河南省合成生物学产业发展对策研究

摘 要：【目的】抢抓合成生物学产业重要发展机遇，提出推进河南省合成生物学产业发展的对策建议。【方法】以合成生物学内涵和产业特征为切入点，在对国内外合成生物学产业推进路径梳理的基础上，分析河南省合成生物学产业发展现状。【结果】了解了合成生物学核心概念和行业特点，梳理了国内外合成生物学产业推进路径，总结了国内外合成生物学产业成功经验和发展方向，分析了河南省合成生物学产业现状、存在的问题和面临的挑战。【结论】通过加强顶层设计、加强中试平台建设和链接技术资源，有效推进河南省合成生物学产业发展，促进产业创新和转型升级，为河南省经济发展注入新动力，实现产业结构优化和可持续发展。

关键词：合成生物学内涵；产业路径；中试平台；产业重点

中图分类号：Q81" " " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）22-0140-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.029

Study on Development Strategies of Synthetic Biology Industry in Henan Province

Abstract：[Purposes] This study aims to propose strategies for promoting the development of the synthetic biology industry in Henan province， in order to seize important opportunities for its growth. [Methods] Based on the understanding of the essence and characteristics of synthetic biology， the study analyzes the development status of the synthetic biology industry in Henan province by summarizing the domestic and international paths for the advancement of this industry. [Findings] The study provides insights into the core concepts and industry characteristics of synthetic biology. It also identifies successful experiences and development directions from the domestic and international perspectives. Additionally， the analysis offers an assessment of the current situation， existing challenges， and problems faced by the synthetic biology industry in Henan. [Conclusions] Accordingly， recommendations are proposed to strengthen top-level design， enhance the construction of pilot-scale testing platforms， and establish linkages with technological resources. These strategies aim to effectively promote the development of the synthetic biology industry in Henan， stimulate industrial innovation and transformative upgrading， inject new impetus into the economic development of the province， and facilitate optimization and sustainable development of the industrial structure.

Keywords： essence of synthetic biology; industry path; pilot-scale testing platform; industry focus

0 引言

近年来，以合成生物学为引领的第三次生物技术革命蓬勃发展，正以巨大的技术颠覆与经济价值成为制造业主导力量之一，合成生物学产业规模以接近全球GDP平均增速2倍的速度增长，合成生物学产业已然成为强国博弈战略制高点、重点推进的未来产业。

1 合成生物学内涵及产业特征

1.1 合成生物学内涵

合成生物一词最早出现于1911年法国物理化学家Stephane Leduc《生命的机理》，最初主要用于表达基因重组。随着分子系统生物学的发展，2003年国际上将其定义为基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究。2010年，首位运用合成生物学技术创造出人造单细胞生物的科学家克雷格·文特尔将其描述为像组装电路一样组装生命。

国内对于合成生物学的定义，基本上都是围绕生物学科与其他学科融合改造生物系统展开的。王晓梅等［1］认为，合成生物学是在系统生物学基础上，融汇工程科学原理，采用自下而上的策略，重编改造天然的或设计合成新的生物体系，以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系的汇聚型新兴学科。赵国屏［2］认为，合成生物学研究融合生物、工程、物理、化学、计算机等学科，促使生命科学实现从观测性和描述性系统分析认识生命的实验科学，向可定量和可预测人工设计合成生命的工程科学的跨越。刘晓等［3］认为，合成生物学采用工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至从头合成人造生命，代表了一种新的思维模式、研究方式、会聚技术。刘陈立认为，合成生物学有工程属性，它是用工程学方法去改造生命体，所以也叫工程生物学， 具体到产业实践中，合成生物学产业被认为是利用可再生的生物质资源为原料生产各种产品［4］。即通过构建高效的细胞工厂，利用淀粉、葡萄糖、纤维素等可再生碳资源甚至CO2为原料，生产氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、微生物多糖等。

总体来看，合成生物学是生物学、工程学、信息技术等相互交叉融合的新兴领域，是利用基因组测序、生物工程、计算机模拟等技术进行生命设计与合成再造，创造出更加符合产业化的新型生物系统。

