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合成生物学的投资人,也去县城挖项目?

王世薇 2023-06-25 08:00

“最近投了几个县城里的合成生物学项目,”一位投资人告诉动脉网,“还在看,如果沿着这个思路继续深挖,应该还能看到更多潜力项目。”谈及县城里的合成生物学项目,这位投资人兴趣盎然。他关注合成生物学赛道的时间不短,做过很多行业,也看过很多项目,此番竟感觉发现了新大陆。

 

近年来,随着越来越多的合成生物学项目完成早期验证,极低的商业化成功率,几乎成为创始人和投资者的心病。究其原因,很少有合成生物学初创企业可以有效搞定两件事,即稳定的大规模生产工艺,和成熟的终端产品应用市场。但合成生物学创业项目,却终究不可能绕开商业化而只谈技术。

 

县城里的合成生物学项目,逻辑很简单。这类项目的内核,通常是一家传统工业原料生产商,在产生升级之际,选择引入合成生物学技术来降本增效,被动地完成了合成生物学技术从基因编辑到应用开发的完整链条,意外地交出一份合成生物学商业化的高分答卷。

 

当然,县城也并非合成生物学投资的世外桃源。“项目不好找,钱也不容易投出去。”前述投资人表示,尽管项目本身颇具潜力,但在关乎选品,关乎扩容的未来战略层面,县城里的创始团队与外部投资人,还比较难达成一致意见。


合成生物学走过技术荒漠


在许多关键环节中,合成生物学与生物发酵过程有着惊人相似。本质上,两者都是利用微生物的代谢功能,将糖、淀粉、纤维素、二氧化碳等原料,转化为目的产品。区别在于,不同于生物发酵只能通过试错来构建和完善工艺流程,合成生物学可以实现对产物的定量可控。

 

而这背后,底层逻辑在于合成生物学强调运用基因工程手段,对菌种的改造工艺、合成途径进行精确调控。在这个过程中,DNA测序、基因编辑、DNA合成等前沿的生物技术,为合成生物学提供了精准调控的关键工具。

 

经过近半个世纪的发展和积累,人们已经具备了在分子级别认知,甚至调控物质世界的相当实力。

 

首先是DNA测序技术历经三轮迭代,进入稳定的应用周期。DNA测序是合成生物学的基础,更是质控的关键环节。大规模基因组测序工作,可以提供自然界生物分子层面的信息,基于这些数据,研究人员得以构建生物元件和装置。此外,通过DNA测序,研究人员可以验证所制造出来的系统是否符合预期。

 

自最初的Sanger测序技术问世以来,DNA测序得到了快速发展,已经形成了由一代Sanger测序、二代边合成边测序、三代荧光单分子测序和四代纳米孔测序构成了测序技术体系,能够满足不同应用场景下,对测序读长、通量、速度、准确率的差异化需求。同时,DNA测序成本更大幅下降。数据显示,自2001年以来,DNA测序成本已经从近1亿美元/基因组下降到0.006美元/基因组。

 

然后是高效基因编辑出现,并持续优化。基因编辑是将特定功能的基因元件,整合到用于表达最终产品的微环境中的关键环节。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶,也称“分子剪刀”,在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂(DSB),诱导生物体通过非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)来修复DSB,人工主导或干扰这个修复过程,就可以把特定DNA序列进行删除或者插入外源基因。

过去近30年间,基因编辑技术持续迭代。1996年,第一代代基因编辑技术被设计出来,即经基因工程改造的锌指核酸酶(ZFNs),开启人工改造生命体的旅程。2009年,第二代基因编辑技术,即类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)诞生。但这两代技术构建周期长,步骤繁琐,难以进行高通量基因编辑,极大限制了其推广应用。到2012年,CRISPR/Cas9基因编辑技术出现。与ZFNs和TALENs技术相比,CRISPR/Cas9的设计要简单得多,适用于任何分子生物实验室,并且成本更低。此外,对于相同的靶点,CRISPR/Cas9有相当甚至更好的靶向效率。

