东方富海博士后工作站秉承研究发现价值、研究引领投资的理念，对投资实务进行前瞻性研究。“富海洞察”专栏致力于发布工作站系列研究报告，供读者交流探讨。本文是合成生物的相关研究，为工作站出品的第27篇报告。
合成生物学是一门融合生物学、工程学、信息科学等学科的前沿交叉领域，旨在通过理性设计与改造生命系统，实现特定功能与应用。相比传统生物技术，合成生物学展现出绿色可持续、高效精准等显著优势，成为引领生物制造革命的关键驱动力。本文系统梳理了合成生物学的核心研发模式、全产业链结构、政策法规环境、人工智能赋能、资本市场动向及未来发展趋势，为全面理解这一战略性新兴领域提供参考。
1合成生物学的定义及核心研发模式
2000年，《Nature》报道了人工合成的基因回路相关研究，涉及全球首个基因波动开关和生物振荡器，因此该年也被公认为现代合成生物学元年。合成生物学（Synthetic Biology）是一门发展迅速的前沿交叉学科，它以现代生物学和系统科学为基础，融入工程学、计算机科学等多学科知识，交叉汇聚成新兴的领域。狭义的合成生物学包括将全新功能引入活细胞等生命系统，以及体外从头设计和构建全新的生命系统体。广义的合成生物学还包括对现有生命有机体的关键要素进行创新性地设计、改造和应用，以实现特定功能和目标，例如酶催化合成、无细胞合成、DNA存储等。总的来说，合成生物学专注于将工程化的思维和方法应用到生命科学领域，以理解、重塑和设计生命。
图1展示了合成生物学的核心研发模式，即设计-构建-测试-学习（Design-Build-Test-Learn, DBTL）循环。四个阶段循环往复，以高度可预测的工程化方式研究和修改生物系统，通过迭代优化，设计、构建、测试生物系统，最终实现合成生物系统预设功能。具体而言，该模式通过不断的设计、组装DNA，在生物系统中测试其功能，并从中学习改进结果，从而筛选、优化出具有特定功能的生物装置和系统。
▲图1. 设计-构建-测试-学习循环
“设计”是根据生物学知识和目标需求，利用底盘细胞和标准化生物元件，对基因、代谢通路或基因组进行理性设计，从而规划合成目标产物的路径。关键技术包括测序、数据库与相关工具等技术手段。这一环节往往国外发展较早，中国生物技术企业起步较晚，仍需依赖海外的数据库及工具进行分析和设计。但在有些方面，比如二代测序，中国企业已能做出达到发达国家标准的产品，甚至部分指标领先。
“构建”是按照设计方案，将生物元件组合并组装到生物系统中，形成新的生物系统，以实现所需功能。关键技术包括DNA拼接、DNA合成、基因编辑、细胞培养等技术手段。中国生物技术企业在这一环节正在快速追赶发达国家，比如在DNA合成和基因编辑方面，我国正在逐步突破专利封锁。
“测试”是对所构建的生物系统进行测试，评估功能性、稳定性和可行性，验证其是否达到预期的功能目标。关键技术包括高通量、自动化平台测试及筛选等技术手段。当前这一环节中外差距较大，中国企业仍以人工辅助的测试为主，而国外合成生物龙头企业已实现自动化测试及筛选。
“学习”是利用测试数据，分析测试结果，学习并理解设计中的不足，从而搜索更有效地推进循环及实现预期目标的原则，对设计进行修改和优化，为下一个循环改进设计提供指导。关键技术包括智能数据分析、蛋白质设计、路线设计、仿真测试等。在这一环节上，国内外均尚处于早期阶段，需依赖人工经验总结及学习。
2合成生物学产业链合成生物学产业链涵盖线路设计、工艺开发、规模化生产、商业化应用等核心环节，如图2所示，可分为工具层（上游）、平台层（中游）及应用层（下游）。产业生态覆盖面庞大，整个产业链旨在通过设计和改造生物系统，从而实现特定功能或创造具有特定功能的产品。
