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图表 1 细胞工厂示意图

图片2 合成生物学示意图

图表 3 合成生物学的知识图谱

合成生物学与计算机科学相似度很高。合成生物学的目标是扩展或改变生物的行为，并对其进行改造服务产品生产。合成生物学过程的目标和方法可以用计算机的层次结构类比。在层次结构中，每个组成部分都包含在更复杂的系统中。在设计新行为时会先考虑到层次结构的顶部，但是实现的过程是自下而上的。层次结构的底部是 DNA，RNA，蛋白质和代谢产物（包括脂质和碳水化合物，氨基酸和核苷酸），类似于计算机中的晶体管、电容器和电阻器等。上一层是设备层，包括生化反应，该反应调节信息流并操纵物理过程，类似于在计算机中执行计算的逻辑门。在模块层，利用各种各样的生物设备库来组装起类似于集成电路一样功能的复杂路径。这些模块彼此之间的连接以及它们在宿主细胞中的整合，使合成生物学家能够以编程方式扩展或修改细胞的行为。

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图表 5 合成生物学与计算机科学有相似之处

很多人关心合成生物学和发酵工程有什么区别，我们理解本质是对细胞干预的定向性。与传统的微生物发酵相比，运用合成生物学可以使过程优化从反向工程到正向工程，提高生产效率，拓宽产品类型。在传统的发酵过程中，对细胞的认识比较有限，是通过细胞功能确定生产产品。传统发酵的产品优化主要来源于对菌种进行改造或大量筛选，研究 DNA、蛋白和代谢物对提升产品性能的影响。合成生物学出现后，为传统发酵提供了工程化、模块化、标准化的工具，对生物元件进行定性和定量。以此为基础，重新组装这些元件，创造一些新的功能。合成生物学的引入，大大提高了传统发酵的能力圈，不仅可以利用相对简单的方法提高了产品的质量和生产效率，还能生产原本不能生产或原本效率低下的产品。

图表 6 合成生物学对传统发酵的影响

资料来源：深圳先进技术研究院，华安证券研究所

合成生物学更擅长生产底盘细胞生命周期涉及的物质。以二元胺为例，葡萄糖进入细胞后，经过一系列复杂的生化反应得丙二胺、丁二胺以及戊二胺。之所以可以通过微生物生产二元胺，主要是因为在生物体内，C3～C5 脂肪族二元胺的合成均衍生于碱性氨基酸（赖氨酸、鸟氨酸或精氨酸）的代谢途径。大肠杆菌存在天然的戊二胺和丁二胺代谢途径，通过对代谢途径中关键功能元件的表达调控以及旁支代谢途径的敲除，就可以实现了大肠杆菌对戊二胺和丁二胺的发酵生产。

图表 7 二元胺在细胞体内的代谢路径

注：实线表示单一酶催化过程，虚线表示多种酶催化过程。

资料来源：《合成生物学》，华安证券研究所

图表 8 生物化工全产业链图

人造物质量已超自然物质，合成生物学是人类实现可持续发展必备工具之一。据《Nature》文章，2020 年全球人造物质量次超过自然生物质量，其中人造物质中塑料质量达 80 亿吨，基建和基础设施质量达 11000 亿吨，而自然物质中动物质量 40 亿吨，植物质量 9000 亿吨。如果按照目前的发展趋势继续下去，到 2040 年人造物质质量将超过 30000 亿吨，约为自然物质的 3 倍。相比自然物质，许多人造物质难以进入生物循环，并不断堆积。人类不断将近地表地质沉积物转化为对社会有用的产品，这对自然栖息地，生物多样性以及气候和地球循环产生影响。以合成生物学为工具，用生物的方法发展工业合成生物学是可持续发展必经之路。

图表 9 人造物质已超过天然物质总量