 

最后是DNA合成的大幅度提质增效。目前,工业化DNA合成工艺,通常从化学合成寡核苷酸开始,更长的DNA分子则是以寡核苷酸为原料,通过酶促反应逐步拼接和组装得到。20世纪80年代,基于亚磷酰胺的DNA合成法被开发出来。寡核苷酸单步合成效率虽然已高达99.5%,但合成长度达到200bp时,产率即降至约35%,难以纯化得到目的片段,无法合成kb级长度的寡核苷酸。

 

随着微阵列式DNA合成技术的出现,合成所需的反应浓度更低,同时保证了成本和合成的准确度。2021年,每Mb碱基合成的平均费用已由20年前的超过5000美元,下降至0.006美元。未来,随着第四代酶促合成技术的发展和成熟,DNA合成有望进一步降低成本,实现更大规模化生产。

 

现阶段,国内外已经有多家合成生物学企业基于前述底层技术,构建起强大的菌株定向改造能力,实现了实验室层面的合成生物“造物”。比如,Ginkgo Bioworks基于合成生物学技术为Moderna公司生产新冠mRNA疫苗所需原材料酶、Genomatica的生物基BDO、1,3-丁二醇、尼龙已成功商业化、Demetrix致力于使用发酵技术生产大麻素,而Amyris则构建了全球最大规模的自动化菌株改造平台。

 

从某种意义上讲,基因工程相关技术的成熟,已经推动合成生物学技术的全球应用跑步进入第二阶段。


产业化更难?


在新的阶段,实现产业化生产成为合成生物学的核心任务。其中,生产规模扩大最为关键的环节,难度极大。而克服产业化阶段的技术难题,却并非主流合成生物学创业团队所长。

 

如前文所述,合成生物学产品的生产规模放大过程,本质与生物发酵的放大过程一般无二,集中由发酵罐来完成。不过,生产规模扩大,并不是简单地将发酵罐规格不断放大。因为随着规模扩大,发酵水平往往会下降。对于合成生物学而言,实现规模化生产工艺,核心在于突破菌种改造效率,及工艺放大效果两个大技术瓶颈。如果由具备稳定产能的化工企业来接棒产业化环节,或将为合成生物学的商业化难题提供新思路。

 

一方面,菌种改造的结果,在一定程度上决定了产品的转化率、生产速率及产量。合成生物制造的第一步,需要根据目标产品的特性,选择一个性状优良的菌种,即底盘细胞,作为产品生产的宿主。对于早期的合成生物学企业而言,发现并认知合适的底盘细胞,已然费时费力。在此基础上,才能对生物体基因组特定目标基因进行改造和修饰,以达到改造微生物代谢途径的目的。这两个步骤,考验着合成生物学企业生物学、基因工程学等多维度的复合能力。

 

进一步,生产速率的提升,依赖于合成途径中酶催化的反应效率,这便是生产实践中的另一个难点。化学品的生物合成途径,通常由一系列酶催化反应构成。在自然状态下,各个酶的催化效率难以达到协调的状态。但在合成生物学的流程中,酶与酶之间的作用达到平衡、协调的状态,却很难,通常需要协同多基因调控技术、基因动态调控技术、蛋白骨架技术等多种手段,才能有效优化合成途径。

 

另一方面,高效、低成本的分离纯化工艺,对产品效果起重要作用,而这也是大多数早起的合成生物学企业的能力短板。

 

研究开发高效低成本的分离纯化技术,是实现产品产业化的重要环节。合成生物制造的分离纯化,即从复杂的生物发酵体系中,得到高质量产品,也是决定生物制造大规模产业化实践的关键性步骤和重要技术瓶颈。不同于传统化学分离,生物产品分离过程需要保证产品的生物活性,常需要低温、合适的pH 和一定的耐受压力,因此对分离纯化技术存在较高的要求。此外,数据显示,后端的产品分离、提纯工艺成本高昂,在总成本中占比超6成。对于一些高附加值产品,这个环节的成本甚至达到9成。

 

