质 生物体代谢生产化合物中如何生产关键功能酶是难点：理性设计/定向进化（非理性设计）/人工智能辅助开发。 三种设计蛋白质的方法 限制因素：需要对结构功能信息有深入了解，并且需要巨大的计算资源 理性设计 限制因素：较低的筛选速率和序列空间中庞大的变体数量 定向进化 学习已有数据中的信息，建立起输入属性（如序列）到输出属性（如功能）的映射，不需要详细的物理或生物层面的基础信息。就能够通过实验中容易得到的输入值来预测输出值，从而免除大量的重复性实验。 人工智能辅助 8 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：Deep Mind，人工智能辅助的蛋白质工程，西南证券整理 1.4.1 基因设计如何设计机器学习的算法？ 需要解决的问题 蛋白质结构预测：之前PDB数据库中可预测结构的蛋白质大约为15万种，而最近谷歌子公司Deep Mind宣布其Alpha Fold 平台已经可以预测的蛋白质结构超过2亿，来自于100万个物种，几乎涵盖了全球上所有已知的蛋白质。其中有约35%的预测结构与实验确定的结构高度一致，除此之外，还有45%的结构是被认为有足够的可靠性，其能够用于之后的各种分析应用。 功能预测：研究者通过收集原始酶的序列信息和底物的物理化学特性（如疏水常数 lgP、分子表面积）和结构信息（如官能团拷贝数、框架类型），建立了初始的数据集，并以多种基于决策树的算法来构建突变酶功能的预测模型。 结构-功能对应关系。 Alpha Fold可预测的蛋白质结构已超2亿 功能预测算法迭代 9 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：CNKI，西南证券整理 1.4.2 菌株改造与选择 底盘细胞的优势：天然产物传统的生物制造方法主要是通过微生物大规模发酵或植物栽培进而分离提取。然而，天然菌株一般生长慢、不易培养和产量低；至今仅有 1% 的可培养微生物，而绝大多数的生物资源并未获开发利用。底盘细胞具有遗传背景清晰、遗传操作简便、生长快、易大规模培养等优势。 改转录：拓展其启动子识别的广谱性及转录强度；使用高效的诱导表达体系；人工构建的更适合底盘的启动子 提高效率：“自上而下”，删除底盘细胞非必要基因，减少代谢负担，提高细胞活力。 “自下而上”，如酵母基因组中几条染色体已通过人工方式设计合成，并且在合成的酵母染色体中引入了SCRaMbLE系统，制造 突变库，高通量测序选择最优解。 用于生物制造的底盘细胞体系与天然宿主和无细胞体系的比较 底盘细胞 天然宿主 无细胞体系 细胞生长 快 较慢 - 遗传操作 简单 较复杂 - 合成途径 外源导入或人工改进 天然 多酶复合体系，适用于反应途径较简单的体系 活性物质合成能力 高、易改造 较低 高 分离纯化 较易 较难 易 用于营养保健领域 不宜 合适 - 10 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：CELL systems Review，西南证券整理 1.4.2 菌株改造与选择 菌株改造的目的。按产物来分可以分为：1）优化天然宿主中代谢物的生产；2）通过异源生物合成途径产生非天然代谢物；3）异源蛋白质的表达 优化天然代谢物的策略 优化天然代谢物的策略：加精华、去冗余。 1A：体内基因过表达酶，提高其活性。 1B：建立体外转运泵，及时把产物输出，提高产量。 1E：增强辅酶因子的作用。 1H：增加底物浓度。 1I：提高碳利用率 1J：通过工程信号转到控制其他影响代谢的因素 1C：去除掉一些非必要基因，提升细胞整理效率。 1D：删除可导致产物降解的基因。 1F：为扩大单位产量，消除细胞本身负反馈机制（改造酶）。 1G：清除副产物。 11 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：CELL systems Review，西南证券整理 1.4.2 菌株改造与选择 菌株改造的目的。按产物来分可以分为：1）优化天然宿主中代谢物的生产；2）通过异源生物合成途径产生非天然代谢物；3）异源蛋白质的表达 通过异源生物合成途径产生非天然代谢物。 与原始宿主代谢通路的兼容性 如果底物与代谢途径在不同区室进行，则需要关注酶和辅助因子。 官能团的生物合成，确保酶的功能。 底物、共底物、辅助因子确保所有前体都能使用。 优化途径 增加酶促水平 过表达策略、去除反馈抑制、去除竞争活动 转运工程，提供产品输出效率 去除副产物 异源表达的设计策略 12 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：CELL systems Review，西南证券整理 1.4.2 菌株改造与选择 菌株改造的目的。