合成生物學(xué)是一門通過設(shè)計(jì)、改造或重構(gòu)生物系統(tǒng)（如基因、代謝通路、細(xì)胞等）來賦予其新功能的交叉學(xué)科，其核心是將工程學(xué)理念引入生物學(xué)，構(gòu)建“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”的閉環(huán)，開發(fā)可預(yù)測、可編程的生物系統(tǒng)。自21世紀(jì)初以來，基因編輯技術(shù)迭代發(fā)展、DNA合成成本斷崖式下降和大量的自動(dòng)化平臺(tái)公司建立與發(fā)展，促使合成生物學(xué)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化。合成生物學(xué)項(xiàng)目2023年全球市場規(guī)模超200億美元，中國占比近15%，年均增長率超過20%。技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)需求共同驅(qū)動(dòng)了合成生物學(xué)項(xiàng)目多樣化發(fā)展。

合成生物學(xué)項(xiàng)目通過綠色制造路徑替代傳統(tǒng)高污染、高耗能產(chǎn)業(yè)方面日益顯示出優(yōu)勢。弈柯萊生物生物合成四氟吡啶項(xiàng)目，替代傳統(tǒng)需使用氰化物的化學(xué)法，反應(yīng)步驟從8步縮短至3步，廢水排放減少90%。藍(lán)晶微生物的沒藥醇，作為高端香料，替代德國德之馨。昌進(jìn)生物的乳清蛋白可以替代進(jìn)口乳清粉、微構(gòu)工場與藍(lán)晶微生物的PHA，作為可降解塑料，替代石化不可降解塑料。

合成生物學(xué)項(xiàng)目在解決資源短缺、效率提升方面效果顯著。中科院青島能源所的β-欖香烯（抗癌藥物）技術(shù)，將生產(chǎn)周期從植物種植提取工藝的3年壓縮至微生物合成的7天；華熙生物人參皂苷項(xiàng)目，通過改造酵母菌合成生產(chǎn)，成本降低至傳統(tǒng)植物提取工藝的1/5，純度提升至98%。

合成生物學(xué)項(xiàng)目在解決環(huán)境污染，推動(dòng)碳中和也有應(yīng)用落地。凱賽生物蛋白飼料項(xiàng)目，利用秸稈纖維素合成單細(xì)胞蛋白飼料，每噸產(chǎn)品可減少2.5噸CO2的排放；首鋼朗澤工業(yè)廢氣回收項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)以CO?為原料，通過微生物轉(zhuǎn)化為乙醇，現(xiàn)實(shí)年產(chǎn)5萬噸甲醇的規(guī)?；慨a(chǎn)。

合成生物學(xué)項(xiàng)目在醫(yī)療健康中潛力也巨大。Amyris酵母合成的青蒿素，用于治療間日瘧，耐氯喹的重癥惡性瘧和腦型瘧；浙江醫(yī)藥發(fā)酵生產(chǎn)的β-胡蘿卜素，有保護(hù)視力、增強(qiáng)免疫力、促進(jìn)生長發(fā)育以及維持皮膚健康的功效。

盡管合成生物學(xué)發(fā)展前景廣闊，有“萬物皆可合成生物”之勢，但目前來看，合成生物學(xué)項(xiàng)目仍面臨多重挑戰(zhàn)，技術(shù)層面，基因回路穩(wěn)定性不足、代謝通路效率低；生產(chǎn)層面，工藝放大后的成本失控，產(chǎn)物分離純化難度高；商業(yè)層面，與傳統(tǒng)化學(xué)法的成本競爭、市場接受度不足。這些問題構(gòu)成合成生物學(xué)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)室到工廠的“死亡之谷”。

那么如何判斷合成生物學(xué)項(xiàng)目離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)？

筆者認(rèn)為，合成生物學(xué)項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程需考慮技術(shù)可行性、生產(chǎn)可控性、商業(yè)合理性三個(gè)方面，可以在這三個(gè)維度下設(shè)立獨(dú)立的核心指標(biāo)，嘗試性地構(gòu)建量化評(píng)估模型來判斷合成生物學(xué)項(xiàng)目離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)。

