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合成生物學是一門基于工程化的設計理念，結(jié)合生物學、化學、醫(yī)學、農(nóng)學、工程學、計算機與數(shù)據(jù)科學等交叉學科技術，旨在改造或創(chuàng)造人造生命體系的新興學科，在科技和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新兩個層面均具備全面顛覆現(xiàn)有格局的潛力。
狹義的合成生物學包括兩大方向：“自上而下”地“改造生命”（將全新功能引入活細胞等生命體或生物—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)）。廣義的合成生物學還包括任何對生命有機體關鍵要素的創(chuàng)新應用，如酶催化合成（催化單元）、無細胞合成（轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)）、DNA存儲（遺傳密碼）等。合成生物學的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段：
? 創(chuàng)建時期（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用。2000年是行業(yè)公認的合成生物學元年，兩篇Nature文章分別設計全球首個基因波動開關和生物振蕩器；2003年，“合成生物學教父”湯姆·奈特（Tom Knight）教授開發(fā)BioBricks，使生物組件的標準化裝配成為可能。應用開發(fā)上，2002年誕生首例人工合成病毒，且具備侵染能力；2003年，實現(xiàn)人工合成噬菌體基因組；同年，首次通過引入人工基因改造E.coli代謝途徑，實現(xiàn)青蒿素前體生產(chǎn)，開啟人造細胞工廠生產(chǎn)天然產(chǎn)物的新時代。
? 擴張和發(fā)展期（2004年–2007年）：2004年舉辦“合成生物學1.0”大會，這是本領域第一個國際性會議；同年，麻省理工學院（MIT）舉辦首屆iGEM競賽，成為迅速推廣合成生物學概念和促進生物學、工程學等跨學科協(xié)作的強力催化劑。技術突破上，實現(xiàn)了RNA調(diào)控裝置的開發(fā)，整個領域的設計范圍開始從以轉(zhuǎn)錄調(diào)控為主，擴大到轉(zhuǎn)錄后和翻譯調(diào)控；應用開發(fā)上，2006年首次實現(xiàn)利用工程化改造的E.coli侵入癌細胞，成為工程化活體療法的先驅(qū)。
? 創(chuàng)新和應用轉(zhuǎn)化期（2008年–2013年）：這一階段涌現(xiàn)出大量新技術和工程手段，使合成生物學研究與應用領域大為拓展。例如，技術上，2009年、2011和2012年分別開發(fā)MAGE、TALEN、CRISPR/Cas技術用于基因/基因組編輯，開啟基因改造新紀元；細胞工廠開發(fā)上，在E.coli中先后實現(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；合成生命領域，2008年實現(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“人造細胞”（人造支原體Synthia），2011年美國、中國、英國、新加坡、澳大利亞等國啟動“人工合成酵母基因組計劃”（Sc2.0 Project），旨在重新設計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）：工程化平臺的建設和生物大數(shù)據(jù)的開源應用相結(jié)合，全面推動合成生物學技術創(chuàng)新以及相關應用的開發(fā)和商業(yè)化。部分代表性技術或應用里程碑包括人工密碼子及非天然氨基酸系統(tǒng)的開發(fā)、計算/AI蛋白結(jié)構(gòu)設計及預測、DNA存儲、以二氧化碳為原料人工合成淀粉等。合成生命領域，提出最小基因組（“最簡生命”）概念并在支原體、E.coli、酵母等不同人造生命體系上陸續(xù)實踐，開發(fā)人造核糖體、線粒體、葉綠體等合成細胞器、開發(fā)人造胰島β 細胞等，以及作為Sc2.0Project 的延續(xù)，對基因組和染色體的重構(gòu)開始從僅序列層面向空間三維結(jié)構(gòu)拓展。合成生物學具備三大至關重要的戰(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，實現(xiàn)節(jié)能減排、滿足環(huán)保要求；第二，以屬地常見生物質(zhì)廢料甚至二氧化碳為碳源開發(fā)全新合成路線，打破原料及產(chǎn)品的進口依賴，保障供應鏈安全；