按产物来分可以分为：1）优化天然宿主中代谢物的生产；2）通过异源生物合成途径产生非天然代谢物；3）异源蛋白质的表达 蛋白质表达的设计策略：与生产较小的化合物想达到更高产量相比，某些与药物相关的蛋白质可能质量比数量更重要。 更侧重产量的产品，如酶 关注密码子相容性和最优性，以及内含子的去除。 设计选择分泌信号，确保产量。 减少蛋白质分泌应激，特别是关于二硫键的形成。 去除降解酶。 工程囊泡运输和易位。 更侧重质量的蛋白质：药物蛋白，首先要决定那个质量指标是最看重的。 蛋白质的糖基化工程，对蛋白质的功能起到很大作用 工程二硫键形成和蛋白质折叠通常可去除错误折叠蛋白。 去除降解酶。 蛋白质表达的设计策略 13 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：西南证券整理 1.4.3 产物量产放大 生产放大过程：验证阶段实验室小试中试量产放大。 整体过程壁垒较高，需要长时间的Know how积累。其中涉及到的微生物的密度变化需要配套采用一些特殊技术，以及控制发酵温度、时间、溶氧和杂菌污染等。 企业在立项之初就应考虑从前期设计到后续生产放大的全产业链规划。若只关注于前期设计如Amyris的生物燃油和Zymergen的光学薄膜都是忽视了后期产能放大的问题，导致最终没有得到产业的认可和使用。国内的发酵技术目前已经较为成熟，再结合前期平台设计的进步，可能在后期商业化验证上抢占先机。 获得稳定菌株 验证菌株稳定性一般需要15-30天；表达量验证1-2月； 生产放大过程及所需时间 实验室小试阶段 中试阶段 量产阶段 从实验室阶段5L的发酵罐放大到后续的5吨甚至百吨，至少则需要2-3年时间 14 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.4 合成生物学的核心技术多学科交叉，大部分企业只掌握部分能力 信息来源：公司公告，Wind，西南证券整理 1.4.3 产物量产放大 在生产成本端，以合成生物学方法制得的产品有较大优势。如华恒生物的L-丙氨酸产品成本降低约 50%。 以凯赛生物的生物基聚酰胺（PA56）为例，与化学合成PA66对比，生物基聚酰胺单吨成本为17354元。PA66为36500元。节省约1.9万元。 凯赛生物10万吨生物基聚酰胺项目成本拆分 科目 数量 单价（元） 成本（万元） 成本 玉米（吨） 300000 2797 83910 硫磺（吨） 708 1460 103 液氨（吨） 14389 3110 4475 氨水（吨） 8104 2786 2258 NaOH（t） 1630 333 54 碳酸氢铵（t） 41806 170 711 己二酸（t） 69515 9150 63606 硫酸铵（t） 72730 920 920 葡萄糖（t） 12552 2500 3138 硝酸钾（t） 2615 4500 1177 磷酸二氢钾（t） 2197 7709 1694 人工（人） 525 100000 5250 用电 24761 4400 10895 折旧摊销 16486.5 16487 副产物 营收 玉米胚芽（t） 19000 1994 3789 玉米纤维（t） 86190 1464 12618 玉米高蛋白饲料（t） 16300 2899 4725 合计 173545 010,00020,00030,00040,00050,00060,0002010-01-102010-09-262011-06-122012-03-042012-11-252013-08-112014-04-272014-07-032014-08-242014-10-222014-12-122015-02-052015-04-032015-05-282015-07-192015-09-112015-11-082015-12-302016-02-282016-04-212016-06-162016-08-072016-09-302016-11-272017-01-192017-07-302018-04-292019-01-202019-11-102020-08-092021-04-252022-01-09市场价(平均价):PA66 PA66价格变化图 15 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.5 合成生物学与传统技术的比较优势 信息来源：华恒生物招股书，西南证券整理 合成生物学优势： 1）应用领域广泛（“可以把代码写进发酵罐”）； 2）设计、生产效率提升（拥有大量备选元件）； 3）产品质量、环保属性、成本优势明显； 4）创造新需求。 