一、技術(shù)可行性維度

技術(shù)可行性維度，也指技術(shù)的成熟性，即從“能用”到“好用”的跨越。包括改造菌株的穩(wěn)定性與發(fā)酵工藝的可行性兩個(gè)方面。
合成生物學(xué)的核心是“細(xì)胞工廠”，但突變可能使編輯的目的基因在傳代中失活，代謝負(fù)擔(dān)與原有代謝失衡導(dǎo)致菌種性能衰退。Zymergen公司產(chǎn)油酵母項(xiàng)目，最初實(shí)驗(yàn)室階段產(chǎn)油率達(dá)30%，但在連續(xù)傳代50次后產(chǎn)油率下降至5%，最終因改造菌株穩(wěn)定性不足而項(xiàng)目失敗。后來采用“基因組安全港”技術(shù)，結(jié)合適應(yīng)性進(jìn)化篩選，使菌株穩(wěn)定性提升至200代以上而項(xiàng)目成功。

在改造菌株的穩(wěn)定性方面，可以考慮設(shè)立傳代穩(wěn)定性（Passage Stability, PS）與遺傳漂變率（Genetic Drift Rate, GDR）兩個(gè)量化指標(biāo)。將傳代穩(wěn)定性（PS）定義為連續(xù)傳n代后目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率下降率；遺傳漂變率（GDR）定義為工程菌基因組非目標(biāo)突變頻率。并根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，如建議PS小于10%，GDR小于1e-6/代。如前文中Zymergen公司產(chǎn)油酵母最初的PS達(dá)83%時(shí)項(xiàng)目失敗，而后PS控制在8%左右項(xiàng)目成功。
可行性的另一方面包括技術(shù)方案放大的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)室小試設(shè)備與產(chǎn)業(yè)化大發(fā)酵罐的環(huán)境差異極大，溶氧量、剪切力、補(bǔ)料策略等因素均影響產(chǎn)物表達(dá)。上海某企業(yè)微生物合成蝦青素項(xiàng)目，在小發(fā)酵罐時(shí)產(chǎn)率達(dá)2g/L，放大至工業(yè)10噸罐放大過程中，最初因溶氧、補(bǔ)料分布不均觸發(fā)乙酸合成途徑，抑制目標(biāo)產(chǎn)物，導(dǎo)致產(chǎn)率不足0.5g/L而失敗。后來通過計(jì)算流體力學(xué)模擬優(yōu)化罐體結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)酵罐體及攪拌進(jìn)行改造，并采用在線溶氧探頭動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)料策略，使產(chǎn)率提升至1.8g/L。

在發(fā)酵工藝的可行性方面，驗(yàn)證設(shè)備的溫度均一性，傳質(zhì)傳熱均一性，計(jì)算及控制線性速率外，可以考慮設(shè)立溶氧控制精度（DO Control, DOC）與碳源轉(zhuǎn)化率（Carbon Conversion Rate, CCR）兩個(gè)量化指標(biāo)。并將溶氧控制精度（DOC）定義為DO的波動(dòng)范圍，碳源轉(zhuǎn)化率（CCR）定義為起始碳源到目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。并根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，如建議DOC在±5%以內(nèi)判定為優(yōu)。如前文中微生物合成蝦青素項(xiàng)目，最初觸發(fā)乙酸合成的原因是10噸罐攪拌死角導(dǎo)致DOC大于±30%，采用多層徑向流攪拌槳后，DOC優(yōu)化至±4%。

