合成生物农业食品应用产业图谱，一文看懂合成生物8大应用场景
编者按：“合成生物学”被称为继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划”之后的第三次生物技术革命。以“合成生物学”为代表的新兴技术成为了全球科技竞争的新焦点，已广泛应用于医疗健康、化工、农业、食品、能源等多个领域，自2020年下半年开始，合成生物已经成为资本追逐的热门领域。近期，35斗撰写了合成生物学技术在农业食品领域应用情况的研究报告，详细分析了相关技术在具体细分领域、场景的应用情况，并结合对企业家、投资人的一手采访信息，厘清产业图谱并展望行业趋势。
一、合成生物农业食品产业应用图谱
按产业链上中下游关系，国内的合成生物学公司大致可以划分为：工具层、平台层和产品层。上游工具层，主要跟DNA相关，包括测序、合成、储存和基因编辑等等。中游是平台层，侧重细胞工厂的构建，通过大量的实验形成数据积累，进而打造一个高通量、自动化的技术平台。下游产品层，就是把产品成功推广到可以商业化应用的过程。
工具层和平台层属于合成生物学技术的底座，服务于产品层的发展，在各应用领域中属于融合状态，本报告将以农业食品领域应用为重点，围绕农业食品产业链，详细梳理合成生物学在农业食品领域的具体应用，因此，本报告此章节将不过多涉及工具层和平台层的相关介绍。
合成生物学可以应用到农业食品的多个细分领域，据Plug and Play预测，2024年合成生物学在农业和食品领域的市场规模分别为22.33亿美元和25.75亿美元。基于“粮食安全”“大食物观”“双碳”等战略，以帮助和保护农作物及畜牧生产，在提高农业生产力、改良农作物及畜禽品质、降低生产成本、减少化肥农药施用以及实现可持续发展等方面的潜力日益凸显。围绕农业碳中和，从广义合成生物学出发，我们把合成生物学在农业食品的应用场景分为动植物育种、创新食品及添加剂、新型材料、动植物营养、动植物健康、食品安全及绿色保鲜、农业废弃物资源化、农业环境修复等八大细分领域。
图1 农业食品合成生物产业图谱
应用细分领域及相关阐述如下：
| 应用细分领域 | 技术手段及应用场景 |
| 动植物育种 | 通过高精度的基因编辑技术，在不引入外源基因的前提下诱发可遗传的变异，进行分子精准设计育种。 · 植物育种：使作物具有抗虫、抗倒伏、抗除草剂等优良性状，同时赋予农作物以功能性，如低脂、宜糖、高营养等，从而拓宽了植物育种范畴。 · 动物育种：在提高饲料转化率、瘦肉率，以及抗病抗疫等方面效果显著。 |
| 动植物营养 | 目前主要利用植物细胞或微生物细胞，通过高密度发酵生产新型饲料（含饲料添加剂）和新型肥料。其中微生物细胞应用最广，主要有肥料/饲料原料和添加剂，而添加剂又分为酶制剂和菌制剂。当然随着技术的不断发展以微藻为代表的微生物细胞的开发也逐渐应用到动植物营养领域。 · 植物营养：新型饲料蛋白（如单细胞蛋白）、饲料添加剂等。 · 动物营养：功能性肥料、纳米肥料、固氮微生物肥料等。 |
| 动植物健康 | 与动植物营养的途径较为相似，但是在动植物健康领域利用动物细胞生产替抗产品或者疫苗有效组分已成为趋势，同时除利用微生物发酵生产原药外，利用植物细胞，如生菜、水稻等，生产兽药或者疫苗的应用也逐渐在国内兴起。 · 植物健康：RNA农药、微生物农药、酶制剂农药等。 · 动物健康：RNA疫苗、重组蛋白疫苗、新型兽药等。 |