项目 天然提取法 化学合成法 生物酶法 生物发酵法 合成生物法 产量 低 高 高 高 高 成本 高 高 较高 低 低 核心步骤 强酸水解 化学催化 生物酶催化 微生物发酵 底层设计+量产 技术要求 低 低 高 高 最高 工艺路线 长 长 短 短 短 产品质量 低 高 高 高 高 原材料来源 可再生 石油基 石油基 可再生 可再生 环境友好度 低 低 较高 高 高 技术成熟度 成熟 成熟 较成熟 较成熟 早期 应用场景 单一 较少 一般 一般 较多 合成生物学对比其他生产方式的区别 16 1 合成生物学“建物致知”的多学科技术 1.6 合成生物学发展历程 信息来源：CNKI，西南证券整理 第一阶段（2005年以前）：技术发展初期，代表成果为青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。 第二阶段（20052011年）：基础研究快速发展，年度的专利申请量较之前并未有显著增加，合成生物学研究开发总体上处于工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段，体现出“工程生物学”的早期发展特点。 第三阶段（20112015 年）：基因组编辑的效率大幅提升，下游应用领域也开始不断拓展，合成生物学技术重视程度日益提升。 第四阶段（2015 年以后）：合成生物学的“设计构建测试-学习”等概念提出，多学科融合程度加深，叠加资本市场加速入场，行业进入加速发展期。 合成生物学发展历程 17 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.1 行业发展的驱动因素 信息来源：政府官网，西南证券整理 政策端： 1）合成生物学发展符合我国“双碳”目标的实现，与传统技术路线相比，更环保、成本优势更明显。以华恒生物的L-丙氨酸产品为例，公司发酵法工艺大幅降低了约 50%的产品成本。 2）合成生物学属于创新型技术，属于我国未来生物科技发展的重点技术项目。 部门 政策名称 发布时间 相关内容 国家发改委 “十四五”生物经济发展规划 2022.5.10 指出包括合成生物学在内的生物经济是未来中国经济转型的新动力。 国家发改委、科技部等四部门 关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见 2020.09.11 支持包括建设合成生物技术创新中心在内的各项细则，促进生物技术大力发展。 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 2021.11.12 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、酶催化等先进技术。 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 2021.01.19 结合人工智能技术以及临床研究优势，终点为肉细胞基因治疗、合成生物 学、结构生物学等重大产业平台和重点项目。 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年远景目标纲要 2021.06.09 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、生态基因学等领域展开关键技术攻关。 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 2021.06.23 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写技术列为重点发展先导产业，以推动合成生物学工业应用。 行业相关政策 18 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.1 行业发展的驱动因素 信息来源：Markets and Markets，灼识咨询，麦肯锡，西南证券整理 技术端： 1）基因测序技术发展迅速，检测时间和单位成本明显下降。基因测序提供的基因序列信息，可提供为合成生物学的“代码库”。此外，低成本的全基因组测序（仅需1000美元）能够更有效地控制长基因构建体的质量，这是基因合成的关键步骤。 2）基因合成原材料成本下降，基因编辑技术发展，下游需求提升。 3）平台型使能技术快速发展。 