现阶段,尽管从全球投融资数据看,一级市场上的早期资金更倾向于流向具备聚焦特定产品开发的合成生物学企业,真正具备完善产业化能力的合成生物学创新企业却非常少。

 

从某种意义上讲,在从菌株构建到规模化生产的漫长、复杂研发周期中,如果前半程的初始化考验借助技术创新来突破未知,后半程的商业化则需要产品能力的长期积累。这便让那些具备强大的产品和渠道能力的传统化工企业,登上了合成生物学的历史舞台。


传统产业的升级需求


现阶段,在成本、产能、环保等多重压力之下,越来越多的传统产业主动拥抱合成生物学。研究表明,合成生物学已经在化工、医药、食品、农业等领域中广泛应用。其中,合成生物学在化工领域的应用最为成熟。

 

根据麦肯锡预测,未来10-20年,合成生物学预计将每年对化学品、能源等领域的1600- 2700亿美元市场产生直接经济影响。在国内,合成生物学的影响力则可能更甚。传统产业方面,我国作为发酵大国,发酵规模已占全球发酵规模的60-70%,在相关的人才、技术、基础设施等方面积累了丰富的资源,也对合成生物学这类更前沿的生产方式提出了更大需求。

 

在传统产业中,天然产物结构复杂,如果仅利用化学方法来合成,途径繁琐、得率低、能耗高、污染重。借助合成生物学,构建合理的合成途径及菌种,无疑提供了实现环境友好的规模化生产新思路。具体而言,引入合成生物学,能够极大降低产品生产的能耗,提高产品品质,并为多元的产品开发提供更灵活的技术平台。

 

首先,利用合成生物学来优化制造路线,将比传统石化路线的反应过程更温和、更节能低碳。与化学合成方法不同,这种方式利用天然原材料,在以细菌为主的微生物体内完成物质转化,过程条件相对温和。数据显示,与传统合成路线相比,合成生物学制造产品,平均节能减排 30%~50%,未来潜力有望达到 50%~70%,同时减少环境影响20%~60%。如此高效的节能表现,无疑将极大推动工业基础原材料的化石原料路线替代、高能耗高物耗高排放工艺路线替代以及传统产业升级。这也将推动合成生物学技术在更多元的产品场景下落地。

 

此外,部分基于合成生物学制造的产品具备显著的成本优势。比如,1,3-丙二醇的合成生物制造与石油路线相比,原料成本下降37%;巴斯夫公司开发的维生素B2,生物转化过程比化学过程成本降低50%;丁二酸的生物法制备路线生产成本比传统石化路线降低 20%。此外,华恒生物公司的厌氧发酵法生产L-丙氨酸工艺,其产品生产成本和酶法相比可以大幅降低 50%。

 

其次,一些合成生物学制造具备技术的先进性,在产品品质方面更具优势。实践表明,饲料、食品添加剂等领域需求旺盛的烟酰胺,采用化学-酶法新工艺后,可实现100%的原子经济性,克服了化学催化路线中,烟酸到烟酰胺的胺化反应有4%烟酸残留而需要重结晶分离的问题,技术优势显著。此外,西格列汀采用生物合成方法实现的产品总得率和生产效率均显著高于化学合成方法。

 

第三,合成生物学制造所具备的平台效应,可以实现一个菌种生产多项产品。此前,利用合成生物学手段改造大肠杆菌,可以由葡萄糖合成正缬氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸等多种氨基酸。同时,在氨基酸的合成路径中,通过酮酸脱羧酶和醇脱氢酶又可以合成一系列高级醇,包括异丁醇、1-丁醇、2-甲基-1-丁醇, 3-甲基-1-丁醇以及苯乙醇等。

 

由此可见,合成生物学与传统化工业的融合发展,即前者助力后者转型升级,而后者帮助前者补齐商业化的关键环节,正在成为新的趋势。在成熟技术体系的支撑,和巨大未满足需求的拉动之下,合成生物学或将催生更多的县城明星项目。

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文章标签 生物技术
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