二、生產(chǎn)可控性維度

生產(chǎn)可控性維度，也指產(chǎn)業(yè)規(guī)模化，即從“克級(jí)”到“噸級(jí)”的質(zhì)變。包括工藝放大參數(shù)化與產(chǎn)品純化可行性兩個(gè)方面。
從實(shí)驗(yàn)室到中試再到量產(chǎn)，需建立可控的數(shù)學(xué)模型，但放大過程是非線性的，這常導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。華恒生物丙氨酸項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室使用50L罐時(shí)通過pH7.0均質(zhì)控制實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，在放大至1000L罐時(shí)因未考慮非均質(zhì)體系的pH梯度分布，導(dǎo)致局部過酸引發(fā)產(chǎn)物結(jié)晶堵塞管路；乳酸積累觸發(fā)菌體應(yīng)激反應(yīng)。之后開發(fā)“分段調(diào)控”模型：前24小時(shí)維持pH7.0促進(jìn)菌體生長；24小時(shí)后梯度降低pH至6.5誘導(dǎo)產(chǎn)物合成，最終解決。

在工藝放大參數(shù)化方面，可以考慮設(shè)立體積氧傳質(zhì)系數(shù)（kLa）下降率與代謝熱移除效率（Heat Removal Efficiency, HRE）兩個(gè)量化指標(biāo)，計(jì)算放大后kLa下降率與代謝熱移除效率（HRE）。并根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，如建議KLa下降率大于20%時(shí)，需要更換攪拌或者改變攪拌電機(jī)甚至改造發(fā)酵罐體；HRE小于500W/m3時(shí)，需要考慮增強(qiáng)冷熱交換。如前文華恒生物丙氨酸項(xiàng)目，最初1000L罐的kLa下降率為35%，導(dǎo)致溶氧不足觸發(fā)乳酸積累。而后通過更換攪拌，改造發(fā)酵罐體，優(yōu)化轉(zhuǎn)速至220 rpm，kLa僅下降18%。凱賽生物長鏈二元酸項(xiàng)目，采用外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，HRE達(dá)到800 W/m3，滿足了放大后菌體熱應(yīng)激問題，12萬噸級(jí)工廠單罐批次成功率達(dá)99%。

可控性的另一方面包括下游分離方案的實(shí)踐性與分離成本的可控性。合成生物學(xué)有些項(xiàng)目下游分離成本可以占生產(chǎn)總成本的60%以上，尤其對(duì)如低濃度的酶制劑。諾維信纖維素酶項(xiàng)目，最初因發(fā)酵液粘度高無法直接過濾，需添加高價(jià)絮凝劑，且無法高效去除宿主細(xì)胞蛋白殘留，導(dǎo)致產(chǎn)品純度不達(dá)標(biāo)而項(xiàng)目失敗。后改用自分泌疏水肽標(biāo)簽（HP-tag），通過基因編輯使酶蛋白C端連接疏水肽段，發(fā)酵后通入氮?dú)庑纬膳菽?，使酶自?dòng)吸附至氣液界面，刮取泡沫即可獲得純度大于95%的產(chǎn)品，節(jié)省離心、層析等步驟成本，使純化成本降低40%。

在產(chǎn)品純化可行性方面，可以考慮設(shè)立產(chǎn)物濃度（Product Titer, PT）與單位純化成本（Purification Cost, PC）兩個(gè)量化指標(biāo)。產(chǎn)物濃度（PT）指發(fā)酵液目標(biāo)產(chǎn)物的濃度；單位純化成本（PC）指每單位產(chǎn)物的分離成本。并根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，如建議PT大于10g/L；PC小于50美元/kg。前文終諾維信纖維素酶項(xiàng)目，最初PT僅8g/L，傳統(tǒng)離心加層析工藝使PC高達(dá)120美元/kg，所以項(xiàng)目失敗。而后引入自分泌疏水肽標(biāo)簽（HP-tag）泡沫分離技術(shù)，PT提升至25g/L，PC降至45美元/kg后項(xiàng)目成功。

三、商業(yè)合理性維度

商業(yè)合理性維度，也指產(chǎn)品替代性，即從“技術(shù)優(yōu)勢”到“市場統(tǒng)治”的終極考驗(yàn)。包括新需求與孵化性，產(chǎn)品性能與技術(shù)壁壘兩個(gè)方面。