人类全基因组测序成本逐渐降低 历代测序技术对比 测序技术 测序方法 读长 运行时长 成本/1亿碱基 第一代 Sanger 400-900bp 20min-3h $2400000 第二代 Roche-454 700 bp 24 hours $10000 Illumina-Genetic Analyzer 50-300bp 1-10 days $50-$150 Thermo Fisher -ABI-Solid 50+35/50+50 bp 1-2 weeks $130 Ion Torrent 400bp 2 hours $66.8-$950 第三代 Pacific Pacbio 平均5500-8500bp，最大读取长度 30000bp 30min-2h $7.2-$43.3 第四代 Oxford Nanopore 100kb-300kb超长建库 - $1.5-$4.7 19 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.1 行业发展的驱动因素 信息来源：CB insights，西南证券整理 资本端： 资本助力行业发展，多领域布局合成生物学。根据 CB Insights 的数据显示，截至2020年8月，合成生物学领域在全球共发生 391 起融资事件，其中 2017 年最高，为 70 起， 2018 年创下融资金额23 亿美元的融资记录。资本和市场的目光正在向合成生物的技术应用层面聚集。从投资领域来看，主要集中在医疗、食品及饮料开发、生物体设计、自动化生产平台及能源应用开发等。 合成生物学领域融资事件及金额 融资金额较高的10家公司 20 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.1 行业发展的驱动因素 信息来源：麦肯锡，西南证券整理 资本端：基因组学是目前为止在各个组学中商业融资以及学术成果都最丰富的领域。累计目前共有228亿美元的融资金额，学术成果超千篇。 合成生物学领域融资事件及金额 21 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.2 行业市场规模未来5年超千亿元 信息来源：CB Insights ，西南证券整理 根据 CB Insights 数据， 2019 年全球合成生物学市场规模达 53 亿美元。预计到 2024 年，与 2019 年相比，合成生物学市场规模的年复合增长率（CAGR）将增长 28.8%，达到 189 亿美元。从CAGR来看，预计食品饮料、农业领域的增速最快，分别为64.6%/64.2%。从占比来看，医疗健康领域预计2024年市场规模为50亿美元左右，占到整体市场规模的27%。 1704.7 1897.4 2109.3 5022.4 020004000600080001000012000140001600018000200002017 2018 2019 2024E医疗健康 科研 工业化学品 食品和饮料 农业 消费品 合成生物学市场规模（百万美元） 22 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.3 展望未来可能创造的新需求 信息来源：麦肯锡，西南证券整理 领域与案例 创新领域 转化能力 上下游合作 价值链转变并调整业务战略 生物分子 生物系统 生物机器界面 控制度精度提高 改造生物能力增强 研发通量、产量增加 生物计算机之前的接口潜力加大 生命健康 健康保险；辅助服务 POCT推广；更多药物从治疗走向治愈 减少媒介传播传染病 基因治疗 新药物开发 农业、食品 食品零售和饭店；房地产；物流周期调整；环境友好 肉类价值链转变；产业链可能整合 动植物育种 植物CRISPR基因工程 植物蛋白质工程、人造肉 微生物数据优化农业投入 消费品、服务 健康保险；医疗保健 价值链上移；数据服务 DTC基因测试 微生物美容 基因工程宠物 基于组学数据个性化健康服务 化工、能源、材料 时装和化学品；电子 价值链压缩；平台型企业 原料新生物路线 改进工业酶工艺 新型材料 23 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.3 展望未来可能创造的新需求 信息来源：麦肯锡，西南证券整理 生命健康 化工、能源 消费服务 农业、食品 2020年前 2020-2030 2030-2040 2040以后 病原体筛查 无创产前检查 辅助育种 安全性和真实性的遗传追踪 DTC基因测试 药物生产的新生物路线 干细胞产生的可移植器官 用于医学目的的胚胎编辑 基因驱动预防媒介传播疾病 实体瘤的CAR-T细胞疗法 液体肿瘤的CAR-细胞疗法 