▲图2. 合成生物学产业链
产业链上游为工具层企业，为产业链提供使能技术、仪器设备和原材料，包括基因合成、基因编辑、基因测序、工具酶等底层技术以及软件服务。这些企业不仅服务于合成生物学领域，也可以服务于其他产业。上游使能技术主要围绕着DBTL循环展开，当前中国多项技术落后于欧美发达国家，正在快速追赶。
产业链中游为平台层企业，为产业链提供技术平台与工艺开发服务，包括细胞铸造厂、无细胞系统合成平台、酶工程平台等技术平台及高效生物反应器，涉及自动处理装备或系统。中游企业基于上游技术设计、开发和改造生物系统和生物体，主要环节由底盘细胞选择和改造、培养条件优化、产品纯化方法开发构成。海外龙头企业已在一些工程转化平台形成成熟的商业模式，典型代表公司如美国的Ginkgo Bioworks。该公司集成了自动化实验室、软件与机器学习能力的平台，并通过此平台为各行业客户提供菌株设计和开发服务，能够高效地进行规模化生产。Zymergen也是一家专注于合成生物学的平台型公司，其平台融合了自动化、机器学习和基因组学技术，致力于设计和开发生物基材料，于2021年通过IPO上市，但2022年因主打产品销售不及预期等因素申请了破产保护，最终被Ginkgo Bioworks收购。相比而言，中国的平台型企业尚处于商业化的早期阶段。
产业链下游为应用层企业，为产业链实现产品的规模化生产和商业化应用，可按照不同方式进行分类。传统分类方式按照下游应用分类，可分为医疗健康、化工能源、食品农业、日用化妆等领域。下游是将中游平台技术进行放大和生产，核心在于将技术从实验室推向市场，实现规模化、低成本生产。与中游企业相比，下游更强调聚焦应用领域、产品的精细打磨及商业化放量。现阶段国内行业整体尚处在产业发展早期，不少生物技术公司实质上为中下游一体化布局。下游的代表性上市企业如图3所示。
▲图3. 合成生物学产业链下游代表性上市企业
图4显示，目前中国合成生物应用层企业主要集中在医疗健康、化工能源领域。医疗健康是合成生物学产业中最大的细分市场，市场规模巨大，预计未来仍将保持强劲的增长势头。医疗健康行业对新疗法、诊断方法以及生物药物等的需求不断增长，而合成生物学在该领域的应用非常广泛，包括药物开发、疫苗生产、诊断试剂开发、基因疗法和细胞疗法等，为该领域的市场增长提供了基础。此外，化工能源、食品农业等领域的应用迎来高速增长，是当前关注的重点。
▲图4. 中国合成生物学应用层企业数量占比分布情况
我国应用层的初创企业从2015年起逐渐上市。这些企业在特定垂直市场中实现了闭环验证并具有其自身的优势，往往能通过积累丰富的数据资源、客户基础和实践经验，建立强大的行业壁垒。表1列示了该领域代表性上市企业。
▲表1. 中国合成生物学细分领域代表性上市企业
伴随技术的发展与政策驱动，全球合成生物学市场规模呈指数增长。根据Grand View Research的数据统计，2024年全球市场规模约162.0亿美元，预计未来将以17.3%的增长率增长，2030年将达到420.6亿美元（按照7.1汇率折算，折合人民币约2986.3亿元）。北美是全球最大的合成生物学市场，并在2024年占据了最大的市场份额，约为42.0%；亚太平地区在未来五年将保持最高的年均复合增长率，约为18.9%；中国市场规模则保持同步迅速增长。据Grand View Research统计，2024年中国市场规模约12.0亿美元，预计未来增长率达23.0%，到2030年将达到40.7亿美元（按照7.1汇率折算，折合人民币约289.1亿元）。
