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合成生物學(xué)是一門基于工程化的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)科學(xué)等交叉學(xué)科技術(shù)，旨在改造或創(chuàng)造人造生命體系的新興學(xué)科，在科技和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新兩個(gè)層面均具備全面顛覆現(xiàn)有格局的潛力。
狹義的合成生物學(xué)包括兩大方向：“自上而下”地“改造生命”（將全新功能引入活細(xì)胞等生命體或生物—非生物混合系統(tǒng)）；“自下而上”地“創(chuàng)造生命”（體外合成全新生命系統(tǒng)）。廣義的合成生物學(xué)還包括任何對(duì)生命有機(jī)體關(guān)鍵要素的創(chuàng)新應(yīng)用，如酶催化合成（催化單元）、無(wú)細(xì)胞合成（轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)）、DNA存儲(chǔ)（遺傳密碼）等。合成生物學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：
? 創(chuàng)建時(shí)期（2000年–2003年）：本階段產(chǎn)生了許多奠基性的研究手段和理論，特別是基因線路工程的建立及其在代謝工程中的成功運(yùn)用。2000年是行業(yè)公認(rèn)的合成生物學(xué)元年，兩篇Nature文章分別設(shè)計(jì)全球首個(gè)基因波動(dòng)開(kāi)關(guān)和生物振蕩器；2003年，“合成生物學(xué)教父”湯姆·奈特（Tom Knight）教授開(kāi)發(fā)BioBricks，使生物組件的標(biāo)準(zhǔn)化裝配成為可能。應(yīng)用開(kāi)發(fā)上，2002年誕生首例人工合成病毒，且具備侵染能力；2003年，實(shí)現(xiàn)人工合成噬菌體基因組；同年，首次通過(guò)引入人工基因改造E.coli代謝途徑，實(shí)現(xiàn)青蒿素前體生產(chǎn)，開(kāi)啟人造細(xì)胞工廠生產(chǎn)天然產(chǎn)物的新時(shí)代。
? 擴(kuò)張和發(fā)展期（2004年–2007年）：2004年舉辦“合成生物學(xué)1.0”大會(huì)，這是本領(lǐng)域第一個(gè)國(guó)際性會(huì)議；同年，麻省理工學(xué)院（MIT）舉辦首屆iGEM競(jìng)賽，成為迅速推廣合成生物學(xué)概念和促進(jìn)生物學(xué)、工程學(xué)等跨學(xué)科協(xié)作的強(qiáng)力催化劑。技術(shù)突破上，實(shí)現(xiàn)了RNA調(diào)控裝置的開(kāi)發(fā)，整個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)范圍開(kāi)始從以轉(zhuǎn)錄調(diào)控為主，擴(kuò)大到轉(zhuǎn)錄后和翻譯調(diào)控；應(yīng)用開(kāi)發(fā)上，2006年首次實(shí)現(xiàn)利用工程化改造的E.coli侵入癌細(xì)胞，成為工程化活體療法的先驅(qū)。
? 創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化期（2008年–2013年）：這一階段涌現(xiàn)出大量新技術(shù)和工程手段，使合成生物學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展。例如，技術(shù)上，2009年、2011和2012年分別開(kāi)發(fā)MAGE、TALEN、CRISPR/Cas技術(shù)用于基因/基因組編輯，開(kāi)啟基因改造新紀(jì)元；細(xì)胞工廠開(kāi)發(fā)上，在E.coli中先后實(shí)現(xiàn)支鏈醇、生物柴油、1,4-丁二醇和生物汽油等多種產(chǎn)品生產(chǎn)，2013年Amyris公司利用酵母菌株商業(yè)化生產(chǎn)青蒿素；合成生命領(lǐng)域，2008年實(shí)現(xiàn)生殖支原體全基因組合成，2010年制造出可自我繁殖的全球首例人造“人造細(xì)胞”（人造支原體Synthia），2011年美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、新加坡、澳大利亞等國(guó)啟動(dòng)“人工合成酵母基因組計(jì)劃”（Sc2.0 Project），旨在重新設(shè)計(jì)并合成釀酒酵母的全部16條染色體。