合成生物學(xué)項(xiàng)目的產(chǎn)品需明確替代與創(chuàng)造市場。角鯊烯傳統(tǒng)來源于鯊魚肝提取，Amyris的生物合成角鯊烯項(xiàng)目，因產(chǎn)品滿足美妝發(fā)展需求，其上馬后就迅速打開市場而成功，2022年占據(jù)全球30%市場份額。麥角硫因傳統(tǒng)來源于蘑菇提取，華熙生物的微生物合成麥角硫因項(xiàng)目，其產(chǎn)品純度從85%提升至99%，滿足美妝高端需求，其上馬后就迅速打開市場而成功，2023年市占率超50%，成為雅詩蘭黛抗衰新品核心成分。與之相反的，Amyris前期的生物柴油項(xiàng)目雖可替代石化柴油，但因頁巖油革命原油價(jià)格2014年從100美元/桶跌至30美元/桶使石化柴油約800美元/噸，而導(dǎo)致失敗。

在新需求與孵化性方面，可以考慮設(shè)立替代成本閾值（Replacement Cost Threshold, RCT）與政策激勵(lì)效應(yīng)（Policy Multiplier, PM）兩個(gè)量化指標(biāo)。定義替代成本閾值（RCT）為生物法產(chǎn)品價(jià)格與傳統(tǒng)法產(chǎn)品價(jià)格的比值；政策激勵(lì)效應(yīng)（PM）為政府補(bǔ)貼與激勵(lì)對(duì)成本競爭力的提升幅度。并根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，如建議RCT低于160%，PM大于1.5。前文中華熙生物的微生物合成麥角硫因項(xiàng)目，產(chǎn)品價(jià)格從5000美元/kg降至800美元/kg時(shí)RCT=160%，政府補(bǔ)貼與激勵(lì)PM=1.8而成功；而Amyris前期的生物柴油項(xiàng)目，產(chǎn)品成本3000美元/噸，其RCT=375%而失敗。

商業(yè)合理性維度的另一方面是產(chǎn)品性能與技術(shù)壁壘，需考慮構(gòu)建“性能+成本+合規(guī)”三位一體的壁壘，與合理的專利布局。Bolt Threads的合成蜘蛛絲強(qiáng)度為鋼的5倍，遠(yuǎn)超尼龍的強(qiáng)度，幾乎在高端防彈材料市場領(lǐng)域形成壟斷；凱賽生物長鏈二元酸（DC12~DC18），通過其熱帶假絲酵母突變菌株、生產(chǎn)工藝等專利而壟斷全球80%市場，項(xiàng)目都非常成功。與之相對(duì)的，部分聚乳酸企業(yè)項(xiàng)目因無法突破D-乳酸含量控制技術(shù)，產(chǎn)品性能遜于石油基PET而陷入價(jià)格戰(zhàn)。

在產(chǎn)品性能與技術(shù)壁壘方面，可以考慮設(shè)立性能溢價(jià)率（Performance Premium, PP）與專利覆蓋率（Patent Coverage, PC）兩個(gè)量化指標(biāo)。將性能溢價(jià)率（PP）定義為生物產(chǎn)品性能優(yōu)勢帶來的溢價(jià)空間；專利覆蓋率（PC）定義為核心菌種、工藝專利數(shù)。并根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，如建議PP大于30%、PC大于20個(gè)。前文中凱賽生物長鏈二元酸項(xiàng)目，PP達(dá)50%，PC=142個(gè)而壟斷市場；部分聚乳酸企業(yè)項(xiàng)目PP較小而陷入價(jià)格戰(zhàn)。  

綜上，個(gè)人設(shè)想從三個(gè)維度，六個(gè)方面，設(shè)立十二項(xiàng)量化指標(biāo)，建立評(píng)估模型，其閾值可以先是定性用于評(píng)估，逐步細(xì)化到后面可以通過測量定量用于賦分，給每個(gè)項(xiàng)目建立一個(gè)評(píng)估模型?？稍陧?xiàng)目研發(fā)時(shí)，依據(jù)此評(píng)估模型直觀揭示項(xiàng)目的短板，如PHA項(xiàng)目需降低PC至20美元/kg；可在項(xiàng)目中試時(shí)，依據(jù)此評(píng)估模型分配資源，如是優(yōu)先攻關(guān)KLa下降率還是PS；還在項(xiàng)目放大時(shí)，依據(jù)此評(píng)估模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，如根據(jù)PP判定是否需重新定位市場以避免成為“平庸替代品”。這樣對(duì)于具體的合成生物學(xué)項(xiàng)目，是否就可以判斷其離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)？

