合成生物学在化工能源领域的应用主要包含化学品、生物基材料、生物燃料等方向。

根据合成生物学理论构建的“人造微生物工厂”，可开发的工业化学品包括乙醇、丁醇、乳酸、丙烯酸、甘油、氨基酸、有机酸、维生素、微生物多糖等化工原料产品。如Lygos设计酵母从糖和二氧化碳中生产化学丙二酸；Green Biologics设计细菌来生产用于油漆、粘合剂、清洁剂和香料的丁醇等化学物质。国内代表企业，凯赛生物（长链二元酸、生物基戊二酸）、华恒生物（丙氨酸系列产品、D-泛酸钙）、新日恒力（月桂二酸）等均有代表性明星产品。

从产业链角度来看，生物基材料是以谷物、豆科、秸秆等可再生物质为原料，通过生物合成的过程获得高分子化合物或者生物醇、有机酸、烷烃、烯烃等基础生物基化学品，进一步加工得到生物基聚合物（塑料）、生物基纤维、生物基橡胶等产品，如用微生物生产的可降解材料PHA、蛛丝蛋白纤维、用于电子产品的无色聚酰亚胺和基于真菌菌丝体的刚性材料等。目前蓝晶微生物和微构工场已使微生物发酵生产PHA可降解塑料等产品。

生物能源方面，包括改变原料的生产方式、提高生物质能源的使用效率、创制新型的生物能源产品，应用主要包含生物乙醇、生物柴油和丁醇等方向。例如Lanza Tech使微生物能够将钢厂或垃圾填埋场等排放的二氧化碳或甲烷等废气转化为燃料和化学品；深圳中科翎碳首创将电化学+生物混合动力驱动CO₂转化，利用新型电化学催化方法捕获碳源转化为高附加值产物。

生物合成方法可以改进化学品、材料、能源的制造和加工过程，进而改变人们的日常生活。发酵过程的改善可以提高生产速度和质量（例如食品和饲料成分）。此外，创新生物线路可能产生全新的材料，能源获取的改善和储能技术的发展也为生物燃料的应用带来了更多前景。麦肯锡分析认为未来10-20年该领域年度直接造成的经济影响可能在0.2-0.3万亿美元之间，并且这种经济潜力中约3/4与新生产方式带来的资源效率提高有关。这表明在未来合成生物学所涉及的产业值得受到持续性关注。

图2. 合成生物学在化工能源领域的应用（资料来源：华医研究院）。

在美容与个护领域，合成生物学技术可以用于生产更纯净、环保的化妆品和护肤品成分，以满足消费者对高品质稀缺天然产品的需求，实现对原有市场空间的教育扩大与替代。合成生物学不仅实现了对传统方法的替代，还可以合成新的产物。对传统方法的替代可以减少传统天然产物种植的高成本和长种植周期，新产物合成能够实现对天然产物的进一步改进。近些年来重组胶原蛋白技术的成熟极大促进了胶原蛋白在医美、护肤等商业场景的落地，合成角鲨烷的量产大幅降低了制作角鲨烷的金钱成本与环境成本。从产业发展来看，合成生物学能够生产60%以上的用于美容护肤、保健食品的功能性原料，这些原料在功能性护肤品开发的功能性测试中，展现了抗衰、修护、祛痘、舒缓、祛皱等功效。

在保健品行业，合成生物学可以用来合成人参皂苷等高价值原料。此外，合成生物学技术有望帮助生产更个性化的保健品。通过基因测序和生物合成技术，可以根据个体的基因组信息，定制针对特定健康需求的营养补充剂和保健品，使产品具有更高附加值。

在生物基材料方面，合成生物学技术的应用场景不断增多。传统的皮革制造过程涉及使用大量的化学品和能源，并产生大量的废水和废弃物，对环境造成负面影响。而合成生物学技术可能为生物皮革行业带来可持续和环保的解决方案，并用于生产生物基原料，例如改造微生物来生产特定的蛋白质或多肽，这些蛋白质或多肽可以用于制造仿皮革材料。