液体活检 植物基蛋白质 作物微生物组诊断和益生菌治疗 培养肉 可以更快生长的基因工程动物 通过增强光合作用加快生长的基因工程作物 基于遗传和微生物组的个性化膳食服务 基于组学数据的个人健康、营养和健康状态的监测传感器 基因治疗皮肤衰老 新型材料：生物农药 / 生物肥料（RNAi农药） 改善现有发酵工艺 生物聚合物（PLAPET） 生物太阳能电池和生物电池 24 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.4 不同应用领域行业监管力度不一 信息来源：国家菌株资源库，西南证券整理 终端药品和农牧业食品领域较严，化工领域和医药中间体较灵活。 药品的生产是肯定要用到菌株生产的，也有较为完善的申报流程。 化工领域相对宽松，有些因为只作为原材料或者化学品的中间体使用，不一定需要菌株注册。整体上还是更关注生产效率高低。 食品添加剂以及化妆品的要求较严格：使用的菌种必须列入我国菌种使用目录，并需要试验证明/安全评估对人体无害。先经过国家农业部的安全性评估，再向食药监局进行审批和注册。 国家菌株资源库按不同机构统计菌株数量情况 机构名称 菌株数量 中国农业微生物菌种保藏管理中心 10990 中国药学微生物菌种保藏管理中心 9897 中国工业微生物菌种保藏管理中心 12757 中国兽医微生物菌种保藏管理中心 8392 中国普通微生物菌种保藏管理中心 24056 中国林业微生物菌种保藏管理中心 15461 中国海洋微生物菌种保藏管理中心 20551 合计 102104 25 2 政策、技术、资本三重助力行业快速发展 2.5 行业专利一般更多以技术秘密的形式存在 信息来源：公司公告，西南证券整理，备注：按照最新公司公告日期统计 从基因设计方面来看，仍需进行底层技术开发。如国外Deep Mind公司的Alpha Fold 2仅仅公布了推理代码，但并未公开训练代码，所以想真正掌握此技术仍需要国内企业从更底层技术做起。 从菌株专利方面看，行业内的专利更多是以技术秘密的形式存在。主要的考虑因素有：1）申请后同行模仿难度降低。2）很多工艺方面的菌株改造设计过程很难求证，同行使用后很难追究责任。目前国内企业的菌株主要从国内高校获得原始菌株，或者从一级市场通过买断授权/多次买断的形式获得，但大部分项目仍然处于早期阶段，进入中试后的菌株较少。 我国部分合成生物学相关企业专利情况对比 公司名称 专利分类 发明专利 实用新型专利 凯赛生物 234 54 华恒生物 43 45 华熙生物 89 49 弈柯莱生物 38 11 梅花生物 12 - 诺唯赞 33 23 金斯瑞 147 26 -100.0%-50.0%0.0%50.0%100.0%150.0%(300)(200)(100)01002003004002010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021营业收入（百万美元） 扣非归母净利润（百万美元） yoy3 他山之石底层技术搭建+选品+量产能力是重中之重 3.1 Amyris选品之初要从产业链视角做决定 信息来源：Amyris官网，Wind，西南证券整理 -150%-100%-50%0%50%100%10-1011-0111-0411-0711-1012-0112-0412-0712-1013-0113-0413-0713-1014-0114-0414-0714-1015-0115-0415-0715-1016-0116-0416-0716-1017-0117-0417-0717-1018-0118-0418-0718-1019-0119-0419-0719-1020-0120-0420-0720-1021-0121-0421-0721-1022-0122-0422-07阿米瑞斯 2003年成立 2005 年研发出了能够生产青蒿酸的酵母菌株，迎来第一个里程碑 2012-2013 年，聚焦于生物柴油，曾承诺核心产品生物柴油 Biofene（法尼烯分子）在 2012 年产量能够达到 4000-5000 万升，但在巴西设立工厂放大规模不及预期，股价因此大跌。 2008 年，把青蒿酸生产技术授权赛诺菲 2010 年，在美国纳斯达克股票交易所上市，合成生物学想象空间大，公司股价也随之翻倍 2014年，转变思路：将业务转向高附加值、小批量的香精业务。 至今，Amyris 的业务支柱在于纯净美妆、香氛和健康三大方面，同时努力打造底层技术。 27 3.1 Amyris 选品之初要从产业链视角做决定 信息来源：Amyris，西南证券整理 有了前车之鉴，积极发展底层技术，拓展产品种类。