1.2 合成生物学产业特征

从上述定义可以看出，合成生物学产业化过程中，首先在技术上，需要读取、记录生命体基因信息，并根据需要利用其他学科技术改写、改变、创造基因的序列，使其为细胞工厂服务。其次在产业化上，需要以微生物细胞工厂为核心，进行原料输入—菌株培育—发酵控制—提取纯化—产品输出的产业化流程。基于此，合成生物学产业具有以下鲜明特征。一是技术更新快。与传统发酵使用特定的菌种或酶技术相比，合成生物学技术应用基因编辑技术定向改造基因，进而定向创造工业菌种或酶。在先进生物技术、数据科学、工程技术、人工智能结合的情况下，自动化、高通量的设备平台和标准化的试验方法、算法和流程，推动合成生物学产业技术加速创新。二是产业层次清晰。合成生物学产业链垂直分布，分上、中、下三层。上层由提供基因合成、编辑等底层技术主体构成，通过设计—构建—测试—学习循环（DBTL）构建出需要的细胞，然后通过选择和改造菌株来扩大生产；中层由从产品研发到放大生产的产品型和主攻平台搭建的合成生物学主体构成，主要是运用精密工程、自动化、机器学习、大数据等技术，搭建由软件控制、硬件设备和应用集成的合成生物规模化制造中试场地；下层为合成生物制造产品的终端客户，主要是借助合成生物学技术生产原料或产品，打通从生物改造、发酵纯化到产品改性的全产业链，是产业链上的核心盈利环节。三是应用领域广。作为基因改造设计学科，合成生物学技术应用到方方面面。目前，生物医药、生物制造、健康食品是合成生物学的三大应用行业。同时，生物基材料快速发展，未来有望实现领跑。

2 国内外合成生物学产业发展情况

根据Reportlinker统计，2021年合成生物学全球市场规模首次超过了100亿美元，预计2026年合成生物学市场规模可达336亿美元，年复合增长率在27%以上。北美和欧洲仍然占据合成生物产业的主导地位，产业合计占比超过80%，亚太占比13%，中国合成生物学产业市场增长最为迅猛。

2.1 国外情况

国外高度重视合成生物产业发展，采取各种措施抢占核心技术，积极推进专利成果转化与产业应用，涌现一批合成生物学产业企业。

美国作为合成生物学技术研究的先驱者和全球领先力量，近年来加大利用合成生物学技术力度，在生物医药、农业、工业和国防等诸多领域密集开展大量研究，推动健康、农业和能源等多行业实现转型升级。2019年，工程生物学研究联盟（EBRC）发布《工程生物学：下一代生物经济研究路线图》；《2021年美国创新和竞争法案》将合成生物学列为十大关键技术重点领域之一；2022年拜登启动国家生物技术和生物制造计划，投入20多亿美元，旨在扩大美国的生物制造产业规模，加强供应链韧性，推进生物产品商业化。目前，Golden数据库显示，美国拥有400多家合成生物学企业，处于全球领先地位。

英国生物技术产业规模位居欧洲第一、全球第二。其依托生物和化学领域基础科学和雄厚的工业基础优势，将合成生物作为引领未来经济发展的四大新兴技术之一，高度重视对合成生物学基础设施的建设和对初创企业的投入，在全球首个国家层面出台合成生物学战略路线图，发布生物学战略计划，明确2030年生物经济规模比2016年增加100%，在2030年实现合成生物学上百亿欧元市场的目标。同时，英国加强生态集群建设，成立了国家协会和社区后，还在全国多个地方建立了合成生物学协会，以此构建合成生物学国家级研究网络。目前，英国已经拥有6个研究中心，1个创新中心和1个制造中心，拥有150多家合成生物学初创企业。