第三，通過開發(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，實現(xiàn)商業(yè)獲利。近年來，合成生物學陸續(xù)被美國、英國、中國等多國納入國家戰(zhàn)略，各國紛紛加大在合成生物學領域的研發(fā)和投資。
合成生物學產(chǎn)業(yè)鏈可分為上、中、下游三個環(huán)節(jié)（參閱圖3）。上游聚焦使能技術的開發(fā)，包括讀—寫—編—學、自動化/高通量化和生物制造等，關注底層技術顛覆及提效降本。中游是對生物系統(tǒng)及生物體進行設計、改造的技術平臺，核心技術為路徑開發(fā)，注重合成路線的選擇以及技術上跑通（如底盤細胞選擇及改造、培養(yǎng)條件優(yōu)化、純化方法開發(fā)等），與下游企業(yè)相比，更強調(diào)技術平臺的通用性，潛在具備CRO屬性。下游則涉及人類衣食住行方方面面的應用開發(fā)和產(chǎn)品落地，核心技術在于大規(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，更強調(diào)應用領域的聚焦、產(chǎn)品的精細打磨及商業(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，不少生物技術公司實質(zhì)上為中下游一體化布局。
根據(jù)價值鏈所處位置來看（參閱圖4），上游使能技術繁多，各企業(yè)通常聚焦某一技術領域如二代合成、三代測序、新一代基因編輯工具、仿真測試、自動化/高通量設備等。中下游企業(yè)又可分為平臺型和產(chǎn)品型兩類。平臺型公司中，領先企業(yè)已開始以CRDMO模式提供全鏈條的工程化開發(fā)及轉(zhuǎn)化服務，且可按技術路線分為體內(nèi)平臺和體外平臺（如酶工程平臺）。產(chǎn)品型公司又可按照下游應用（參閱圖5）、使用技術（參閱圖6）、產(chǎn)品屬性（參閱圖7）等不同維度進行歸類。
從技術視角，根據(jù)企業(yè)當前所使用的起始原料及生產(chǎn)技術路線，可一定程度提示其未來技術升級方向（參閱圖6）。起始原料可分為化石原料和生物原料，技術路線可分為全化學路線、化學和生物結(jié)合路線（非一步反應）、生物催化/酶法合成以及生物發(fā)酵/細胞工廠四類。在實現(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）同時摒棄化學路線（生產(chǎn)過程綠色環(huán)保）的合成生物學生產(chǎn)模式是未來將迎來高速發(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值將其劃分為三類（參閱圖7），提示相應子行業(yè)長期發(fā)展以及賽道企業(yè)成功的關鍵要素。
第一類為市場需求量少、單位價值高的產(chǎn)品，主要下游應用為生物創(chuàng)新藥開發(fā)。這類產(chǎn)品往往面對著生物醫(yī)藥行業(yè)的通用挑戰(zhàn)——需具備差異化優(yōu)勢、需通過臨床檢驗（開發(fā)周期長、風險大且成本高）、需滿足GMP生產(chǎn)要求等。
第二類為市場需求量中、單位價值中的產(chǎn)品，主要包括農(nóng)業(yè)和精細化學品，下游應用為高性能材料、消費品、原料藥/中間體等領域。這類產(chǎn)品市場高度分散、可開發(fā)產(chǎn)品多，需識別高潛力、高可行的機會。但開發(fā)新分子、開辟新市場在高收益的同時也面臨高風險，如研發(fā)上缺乏對目標分子設計的明確理論指導，商業(yè)上對營銷能力的要求也較高，相關法規(guī)監(jiān)管也需逐一突破。
第三類為市場需求量大、單位價值低的產(chǎn)品，主要為大宗化學品（包括基礎化學品和普通材料）、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判（生物合成能否成本占優(yōu)），以及“超級工廠”級別的超大規(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、純化能力等）。從終端產(chǎn)品角度看，小分子的開發(fā)難度相對高于以蛋白質(zhì)為代表的大分子以及活細胞的工程化改造，其挑戰(zhàn)主要來自基于細胞系統(tǒng)的合成生物學技術存在眾多限制，如起點及路徑選擇缺乏理論指導、細胞構(gòu)建及篩選仍為“體力活”等。展望未來，除了更多數(shù)據(jù)積累允許AI指導路線選擇及模擬測試外，無細胞合成體系作為一種基于細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、代謝負擔等細胞系統(tǒng)技術難題，有望成為破除小分子合成難題的關鍵點（參閱圖8）。