| 创新食品及添加剂 | 通过细胞培养和精密发酵等技术，利用动植物、微生物细胞，生产新蛋白、代糖、功能性食品原料、食品添加剂等是合成生物学较大的应用市场，也是多数初创企业布局的领域。但目前国内专注于精密发酵的企业还较少，未来具有较大潜力。 · 创新食品：创新蛋白（如细胞培养肉、微生物发酵蛋白等）、代脂（如代可可、藻油DHA）、代糖（如阿洛酮糖、赤藓糖醇、甜菊糖苷等）、新型碳源（如人工合成淀粉）、功能食品原料等。 · 食品添加剂：氧化剂、着色剂（如β-胡萝卜素、花青素、藻蓝蛋白等）、香精香料（如香兰素、γ-癸内酯等）、维生素等。 |
| 食品安全检测及绿色保鲜 | 通过细胞传感技术这一新兴食品安全快速检测技术，以活细胞为感应元件，制作多功能细胞传感器，实现食品安全快速检测的应用场景； 与食品安全息息相关的保鲜技术，也在通过合成生物学向绿色发展，通过微生物发酵、动植物提取物等方式生产生物保鲜剂，此外在新型材料的利用中，新型保鲜材料也被纳入绿色保鲜行列。 · 食品安全检测：微生物细胞传感器（如粮食霉菌检测、农残检测、重金属检测等）。 · 绿色保鲜：生物保鲜剂（如生物保鲜膜制剂、生物制剂乳酸链球菌素等）、创新膜材料等。 |
| 新型材料 | 利用微生物细胞生产生物基可降解塑料是新的发展方向，目前比较有前景的可降解材料有PLA、PBS、PHA，在农业食品领域主要用于食品包装、农用地膜、农业投入品包装等； 此外，合成生物学与纳米生物学的交叉推动产生了一个全新的研究领域——合成纳米生物学，纳米材料尤其是纳米载体材料可以作为农药和化肥控失剂以及重金属修复剂，有效提高农药和化肥的利用效率，减少环境污染。 · 可降解材料：PHA、PLA、PBS等，用于食品包装、农用地膜等。 · 纳米材料：纳米载体材料（载农药、肥料等）、生物纳米复合材料（如食品包装）。 |
| 农业废弃物资源化 | 利用微生物发酵、酶工程、基因工程等技术将秸秆、厨余垃圾、畜禽粪便等废弃物转化为有机碳源、有机氮源、生物能源等，直接或间接利用到合成生物学下游发酵或者产品。 · 有机碳源：人造淀粉、秸秆糖等。 · 有机氮源：功能性肥料、功能性饲料及其他高附加值产物。 |
| 农业环境修复 | 在合成生物学技术加持下，利用微生物分解、吸附以及多种细胞生产新产品、新材料等不同途径。在前面的细分领域中也多次提到相关应用，主要通过降低危害物使用、增加绿色生物产品使用、提高利用率等，以解决塑料降解、农业面源污染、畜牧养殖废水污染、水产养殖水体污染等，如可降解材料、纳米材料、生物肥药等等，在此不过多赘述。 |
此外，我们在报告中，从市场规模、细分赛道所面临问题等方面，详细分析了基于合成生物学未来农业食品领域的创新机遇。详细可参考报告第八部分内容。
二、合成生物农业食品应用已打造出多个“双碳”新蓝海
合成生物在农业食品不同领域，在政策、技术和资本的推动下，逐渐涌现出了一批创新企业，并且取得了一系列的代表成就，在不同的细分赛道中呈现出了不同特色。受篇幅影响，本篇文章仅以动植物育种领域和创新食品领域为例在此分析，对于“动植物健康：利用细胞工厂生产生物原药逐渐兴起”“动植物营养：从微生物组切入聚焦降本增效”“新型材料：农膜成为最具潜力的应用场景”相关观点还请阅读报告。
1. 动植物育种：政策监管成为商业化最后一道门槛
结合我国的订单农业等新型运营模式，出现了自源头育种开始的定制化服务，这种从育种到加工全链条、多种服务模式相结合的方式，促使了更多新品种的开发及研究。期间我们调研了多家基因编辑作物育种企业了解到，目前，除了传统的抗病虫害、抗除草剂等方向的生物育种需求以外，像功能性水稻、功能性番茄、功能性燕麦以及专门做炸薯条的马铃薯等等特制品种需求变的越来越多，而基因编辑技术在这些农作物繁育和改良中起到了重要作用。
国内多家育种企业已经布局了基因编辑育种，多位企业家向35斗表示，相较于转基因技术，基因编辑技术的门槛不是太高，并且基因编辑技术的育种速度更快，投入成本更低，所以在效率上比转基因的还要高，这样一来就促使基因编辑技术在育种端可以做的产品就更多，像大北农、北大荒、先锋种业、隆平高科等大型企业都在布局，与此同时舜丰生物、齐禾生科、隆平生物等多家创新型企业也都在布局，并且取得了一定的成果。