欧盟的合成生物技术主要应用于制造业、工业、制药业和农业等领域。2014年，欧洲合成生物学研究区域网络发布了《欧洲合成生物学下一步行动——战略愿景》，正式开始绘制欧洲合成技术短、中、长期路线图。2018年，欧洲研究基础设施论坛（ESFRI）发布了《2018年研究基础设施战略报告和科研基础设施路线图》，提出创新分布式基础设施——工业生物技术创新与合成生物学加速器（IBISBA），旨在支持工业生物技术和合成生物学来推动欧洲向循环生物经济转型。地平线2020资助计划投入800亿欧元，以工业生物技术和合成生物学技术发展欧洲循环生物经济。目前，欧洲市场上已经有不少运用合成生物技术的企业，涉及制药、化工等领域，专注于合成生物学研究的初创企业超百家。

澳大利亚依托良好的科研基础和基础设施，将合成生物技术作为具有战略重要性的关键技术，明确健康和医疗领域是技术和产品开发与应用的重点。2021年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）发布《国家合成生物学路线图》，提出未来短期（2021—2025年）要提升合成生物学的应用能力，并论证其商业可行性；中期（2025—2030年）要推动合成生物学初步实现商业化发展，建立产业集群；长期（2030—2040年）要重点发展由市场决定的合成生物学优先应用方向，提出相关产业的规模化增长的发展路线图。目前，澳大利亚已经建立了合成生物学高级研究中心、明确了国家合作研究基础设施战略、资助共享生物制造基础设施，涌现了一批合成生物学企业，并对农业和健康产业产生重大影响。

2.1 国内情况

我国高度重视合成生物学产业发展，持续通过顶层设计和发展规划，明确重点和政策支持，初步形成三大集聚地和一批合成生物产业企业。

为推动合成生物学产业的发展，2006年和2010年国家将合成生物学专题研究分别列入我国863计划和973计划。近年来，国家更加重视合成生物学产业发展，积极推动底层技术研究和产业化规模应用。“十二五”规划提出生物制造概念；“十三五”规划将概念延伸至生物产业，提出要大力发展生物制造、生物医药及生物能源等领域，并作为战略前瞻性重大科学问题和前沿共性生物技术被写入《“十三五”生物技术创新专项规划》；“十四五”规划明确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。北京、天津、上海等省（直辖市）均明确提出了合成生物学方向的规划和布局，出台支持合成生物产业发展的落地政策。目前，我国在关键核心技术领域发表论文和专利申请数量位居全球第二，尤其是下游应用端已处于领先位置；国内发展合成生物学具备制造应用优势与成本优势，不少产品已占据全球原料市场排行榜前列，国内不少合成生物学企业汇聚长三角、京津冀、粤港澳，初步形成天津、上海和深圳合成生物技术的三大阵地，山东、安徽、湖北等省集聚了一批企业。据创业邦睿兽分析数据，现阶段我国合成生物学关联企业925家。同时，资本不断涌入合成生物学领域，2018—2022年一级市场完成1 039个投融资，合成生物学产业呈现蓬勃发展势头。

3 河南省合成生物学产业发展现状

近年来，河南省深入实施十大战略，出台战略新兴和未来产业规划，把生物技术作为做优做强优势主导产业主要任务之一，深入推进合成生物学产业发展，已在工业放大、发酵量产等方面形成绝对优势，原材料、物流等方面形成相对优势，具备做强合成生物学产业、打造千亿产业集群产业的扎实基础。

3.1 河南省合成生物学产业发展优势

3.1.1 拥有一批合成生物企业。河南省是全国优质的农产品生产基地，生物资源丰富，拥有金丹、新拓洋、星汉生物、巨龙生物、中大恒源、飞天生物和莲花健康等一批优质生物工程类生产制造企业，以及其他中小型生物企业200多家，年产业规模和销售额超过300亿元。

3.1.2 拥有原材料成本比较优势。在合成生物学产业化过程中，成本约束较为突出。如果把成本项拆开来看，超过40％来自淀粉、糖。有专家预计，中国生物制造3 000亿产值中，接近1 500亿左右的原材料成本。因此，原材料成本的高低直接关系到合成生物企业发展，尤其是从0到1的创业公司。河南省低成本的农作物原材料供给，不但为合成生物初创企业量产带来经济实惠的便利条件，也有利于合成生物产品的规模化生产制造。