总的来说，合成生物法凭借其独特的生物学基础与工程学策略，展现出多方面的显著优势：1.绿色可持续性：通过利用酶或工程微生物作为生物催化剂，可替代传统化学合成中高污染、高毒性的重金属催化剂，从源头上减少有毒物质的排放，符合绿色化学原则；2.经济性与高选择性：酶催化反应通常具备高度的区域和立体选择性，能够高效合成传统化学方法难以实现或步骤繁琐的复杂分子，从而减少副产物、简化纯化步骤，最终降低生产成本；3.流程集成与效率提升：通过设计构建高效的底盘细胞，可以将多步酶促反应整合在单一微生物体内，实现从简单底物到目标产物的多步生物合成，显著缩短生产周期，优化整个工艺流程。
3政策与法规
国家高度重视合成生物学发展，扶持政策持续加码。2021年3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，首次将合成生物列为科技前沿重点方向，标志着其上升至国家战略层面；2022年5月，国家发改委印发《“十四五”生物经济发展规划》，进一步明确将合成生物作为战略性新兴产业，并提出加强关键技术攻关与多领域应用；同年12月，习近平总书记在中央经济工作会议上强调要加快生物制造等前沿技术的研发与应用，凸显了合成生物作为新一轮科技革命和产业变革制高点的重要性，被视为推动制造方式革新的“工业革命”；2024年，政府工作报告首次写入“生物制造”，并将其列为新质生产力的关键增长引擎；2025年，政府工作报告再次明确要培育生物制造等未来产业，体现出国家政策持续强化与纵深推进的明显趋势。
地方政府对合成生物学产业的支持力度也持续加大，北京、上海、深圳、杭州等多地政府陆续出台了推动产业发展的具体政策，详见表2。在推进模式上，多地普遍采用“基金+园区+科研”三位一体的机制，注重技术转化与产业协同。各地之间的差异主要体现在发展定位与重点方向——如医药健康、农业食品领域或全球产业集群等，以及政策扶持的方式与力度，包括奖励额度、资助范围、协同创新模式等。
▲表2. 支持合成生物产业发展的代表性地方政策
2025年，地方立法层面迎来新进展。7月31日，湖南省人大常委会批准《常德市促进合成生物制造产业发展若干规定》，于8月20日正式实施，成为全国首部针对合成生物制造产业的地方性法规。8月29日，深圳市人大常委会通过《深圳经济特区促进合成生物产业创新发展若干规定》，自10月1日起施行。该规定作为全链条专项立法，着力破解深圳合成生物产业发展中的痛点难点，为深圳抢抓全球生物技术与产业发展机遇、掌握产业主动权提供法治保障。
综上所述，我国对合成生物产业已构建起一个自上而下、持续深化的战略支持体系。在中央层面，合成生物学的地位从“十四五”的科技前沿被持续提升至关乎“新质生产力”和“工业革命”的国家战略高度。在地方层面，各地通过“基金+园区+科研”模式积极落实，并于2025年在湖南和深圳实现了地方专项立法的突破，标志着政策支持从行政引导迈向了“法治保障”的新阶段，为产业发展营造了极为有利的宏观环境。
4人工智能赋能合成生物学的发展
合成生物学的发展与计算机科学密不可分。随着人工智能技术的兴起，其在数据处理、模型构建和自动化控制等方面的优势，正为合成生物学的研究与应用提供强大支撑，推动该领域从传统“试错”模式逐步迈向“理性设计”新阶段。人工智能通过赋能合成生物学中的DBTL循环，显著提升了研发效率和精准度。