? 發(fā)展新階段（2014年以后）：工程化平臺(tái)的建設(shè)和生物大數(shù)據(jù)的開(kāi)源應(yīng)用相結(jié)合，全面推動(dòng)合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)新以及相關(guān)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化。部分代表性技術(shù)或應(yīng)用里程碑包括人工密碼子及非天然氨基酸系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、計(jì)算/AI蛋白結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)、DNA存儲(chǔ)、以二氧化碳為原料人工合成淀粉等。合成生命領(lǐng)域，提出最小基因組（“最簡(jiǎn)生命”）概念并在支原體、E.coli、酵母等不同人造生命體系上陸續(xù)實(shí)踐，開(kāi)發(fā)人造核糖體、線粒體、葉綠體等合成細(xì)胞器、開(kāi)發(fā)人造胰島β 細(xì)胞等，以及作為Sc2.0Project 的延續(xù)，對(duì)基因組和染色體的重構(gòu)開(kāi)始從僅序列層面向空間三維結(jié)構(gòu)拓展。合成生物學(xué)具備三大至關(guān)重要的戰(zhàn)略和商業(yè)意義（參閱圖2）：第一，替代傳統(tǒng)化石原料和高污染的化工生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、滿足環(huán)保要求；第二，以屬地常見(jiàn)生物質(zhì)廢料甚至二氧化碳為碳源開(kāi)發(fā)全新合成路線，打破原料及產(chǎn)品的進(jìn)口依賴，保障供應(yīng)鏈安全；
第三，通過(guò)開(kāi)發(fā)全新產(chǎn)品或成本更低的生產(chǎn)路線，快速、全面顛覆全球產(chǎn)品供給格局，實(shí)現(xiàn)商業(yè)獲利。近年來(lái)，合成生物學(xué)陸續(xù)被美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等多國(guó)納入國(guó)家戰(zhàn)略，各國(guó)紛紛加大在合成生物學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)和投資。
合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈可分為上、中、下游三個(gè)環(huán)節(jié)（參閱圖3）。上游聚焦使能技術(shù)的開(kāi)發(fā)，包括讀—寫—編—學(xué)、自動(dòng)化/高通量化和生物制造等，關(guān)注底層技術(shù)顛覆及提效降本。中游是對(duì)生物系統(tǒng)及生物體進(jìn)行設(shè)計(jì)、改造的技術(shù)平臺(tái)，核心技術(shù)為路徑開(kāi)發(fā)，注重合成路線的選擇以及技術(shù)上跑通（如底盤細(xì)胞選擇及改造、培養(yǎng)條件優(yōu)化、純化方法開(kāi)發(fā)等），與下游企業(yè)相比，更強(qiáng)調(diào)技術(shù)平臺(tái)的通用性，潛在具備CRO屬性。下游則涉及人類衣食住行方方面面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品落地，核心技術(shù)在于大規(guī)模生產(chǎn)的成本、批間差及良品率等的把控，與中游企業(yè)相比，更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域的聚焦、產(chǎn)品的精細(xì)打磨及商業(yè)化放量。其中在大規(guī)模生產(chǎn)上，潛在具備CDMO屬性。中下游企業(yè)之間并無(wú)明確界限，現(xiàn)階段行業(yè)整體尚處在產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，不少生物技術(shù)公司實(shí)質(zhì)上為中下游一體化布局。