3.1.3 拥有发酵类产业产能优势。对于合成生物学来说，一款产品从100升以下的小试，到千升量级的中试，最终到几十吨或者万吨规模的量产，都需要扎实的发酵产业基础。河南省作为产粮大省，有着低成本的玉米资源、较强发酵产业底蕴及巨大的发展潜力和空间。基于这种发酵产能，合成生物企业能够快速实现从小试、中试到大规模生产，让合成生物企业更好地、轻资产地腾飞。

3.1.4 拥有合成生物产品的应用优势。食品是合成生物学极为重要的下游应用领域，包括健康糖、替代蛋白、天然色素、香精香料等众多产品。合成生物学正在不断拓展传统食物的边界。河南拥有完善且极具竞争力的食品产业链和庞大的消费人口，培育了双汇、三全、思念、牧原、卫龙、蜜雪冰城、锅圈食汇等家喻户晓的知名食品品牌，这都是合成生物学企业的关注重点。未来，从原料的开发到细胞培养肉再到替代蛋白，食品领域将为合成生物学产业化提供广阔的空间。

3.2 河南省合成生物学产业发展难点

河南省合成生物产业尽管有一定优势，但是与北京、上海、深圳等创新资源丰富的地区相比，还存在合成生物技术原创能力弱、产业集聚度不高等问题。

3.2.1 原始技术创新主体少。合成生物学产业链的上游企业主要提供DNA测序、合成、编辑等底层技术服务。目前，国内合成生物学的技术源头主要集中在京津冀、长三角和粤港澳大湾区三大地区。深圳依托中国科学院深圳先进院、深圳合成生物学创新研究院、深圳市工程生物产业创新中心等载体平台，聚焦合成生物领域从“0到1”的原始创新和“从1到10”的关键核心技术研发，打造了基础研究+技术攻关+成果产业化+科技金融+人才支撑全过程创新生态［5］。而河南则缺少类似的技术研发机构，以及依托研发机构形成的合成生物创新生态体系。

3.2.2 产业主体不多。目前，我国合成生物学产业链企业在全国各地均有分布，其中，广东与江苏分布的密集程度遥遥领先于其他省份，其次是山东、湖南、浙江、福建等地。河南虽然培育了如郑州拓洋、鹤壁飞天等企业，但总量上与发达地区仍有一定差距。

3.2.3 产业集聚度不够。在产业布局当中，多数生物相关厂商倾向于依托合成生物学园区进行研发生产。根据前瞻产业园区库的数据，截至2023年12月，我国生物产业园区共有532个，主要分布在山东、江苏、广东、湖北等地，其中山东共有产业园区71个。河南合成生物学产业在鹤壁有一定的产业基础，省属企业如投资集团、豫资控股成立了生物产业集团，但整体看，企业布局不够集中，没有全国知名的合成生物产业园区。

4 推动河南省合成生物学产业发展的建议

面对合成生物学产业发展的战略机遇，河南省坚持以创新为动力，产业为核心，发挥农业、生物发酵资源发展优势，按照一个核心两个轮子，两个领域四个系列的发展思路，即以合成生物制造为核心，以科技成果转化+应用技术开发双轮驱动，发展生物大健康、生物基材料两大领域，布局健康食品原料、生物医药、生物基材料、终端消费品四大系列产品。通过科研、产业、资本三大抓手，构建多元支撑、协同发展体系，争取10年内打造具有全球影响力的领先合成生物学产业集聚地。

4.1 加强顶层设计，明确产业发展路径

生物技术应用领域广泛，结合本地资源和产业优势，设计合成生物学产业发展路线图是推进合成生物学产业发展的共同做法。河南省应结合自身资源优势和产业基础，近期，以淀粉制糖技术发展健康产品、生物医药、生物基材料；以玉米淀粉等粮食作物为原料，发展健康产品、生物医药，生物基材料。同时，紧盯秸秆制糖等非粮生物质发展关键技术，推动工业化应用。远期，利用非粮生物质资源综合利用技术重构合成生物制造产业体系；随着秸秆生产混合糖、高效提纯浓缩等关键平台技术的产业化突破，以非粮糖源为原料，利用合成生物技术生产阿洛酮糖、塔格糖、肌醇、DHA等健康产品原料，发酵虫草菌粉、甘露醇、三乙酰核糖等生物医药原料，具有优异的生物可降解性和生物相容性的PLA、PHA、PEF、生物基尼龙56等非粮生物基新材料；上游拓展非粮生物质转化原料产线，下游延伸高附加值终端产品，建设有竞争力的合成生物产业体系。