更進(jìn)一步地考慮到，隨著技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與社會(huì)的協(xié)同發(fā)展，下一步合成生物學(xué)項(xiàng)目會(huì)爆發(fā)式增加。在此背景下，我們無需再立于某個(gè)固定點(diǎn)，可以以再豐富或者更廣闊的視野去判斷一些項(xiàng)目，這樣建立起動(dòng)態(tài)的評(píng)估模型來判斷合成生物學(xué)項(xiàng)目離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)。

如AI優(yōu)化代謝通路，通過機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測青蒿素合成途徑的限速酶，改造后產(chǎn)率可再提升，成本仍有非常大的下降可能。中科院青能所在對(duì)萜類合成進(jìn)行的策略優(yōu)化、底盤優(yōu)化，法尼烯等倍半萜烯項(xiàng)目PT指標(biāo)提升明顯，使項(xiàng)目離產(chǎn)業(yè)化距離拉近。

如新裝備應(yīng)用，提升交換與反應(yīng)效率，降低放大風(fēng)險(xiǎn)。光-生物耦合反應(yīng)器可再次提升藻類固碳效率，“氣液雙循環(huán)”反應(yīng)器可使CO2制乙醇項(xiàng)目產(chǎn)能提升，膜分離-發(fā)酵耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PHA的連續(xù)發(fā)酵-提取，而降低PHA類項(xiàng)目的PC指標(biāo)。

如政策驅(qū)動(dòng)可使項(xiàng)目從被動(dòng)合規(guī)到主動(dòng)引領(lǐng)。周子未來的細(xì)胞培養(yǎng)肉獲準(zhǔn)進(jìn)入預(yù)制菜供應(yīng)鏈試點(diǎn)，并通過“透明工廠直播+科普營銷”將消費(fèi)者接受度從2022年的37%提升至2024年的65%，會(huì)顯著降低項(xiàng)目RCT的指標(biāo)。深圳設(shè)立合成生物學(xué)專項(xiàng)基金（首期30億元），對(duì)中試線建設(shè)補(bǔ)貼50%；江蘇對(duì)合成生物學(xué)企業(yè)給予設(shè)備投資30%補(bǔ)貼，山東設(shè)立100億元生物制造基金，并設(shè)立合成生物學(xué)“負(fù)面清單豁免”試點(diǎn)，允許企業(yè)在封閉園區(qū)內(nèi)開展如乙醇梭菌工程菌中試；浙江對(duì)生物制造企業(yè)給予增值稅“三免三減半”優(yōu)惠，等等政策激勵(lì)會(huì)顯著提升區(qū)域項(xiàng)目的PM指標(biāo)。

總之，合成生物學(xué)項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化，本質(zhì)是技術(shù)可行性、生產(chǎn)可控性、商業(yè)合理性的三維發(fā)展，只有在這三個(gè)維度均跨越臨界點(diǎn)的項(xiàng)目，才能最終走出實(shí)驗(yàn)室，重塑產(chǎn)業(yè)格局。隨著技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與社會(huì)的協(xié)同發(fā)展，很多合成生物學(xué)項(xiàng)目都會(huì)有動(dòng)態(tài)突破。在高附加值產(chǎn)品方向，如抗癌藥物類，稀有香料類項(xiàng)目，在碳中和剛需方向，如生物燃料類，CO2轉(zhuǎn)化類項(xiàng)目，在顛覆性材料方向，如自修復(fù)生物塑料類，活體功能材料類項(xiàng)目等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，動(dòng)態(tài)評(píng)估模型可以判斷它們離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)。