智能设计与预测是人工智能赋能合成生物学的核心方向之一。一方面，人工智能优化基因线路与代谢通路的智能设计。例如，在元件工程方面，人工智能可提升启动子、终止子等生物元件的鉴定、注释与优化效率，辅助从头设计基因及蛋白质元件；在基因线路设计中，借助计算机仿真策略，可对线路功能进行预测与参数调优，减少实验调试次数并提升稳定性；在代谢工程中，人工智能的集成建模方法有助于在海量信息中高效识别改造靶点，并支持代谢网络的动态建模与DBTL循环的自动化平台构建。另一方面，人工智能赋能蛋白质设计与优化。2024年诺贝尔化学奖授予了计算蛋白质设计的先驱，这象征着人工智能在生命科学领域的贡献获得了高度学术认可。人工智能可以快速对海量级数据进行预测和设计，生成式人工智能推动了蛋白质的从头设计。例如在酶工程中，人工智能通过建立“序列–功能”映射模型，精准预测突变对酶热稳定性、催化活性等性质的影响，实现从“盲目筛选”到“理性预测指导下的验证”的转变，显著提高研发效率并降低成本。
自动化实验系统正在加速DBTL循环。自动化技术为细胞工厂的设计提供了高效、标准化的解决方案，例如生物铸造厂通过机器人液体处理、高通量分析等手段，实现大规模遗传结构的并行处理。然而，目前大多数微生物操作平台在构建包含多个DNA模块的细胞工厂时，仍存在中间步骤依赖人工优化、流程未完全整合至DBTL循环等问题，限制了全流程自动化的实现。未来，进一步提升自动化平台的整合能力，将是推动合成生物学产品研发与行业整合的关键。
数据分析与学习是合成生物学中人工智能的另一重要应用。借助机器学习、Transformer等算法架构，人工智能能够从海量基因组数据等复杂生物信息中提取深层洞见，提升数据处理的准确性与模型的可解释性。这些分析结果为元件设计、代谢调控等多个研究方向提供了科学依据，推动合成生物学在系统层面实现更精准的预测与调控。
我国也在积极推动人工智能与生物制造深度融合。2025年7月，工信部正式印发了《人工智能在生物制造领域典型应用案例名单（第一批）》，共有5家优秀案例、11家典型案例入围。主要场景涉及细胞工厂的构建及优化、生物反应过程的智能控制、高性能蛋白质元件设计及构建和代谢通路的设计及优化，其中人工智能驱动蛋白质设计的企业超过半数，16家入选项目中有9家应用于高性能蛋白质元件设计及构建领域。而调控机制的解析及优化、培养基配方的设计及优化以及生物制造产品的智能检测和质量控制三个领域，目前尚无项目入选。
人工智能正驱动合成生物学迈向全新的“理性设计”时代，从根本上重塑该领域的研究范式与发展路径。人工智能开辟了一个自我迭代的创新体系，该体系不仅极大提升了研发效率，更在本质上拓展了人类设计、改造乃至创造生命系统的能力边界，为医疗健康、能源化工等产业带来颠覆性变革。
5资本市场动向
过去几年，全球合成生物学的融资历程清晰地展现了一个技术领域从概念热炒到价值回归的成熟之路。2020年至2022年期间，全球合成生物学领域的融资活动整体异常活跃，其扩张速度符合风险投资市场的总体活跃水平，随后活跃度随着资本寒冬而下降。但2024年已呈现增长回暖态势，尽管投资规模尚未回升至2021年的高点。2024年全年，合成生物公司累计融资总额达到122亿美元，较2023年同期的107亿美元增加了15亿美元，显示出该领域在资本市场中的吸引力正在逐步恢复。
从融资结构来看，下游产业应用层始终占据主导地位。2024年，产业应用领域的初创企业累计融资总额为89亿美元，与2023年基本持平。在众多应用方向中，合成生物学对医疗健康和生物制药领域的影响尤为突出，2024年该领域累计融资总额为49亿美元，较2023年的64亿美元下降15亿美元。相关细分领域主要包括细胞治疗、基因治疗、诊断技术、疫苗研发以及微生物组研究等。化工与材料、能源与环境等方向也展现出较大发展潜力。2024年，化工与材料领域累计融资18亿美元，能源与环境领域为15亿美元。此外，食品与营养领域累计融资4.5亿美元，农业领域则为3.3亿美元。