合成生物学的发展能够帮助提高农业生产力、改良作物、降低生产成本以及实现可持续发展，同时能够改造植物光合作用增加农业产量、利用微生物或代谢工程手段减少农业化肥使用以及重塑代谢通路改良作物等，带来农产品产能与营养价值的突破性增长。目前，合成生物学在农业领域的应用主要涉及作物增产、虫害防治、动物饲料及育种改良等方向。对于植物作物，利用合成生物学可以提高光合作用效率来增加产量、促进自主固氮来减少化肥使用、重塑代谢通路来改良农产品品质以及高效防治虫害；对于牲畜，主要是利用合成生物学高效提供蛋白饲料。这些技术将为世界性农业生产难题提供革命性解决方案，引领细胞农业、低碳农业和智能农业等新动能和新业态革命。

通过合成生物学技术，学界和业界进行了大量的研究和探索，通过各种不同的方式实现作物增产、虫害防治、育种改良、动物饲料等农业应用目标，如人工构建高效生物固氮体系、合成微生物组、生产生物农药、改造害虫基因、进行生物育种、发酵生产微生物蛋白以及开发新一代酶解决方案等途径都已实现商业化应用。

众多新老企业看到了合成生物学作为一项新兴技术在农业领域的应用前景，拜耳、先正达、巴斯夫等老牌农业国际龙头通过并购整合或设立合成生物部门的方式扩展产品线或寻找更加高效的生产方式，从而进军合成生物学农业领域，而Pivot Bio、GreenLight Bio、Calysta等农业新兴生物科技公司也通过细分领域的不同产品作为切入点，入局合成生物农药赛道。目前，合成生物学农业领域玩家众多，无论是整个领域，还是细分赛道，竞争都较为分散，市场集中度较低，尚未出现寡头垄断局面。

对比国内外企业可以发现，目前国外的技术水平较为领先，且法律法规和监管制度都更加完善，已有不少产品上市，凭借技术和先发优势逐步构建产品和专利壁垒。尽管国内在理论研究方面并不落后于国外，但技术转化为实际应用的比例较低，大多为依靠科研背景创立的初创型企业，有竞争力的产品推出较少，且产品、技术和商业模式亟待验证。

合成生物学技术应用于医疗领域主要有两种思路：一种是对微生物进行设计和改造，使微生物可以生产某种药物分子，或其本身作为活性药物，实现治疗疾病的功能，如天然产物的生物合成和微生态药物；另外一种是基于合成生物学的工程化思维和设计理念，对细胞进行改造，使其具备相应的功能，如用于器官移植、细胞基因治疗、疫苗生产、制药用酶的设计等。具体而言，合成生物学在医疗健康领域的应用包括疫苗合成、细胞基因治疗、微生态药物、药物发现与生产、器官异体移植、基因编辑相关应用、体外检测、医疗耗材、制药用酶等诸多方向。

对于不同领域，都有短、中、长期都有可能突破的技术值得关注。在医疗健康领域，目前正在实现的技术包括病原体筛查、无创产前检查、DTC基因测试等体外诊断相关技术、药物生产的新生物路线以及疫苗的研发与优化，短期可以实现的有CAR-T细胞治疗液体肿瘤、微生态药物等，而中期值得关注的是基因驱动减少病媒传播疾病与CAR-T细胞治疗实体肿瘤以及生物监测传感器，长期则可关注干细胞产生的可移植器官和用于医学目的的胚胎编辑等技术难点。

以国外合成生物学巨头企业Synlogic为例，Synlogic将合成生物学与传统药物开发原理相结合，开发经过基因工程改造，可在胃肠道中发挥特定功能，靶向经过验证的工程菌活体生物药，为最早进入工程菌药物赛道的公司之一，主要开发治疗代谢性疾病（如苯丙酮尿症和肠性高草酸尿症）和肿瘤等疾病的工程菌类口服LBP药物。Synlogic还与罗氏（Roche）和Ginkgo Bioworks建立了研究合作和合作伙伴关系，已取得里程碑进展。

图5. Synlogic Therapeutics 管线分布（资料来源：Synlogic Therapeutics）。

Synlogic公司目前针对PKU的管线SYNB1934已于2023年6月5日推进至临床III期，用以评估SYNB1934的疗效和安全性。来自临床II期的实验数据表明，PKU患者在所有研究终点都有着一致的积极结果。尤其SYNB1934表现出的有效减少血浆Phe的能力，表明此管线有望成为PKU患者的一种变革性疗法。这一管线不仅是细菌载体基因治疗领域内领先的管线，也是表明合成生物学对人类健康有强大贡献的重要佐证。