根据EU-SAGE（European Sustainable Agriculture Through Genome Editing）统计，在农业基因编辑领域，我国相关研究论文、专利数量处于领先水平，截止到2023年1月，在统计的52个国家中有850项研究，其中中国370项，占比达43.5%，远高于排名第二的美国（148项）。
图2 各国农业基因编辑相关研究的数量
在全球范围内，基因编辑已经在水稻、玉米、大豆、小麦和番茄等农作物中广泛应用，糯玉米、高油酸大豆、抗褐变马铃薯、高GABA番茄、抗褐变蘑菇等基因编辑产品陆续在美国、日本、英国等国家上市推广。而我国虽然目前还没有正式放开，但2022年1月，我国发布了《农业用基因编辑植物安全评价指南(试行)》，对基因编辑植物的安全评价管理进行了规范，农业农村部密集就基因编辑技术征求意见，为下一步全面放开基因编辑市场打开通道奠定了政策基础。
对于未来的发展机遇，多家基因编辑育种企业向35斗表示，“目前在产业化阶段，国内在技术端已经处于领先水平，而最大的阻碍的就是政策的闸口，我国基因编辑育种企业已蓄势待发，在国内政策还未开放前已经开始进军国外市场，如巴西、东南亚等地，在国内也在筹备生物安全证书的申报，随时等待政策的放开。”
2. 创新食品：新型来源和功能性食品成为重中之重
合成生物学在食品产业中的落地成效最为突出，其中最受产业界关注的名词是“新型”和“功能”，其中“新型”本报告重点指“新型来源”，主要包括新型氮源、新型碳源以及新型脂质等。而“功能”一词包括的范围更广，蕴含了预防、保健的含义，按照功能性因子的种类分可分为多糖类、功能性甜味料类、功能性油脂、自由基清除剂类、维生素类、肽与蛋白质类、益生菌类、微量元素类等。
可以看到，新型来源食品和功能性食品受关注主要是由于两者涵盖范围广、种类多、市场大，加上国家政策和消费者需求的推动，促使合成生物学能够在新型食品市场中获益，一方面是由于微生物发酵的前期基础的铺垫；另一方面是食品领域大单品和小单品的下游客户端企业较多，应用场景广泛。
“新型来源”中比较典型的是新型氮源和新型碳源。其中，新型氮源有元育生物、德默特、小藻科技等一直关注的微藻蛋白，并完成数千吨微藻粉的量产；周子未来、极麋生物、Avant Meats等通过动物细胞培养的细胞培养肉，已进入百升级生物反应器试生产阶段，虽与国外千升级的生产还有一定差距，但随着国内企业不断加入，可以加速细胞培养肉的量产；昌进生物通过马克斯克鲁维酵母发酵的微生物发酵蛋白也已经完成了中试，在今年的不久就会达到规模量产；同时，更多的植物生产蛋白（基于植物叶片进行蛋白生产）也在被逐渐开发，今年2月成立的诺合新生物的中期将发力食品、保健品原料包括血清白蛋白、胶原蛋白、乳铁蛋白等赛道。此外，吉态来博（GTLB）利用固碳菌种和气体发酵技术，攻克了无机碳源（CO₂、CO）转化为有机产品的产业难题，开发了规模化生产优质酵母蛋白和油脂的气体发酵技术，成为中国完全自主知识产权的以CO₂和H₂为原料生产高性能蛋白和油脂等高价值产品的气体发酵企业，为新型蛋白开发提供了一条新思路。
依然是通过气体发酵技术，中科院天津工业生物所研究团队以高密度二氧化碳为原料，合成人工淀粉，打造出一条新型碳源合成途径。研究人员表示，在口感上，如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝，大概会像意大利面那样劲道，这也成为国际上颠覆性的突破。