根據(jù)價(jià)值鏈所處位置來(lái)看（參閱圖4），上游使能技術(shù)繁多，各企業(yè)通常聚焦某一技術(shù)領(lǐng)域如二代合成、三代測(cè)序、新一代基因編輯工具、仿真測(cè)試、自動(dòng)化/高通量設(shè)備等。中下游企業(yè)又可分為平臺(tái)型和產(chǎn)品型兩類。平臺(tái)型公司中，領(lǐng)先企業(yè)已開(kāi)始以CRDMO模式提供全鏈條的工程化開(kāi)發(fā)及轉(zhuǎn)化服務(wù)，且可按技術(shù)路線分為體內(nèi)平臺(tái)和體外平臺(tái)（如酶工程平臺(tái)）。產(chǎn)品型公司又可按照下游應(yīng)用（參閱圖5）、使用技術(shù)（參閱圖6）、產(chǎn)品屬性（參閱圖7）等不同維度進(jìn)行歸類。
從技術(shù)視角，根據(jù)企業(yè)當(dāng)前所使用的起始原料及生產(chǎn)技術(shù)路線，可一定程度提示其未來(lái)技術(shù)升級(jí)方向（參閱圖6）。起始原料可分為化石原料和生物原料，技術(shù)路線可分為全化學(xué)路線、化學(xué)和生物結(jié)合路線（非一步反應(yīng)）、生物催化/酶法合成以及生物發(fā)酵/細(xì)胞工廠四類。在實(shí)現(xiàn)最低生產(chǎn)成本的前提上，使用生物基原料（擺脫化石基原料依賴）同時(shí)摒棄化學(xué)路線（生產(chǎn)過(guò)程綠色環(huán)保）的合成生物學(xué)生產(chǎn)模式是未來(lái)將迎來(lái)高速發(fā)展的理想模式。從產(chǎn)品視角，可根據(jù)終產(chǎn)品的需求體量和單位價(jià)值將其劃分為三類（參閱圖7），提示相應(yīng)子行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展以及賽道企業(yè)成功的關(guān)鍵要素。
第一類為市場(chǎng)需求量少、單位價(jià)值高的產(chǎn)品，主要下游應(yīng)用為生物創(chuàng)新藥開(kāi)發(fā)。這類產(chǎn)品往往面對(duì)著生物醫(yī)藥行業(yè)的通用挑戰(zhàn)——需具備差異化優(yōu)勢(shì)、需通過(guò)臨床檢驗(yàn)（開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大且成本高）、需滿足GMP生產(chǎn)要求等。
第二類為市場(chǎng)需求量中、單位價(jià)值中的產(chǎn)品，主要包括農(nóng)業(yè)和精細(xì)化學(xué)品，下游應(yīng)用為高性能材料、消費(fèi)品、原料藥/中間體等領(lǐng)域。這類產(chǎn)品市場(chǎng)高度分散、可開(kāi)發(fā)產(chǎn)品多，需識(shí)別高潛力、高可行的機(jī)會(huì)。但開(kāi)發(fā)新分子、開(kāi)辟新市場(chǎng)在高收益的同時(shí)也面臨高風(fēng)險(xiǎn)，如研發(fā)上缺乏對(duì)目標(biāo)分子設(shè)計(jì)的明確理論指導(dǎo)，商業(yè)上對(duì)營(yíng)銷能力的要求也較高，相關(guān)法規(guī)監(jiān)管也需逐一突破。
第三類為市場(chǎng)需求量大、單位價(jià)值低的產(chǎn)品，主要為大宗化學(xué)品（包括基礎(chǔ)化學(xué)品和普通材料）、生物能源等。這類產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)主要是正確的可行性預(yù)判（生物合成能否成本占優(yōu)），以及“超級(jí)工廠”級(jí)別的超大規(guī)模生產(chǎn)挑戰(zhàn)（如原料供給是否充足并穩(wěn)定、生產(chǎn)產(chǎn)能建設(shè)、純化能力等）。從終端產(chǎn)品角度看，小分子的開(kāi)發(fā)難度相對(duì)高于以蛋白質(zhì)為代表的大分子以及活細(xì)胞的工程化改造，其挑戰(zhàn)主要來(lái)自基于細(xì)胞系統(tǒng)的合成生物學(xué)技術(shù)存在眾多限制，如起點(diǎn)及路徑選擇缺乏理論指導(dǎo)、細(xì)胞構(gòu)建及篩選仍為“體力活”等。展望未來(lái)，除了更多數(shù)據(jù)積累允許AI指導(dǎo)路線選擇及模擬測(cè)試外，無(wú)細(xì)胞合成體系作為一種基于細(xì)胞體外酶促體系的合成系統(tǒng)，可提升合成效率，并免除宿主逃逸、代謝負(fù)擔(dān)等細(xì)胞系統(tǒng)技術(shù)難題，有望成為破除小分子合成難題的關(guān)鍵點(diǎn)（參閱圖8）。