在中国，随着国家对合成生物学顶层布局的持续强化，技术投入和政策支持不断加大，该领域的投融资活动保持较高热度。经历2021年和2022年的快速上升后，2023年受整体融资环境影响有所回落，市场逐步回归商业理性。当前，中国合成生物领域的投融资事件多集中于企业发展的早期阶段，轮次以天使轮和A轮为主。在投融资活跃度方面，沿海省市表现突出，其中广东、上海、江苏、北京和浙江位居前列，核心城市包括深圳、上海、北京、苏州和杭州等，与国内合成生物产业的区域集聚特征呈正相关。整体来看，中国合成生物领域的资本布局高度活跃，吸引了众多知名投资机构参与，初创企业频繁获得资本支持，生物医药是关注度最高的赛道，自动化设备与基因工程同样备受资本青睐。
当前，资本在经历了早期的狂热与随后的寒冬后，正变得更加理性，集中流向医疗健康、化工能源等能带来实际价值的产业应用端。与此同时，中国已成为这一浪潮中不可忽视的力量。在明确的政策指引下，国内市场没有停留在短期热度，而是呈现出早期创新活跃、资本与产业集群深度绑定的健康生态。投资正精准地聚焦于生物医药、核心设备等关键环节，这表明推动技术落地、构建长期竞争力的产业逻辑已深入人心，标志着中国合成生物学正步入一个更扎实、更具韧性的高质量发展新阶段。
6合成生物学产业展望
当前，合成生物学领域正经历从理论研究到产业落地的深刻转变，其未来发展呈现出清晰且连贯的演进路径，核心趋势主要体现在技术融合、数据驱动、智能化转型与生态协同等关键维度。
生物与信息技术深度融合正成为关键驱动力。生物技术（Biotechnology, BT）、信息技术（Information Technology, IT）、大数据技术（Data Technology, DT）三者融合形成“3T融合”模式，推动生物信息学、计算生物学与合成生物学等多学科交叉，构建“数据解析-设计创造-产业验证-知识反哺”的创新闭环。这一趋势不仅深化了对生命系统的理解，也为绿色可持续发展提供了技术基础，使合成生物学成为全球科技竞争的前沿。
数据将成为合成生物学发展的核心引擎，推动“设计-构建-测试-学习”循环高效运转。未来发展重点在于两方面：一是加强数据库与知识图谱建设，需在数据质量控制、标准化、存储管理与共享机制等方面实现突破；二是推进数据智能分析，深度融合传统生物信息学工具与新一代人工智能方法，提升数据处理与知识发现能力。
智能化与自动化转型加速推进。自动化生物铸造厂（BioFoundry）将智能制造理念与合成生物学理论结合，通过高通量、自动化设备实现生命体系的快速构建与测试。该模式已在全球多个项目中成功应用，显著提高了实验效率、降低了成本，并积累了高质量数据。未来有望实现“设计-构建-测试-学习”全流程的自动化闭环运行，为合成生物学在基础研究及产业应用提供规模化、低成本的技术支撑。
产业生态系统趋向协同化与开放化。区域产业集群通过整合产业链、构建创新网络、推动绿色转型，逐步形成新质生产力的核心载体。企业间合作模式日益多元，包括上市公司的纵向整合、跨行业并购，以及创新企业对传统企业的技术赋能。以中试平台与产业基金为支撑的新型产业体系正在形成，推动构建合成生物产业共同体。同时，中国企业出海与海外企业在华布局成为双向趋势，进一步促进全球范围内的技术交流与产业协作。
未来，这些趋势将共同推动合成生物学从前沿科学转变为能高效解决医疗、能源、环保等全球性挑战的实用技术体系，并逐步成为支撑生物制造经济的关键产业。