4.2 加强科技成果转化（中试）及产品应用开发，推动企业集聚发展

一是在加强中试能力建设方面，持续提升基础研究能力，打造高水平概念验证环节，为中试成果的二次开发提供前置支撑。培养具有科研思维的中试工程师队伍，做到一个问题，多种解法，为每个中试环节提供最科学的技术方案。持续加大资金投入，不断升级工艺及装备设施效能，夯实多层次技术创新、成果转化硬件支撑能力。二是在培育中试能力优势、链接技术与市场方面，成立产业研究院、博士后工作站，提供技术、人才支撑。要“顶天”，向上直击合成生物领域高校与科研院所只搞研发不做中试、科技中小企业需要中试但建不起、大企业建得起却利用不足等中试转化环节薄弱要害，凝聚源头技术、需求、项目入豫转化。同时，要“立地”，向下围绕大健康战略、材料强国战略发展要求，为健康产业及材料产业下游企业提供优质产品解决方案，持续通过产品创新，实现市场拓展。另外，组建河南合成生物产业研究院，完善创新链条，攻克关键技术，搭建高端平台，强化协同创新；建立博士后工作站，培养实用型、创新型、复合型人才，培育高水平科研团队，产出高水平科研成果，在招才引智、科技创新方面起到旗帜引领作用。同时，依托中试研发机构，布局建设合成生物学产业园区，建立健全政策体系，吸引合成生物企业入驻，打造合成生物学产业集聚高地。

4.3 加强合成生物学技术引进，推动技术向产品落地，打通“创新链”

鉴于河南省原始技术创新能力弱的情况，围绕合成生物技术快速突破带来的成果转化需求，打造全要素（人、信息、技术等）汇聚、机制灵活、功能多元、开放共享、供给有效的成果转化与应用开发创新平台。一是链接技术创新主体。积极对接国家合成生物技术创新中心、江南大学、浙江工业大学等国家战略科技力量，引进先进且契合发展方向的科研成果，建立强中试特色能力优势，使之成为并购重整省内生物产业资源的核心支撑，实现“源头技术全球创新—产业应用河南实践”的融通发展。二是建立有利于成果快速转化、资源集聚的成果引进及转化机制。采用以产定研、量身定制的订单式研发模式，科学系统的技术引进管理流程，围绕体制机制、考核体系、人才团队建设等方面设计具有市场竞争力的运营模式，构建一套成果转化“顶层设计”，促进成果转化。针对现有生物技术成果管理体制约束，通过适合国企属性的更加灵活的技术许可、转让、作价入股、联合开发等技术转移模式，纾解转移难、转化低的困境，打造开放、包容、诚信的生物技术成果转化标杆；针对发达地区成果转化应用成本高、落后地区人才与技术匮乏的痛点，与深圳、上海、天津等拥有合成生物领域国家级战略科技力量的地区签订飞地协议，以机制吸引资金、人才等创新要素向河南汇聚，同时适时设立国际创新资源对接的窗口公司，引进日本高化学、丹麦诺维信等合成生物领域知名企业及其先进技术。

参考文献：

［1］王晓梅，李辉尚，杨小薇.全球农业合成生物学发展现状及对中国的启示［J］.农业展望，2023，19（4）：71-76.

［2］赵国屏.合成生物学：从“造物致用”到产业转化［J］.生物工程学报， 2022，38（11）：4001-4011.

［3］刘晓，曾艳，王力为，等.创新政策体系保障合成生物学科技与产业发展［J］.中国科学院院刊，2018，33（11）：1260-1268.

［4］崔兴毅，蔡雨琪.合成生物学：属于未来的“天工开物”［N］.光明日报，2023-05-25（016）.

［5］朱瑞博，刘芸.构建新型举国体制推动产业高质量发展［J］.上海经济研究，2022（3）：11-19.