公司通过开发LAB-TO-MARKET平台，开发了源自15种化学分类的分子，已有 13 种不同分子产品通过此平台在市面上推广并产生收益，24 种成分正在积极开发中。预计到 2025 年，每年将有 4-6 种分子产品商业化，并且每种产品将在几年内达到 5000-10000 万美元的价值。 Amyris用法尼烯合成了角鲨烯，应用到了化妆品以及疫苗佐剂领域。成本进一步得到节约。2020年与2012年相比，单个产品开发成本下降90%，平均上市时间缩短80%，研发效率提高500%，每42秒可以构建一个菌株。 Amyris底层技术搭建迅速 3 他山之石底层技术搭建+选品+量产能力是重中之重 28 3 他山之石底层技术搭建+选品+量产能力是重中之重盘 3.2 Ginkgo Bioworks平台化的龙头企业 信息来源：公司公告，西南证券整理 深入融合到产业链中去的商业模式。与Amyris的TO C模式不同，Ginkgo Bioworks通过卖服务与下游客户深层绑定，走合作研发的路线。为此公司多年来持续投入自动化研发平台的打造，目的是为了打造更高通量、更低成本的平台。 收并购快速突破底层技术瓶颈。2022年1月10日收购Inscripta，的Onyx基因组工程技术平台，并将其整合进了公司自身的高通量自动化研发平台的Foundry部分中。此外预计在2023年Q1完成对Zymergen的收购，整合其极强的自动化、软件、数据科学能力平台 营收和新增项目增长迅速。在 2021 年实现了新增细胞编程项目 31 个，累计启动了细胞编程项目 105 个。2021 年 营收达到了 3.138 亿美元，而 20 年同期营收仅为 7670 万美元，同比增长 309%。 公司产量及成本优势明显 收购Inscripta公司，整合平台能力 29 3 他山之石底层技术搭建+选品+量产能力是重中之重 3.2 Ginkgo Bioworks 平台化的龙头企业 信息来源：公司公告，西南证券整理 多领域切入。通过与不同领域公司的合作和布局，包括提供技术服务、合作研发、成立合资公司、推出子公司等等，涵盖了医药、消费品、食品、农业等各个领域。盈利模式包括：销售分成、授权许可、股权投资、里程碑付费等方式。 30 4 合成生物学相关企业对比 信息来源：各公司公告，Wind，西南证券整理 -20%0%20%40%60%80%100%120%140%160%180%01002003004005006002019 2020 2021 2019-2021CAGR-50%0%50%100%150%200%250%300%350%400%450%(30)(20)(10)010203040502019 2020 2021 2019-2021CAGR化工企业 医药企业 食品企业 营业收入：从复合增长率来看，医药、化工企业CAGR排名较为靠前。其中凯赛生物和华恒生物合成生物学产品贡献体量最大，凯赛生物2020年受疫情影响较大。医药企业中诺唯赞从2022年开始起步，目前已有千万级别体量收入。随团队陆续打造，未来前景可期。金斯瑞主要优势目前在底层技术的掌握上，未来几年工业合成生物产品增速预计在10%左右，目前将逐渐替代一些低毛利率的酶制剂，开发新品种卡位。食品企业目前发展较为成熟，增速较慢。 利润端：目前相关企业除凯赛生物、华恒生物外，其他企业尚处于新入局或转型阶段，合成生物学贡献的利润体量较小。 4.1 企业相关业绩体量尚小，规模效应尚未形成 31 4 合成生物学相关企业对比 信息来源：各公司公告，Wind，西南证券整理 化工企业 医药企业 食品企业 合成生物学企业盈利能力明显较高：从毛利率水平来看，医药企业毛利率水平较高比较正常，但从化工企业内部区分看，合成生物学比重较大的企业如凯赛生物、华恒生物的毛利率为40%-50%，净利率为20%30%，相较传统化工企业分别提升约30%，1020%。也从侧面体现了合成生物学的壁垒和议价能力。 从毛利率、净利率变化角度看：21年相较于19年企业毛利率均有小幅下降。从净利率角度看，医药、化工企业近年来均有小幅提升。 4.2 布局合成生物学可提高企业盈利能力 -15%-10%-5%0%5%10%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2019 2020 2021 毛利率变动 -60%-50%-40%-30%-20%-10%0%10%20%30%40%-120%-100%-80%-60%-40%-20%0%20%40%60%80%2019 2020 2021 净利率变动 32 4 合成生物学相关企业对比 信息来源：各公司公告，Wind，西南证券整理 备注：球的体