同样是“绿色”“双碳”思路，将农业废弃物资源化也成为合成生物学重点发挥所长的领域。成立于2018年的聚维元创通过酶工程、发酵工程等，将秸秆转化为秸秆糖，再经合成生物学途径，合成更高价值的生物产品，对于常见的合成产品，如生物基材料、多肽蛋白、不饱和脂肪酸、胡萝卜素等都有较好的效果，合成效率普遍优于粮食碳源，目前年处理秸秆量已达万吨，为非粮生物质糖化提供了一个可行的解决方案。
另一个方向热点方向功能性食品，由于缺乏严格的标准也使很多企业进入并获利，尤其是在新冠疫情过去之后，消费者对于免疫力和肠道健康的功能性食品消费更为青睐。据相关报告统计，免疫类产品占据功能性食品类型的一半以上，达到53%，并且还有持续增长的趋势，这就预示着围绕增强免疫力的功能因子的市场更有竞争力，毕竟现在消费渗透率还不足20%，如植物免疫蛋白（螺旋藻蛋白、免疫球蛋白、活性肽等）、多维、微量元素（铁、锌、硒等）、植物提取物（人参皂苷、红景天苷、雪莲素等）、益生菌（工程益生菌）等，都成为目前追捧的热点产品。
重庆的安赛搏充分发挥植物细胞工厂作用，产品线以“人参““高山火绒草””天山雪莲“等高经济价值的植物细胞为主，为功能性食品注入了新的生产形式。
也可以看到，越来越多的企业选择通过创新食品领域，进入到合成生物学的大盘中，在这个过程中，传统生产方式的生产创新是进入该领域的一大方向，价格、品质、产量战依然是重重之重。
三、合成生物学赋予了多种生物体创造的可能
除去政策和法规在某些方面的鸿沟，越来越多的可能在合成生物领域逐渐被拓展，“AI+合成生物学+农业食品”成为一种趋势，为农业食品的创新发展提供了更多的思路，使提高生产力、提高品质、降低成本成为可能。通过AI+合成生物学的融合，可以将转录组学、蛋白质组学和代谢组学的分析效率提高数倍，同时，可以在规模化放大过程中实现智能化操控及数据记录存储，建立从元件设计到产品生产的全环节智能化模型，使合成生物学产业化效率提升数十倍，进而推动其在智能育种、微生物肥料、微生物发酵饲料、创新食品研发、食品保鲜等多个应用场景中发挥作用。
这也促使更多的多种生物体细胞工厂被更多可能的开发利用。在应用端出现了植物、动物、微生物不同底盘细胞的产。受多种因素影响，目前，较成熟、市场化率比较高的仍是微生物细胞工厂，具有生产产品种类多、价格优势明显以及技术成熟度高等特点，也是比较早的细胞工厂的定义范畴，已广为熟知。
随着技术的不断进步，多种类型的细胞工厂被逐渐开发利用是合成生物学技术驱动的趋势一。近年来，动物细胞工厂和植物细胞工厂的产业化逐渐被重视，将出现三种细胞工厂三足鼎立的局面，越来越多的解决途径被挖掘。
以植物细胞为底盘细胞的合成生物学研究，围绕优质、降本，在开发精准修饰的基因编辑技术以及建立高效异源合成代谢途径等方面不断取得突破，有望为解决农业生产、食品创新、能源环境、生物制药等方面的困境与难题提供新策略。
如果能够合理利用植物光合自养低成本的优势，以现代生物技术打破资源的时空束缚，重构碳源/氮源时空组成，围绕资源替代的选品逻辑生产大宗商品将有利于实现可持续发展。
以动物细胞为底盘细胞的合成生物学研究，利用细胞本身复杂的生产系统，开发抗体、疫苗、原药等产品可以有效避免抗生素引发的抗药性、神经毒性等不良反应。与此同时，细胞培养肉市场化热度逐渐飙升，随着Upside Foods公司和Eat Just公司的细胞培养肉被FDA批准，使得资本和细胞培养肉企业更加坚信动物细胞培养肉的市场，也相信越来越多的细胞培养鸡肉、鱼肉、虾肉、猪肉、牛肉等食品将逐渐进入消费者菜单。
表1 我国细胞工厂企业画像
这也说明，市场是开放的，需要多元化的产品进入到消费者的日常生活中，过去是微生物细胞工厂的市场，现在正逐步多元，相信未来多种细胞工厂将平衡存在，共同创造属于各自不同特色的领域。
