合成生物学产业核心技术简介
思瀚产业研究院 东莞证券    2024-07-30

合成生物学产业核心技术包括底盘细胞的构建和生产规模放大。合成生物学从最初的产品选择到最终的产品规模化生产，整体核心环节包括底盘细胞的构建和生产规模放大两个阶段。底盘细胞构建以“设计‐构建‐检验‐学习”循环为核心；生产规模放大的过程和传统发酵工程放大的过程类似，生产规模扩大的步骤是合成生物学产品是否能够实现工业化生产的关键环节。

底盘细胞构建以“设计‐构建‐检验‐学习”循环为核心。底盘细胞是代谢反应发生的宿主细胞，是将合成的功能化元件、线路和途径等系统置入其中达到理想设计目的的重要合成生物学反应平台。由于细胞的复杂性高，人工置入的生物元件、线路或系统会受到细胞内原有代谢与调控途径的影响。

因此，对细胞工厂基本成分的挖掘与鉴定，对生物元件和线路与底盘细胞在能量与物质代谢层面的适配与通用规律的理解，对相关生物元件设计理论与工具的开发，以及对高通量自动组装与测试方法的完善等影响底盘细胞设 计 与构 建 的 各 方面 研 究 工 作都 需 持 续 投入 、 通 过“设计-构建-测试-学习（Design-Build-Test-Learn，DBTL)”的策略不断完善，才能实现合成生物学“建物致知”的目标。

其中，设计是合成生物学 DBTL 策略的基础，即在前期已有知识的基础上遵循一定的规则，利用现有的标准化生物元件对基因、代谢通路或基因组进行理性设计。其中标准化的生物元件，尤其是 DNA 水平描述的生物元件，在设计的过程中尤为重要；

构建过程包括 DNA 合成、大片段组装以及基因编辑。DNA 合成技术在合成生物学的发展过程中起着十分重要的支撑作用，其不同于体内扩增，不需要使用模板，可直接根据DNA序列进行化学合成，目前的主流技术为固相亚磷酰胺化学合成法；

无论是酶、报告基因或启动子、RBS 等单个生物元件，还是逻辑线路及模块化的代谢途径，在通过理性或非理性设计后，都会存在大量的突变体或候选目标，因此高效、准确和经济的检测方法对最佳生物元件及组合的选择至关重要，如对酶元件的表达、纯化与酶活测试，转录或翻译元件以及非天然途径的体外或体内测试，细胞工厂改造后的时空调控及对生长和代谢的影响等。

传统的检测方法无法满足合成生物学对大量定量化生物元件、逻辑线路及代谢与调控途径组合的需求，目前已经尝试开发利用多种高通量或自动化的筛选与检测技术来提高测试的效率；

学习过程作为合成生物学 DBTL 中的重要一环，为下一个循环改进设计提供指导，如基于系统生物学方法的组学技术进行“基因-RNA-蛋白-代谢－表型”不同层面的分析，构建基因型－表型和代谢调控网络的知识图谱等。学习这一过程涉及数据收集整合、数据分析、结果可视化和建模分析等。

生产规模放大的过程和传统发酵工程放大的过程类似。生产规模扩大的步骤是合成生物学产品是否能够实现工业化生产的关键环节，生产规模放大的过程和传统发酵工程放大的过程类似。20 世纪 80 年代后，基因工程技术的出现推进了其他学科的迅速发展，国际和国内发酵工程进入到现代发酵工程阶段。

发酵工程根据生产流程，被划分为上游、中游和下游工程 3 部分。上游工程主要为菌种的选育和改造，以期获得生产性能良好的菌株。中游工程主要为发酵过程控制，通过对发酵过程中各种参数的采集、分析和反馈，获得产品积累的最佳发酵条件。

下游工程主要是对产品的分离和纯化，采用多种技术将发酵产品从发酵液或者细胞中分离、纯化出来，达到指标后制成产品。发酵反应的重要场所是发酵罐，发酵过程控制主要基于发酵罐进行。

发酵罐一般具有管路系统（空气、物料输入输出、温控管路等）、搅拌系统（搅拌桨、搅拌轴和电机等）、检测系统（温度、pH、溶解氧、甲醇体积分数等）、数据分析系统和反馈系统（蠕动泵，加热模块、电机等）等。

更多行业研究分析请参考思瀚产业研究院官网，同时思瀚产业研究院亦提供行研报告、可研报告、产业规划、园区规划、商业计划书、专项调研、建筑设计、境外投资报告等相关咨询服务方案。