在国家重点RD计划系列涉农专项资金及项目投资分析中，3豆此前曾总结过国家重点RD计划的立项及在“智能农业机械装备”领域的项目布局。现在继续和大家分享“合成生物学”的话题，看看合成生物学农业应用国家投资计划。
近年来，合成生物学在医疗、农业、食品等领域备受关注。也是35斗研国家项目从研究项目中寻找未来产业机会的主要原因之一。
在国家鼓励的创新方向中，合成生物学属于部署较晚，发展较快的课题。专项于2018年启动，迄今已立项114个，其中27个与农业直接相关，国家拨款约10亿元。
3豆梳理了国家重点RD计划立项以来，合成生物学领域所有直接涉农项目，根据农业产业链分析，研究产业发展机会。
一、合成生物学:重点项目起步晚，发展快，农业食品方向也受到青睐。
生物学以工程设计为理念，旨在设计、改造甚至重新合成生物体，以获得重构的或非自然的“生物系统”。其研究内容大致可分为三个层次:一是利用功能已知的天然生物模型或模块，构建新的调控网络，展现新的功能；第二，利用从头合成的方法，人工合成基因组DNA，重建生命体；第三是在前两个研究领域得到充分发展后，创造一个完整的新的生物系统，甚至人工生命。
但在2016年国家重点项目立项之初，立项的41个重点项目并未涉及合成生物学。然而，作为“十三五”中央政府科技计划管理模式变化最大的计划类型，RD重点计划重点项目的设立从一开始就定下了与时俱进的基调:即国家重大科学问题、新兴技术和传统技术逐步纳入重点项目，并在随后的一系列国家政策中做出重要部署。
与“合成生物学”相关的政策
因此，2018年，科技部根据国发〔2014〕64号文件要求，制定了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项实施方案。
“合成生物学”的总体目标是突破合成生物学基础科学问题，构建若干实用化的重大人工生物体系，创新合成生物学前沿技术，为促进生物产业创新发展和绿色经济增长做出重大科技支撑，针对合成生物学创造的重大科学问题，围绕物质转化、生态环境保护、医疗水平提升和农业增产的重大需求，
作为生物技术集群的典型代表，《指南》中合成生物学的重要任务包括:人工基因组合成与高版本底盘细胞构建、人工元件与基因电路、具有特定功能的合成生物系统、使能技术体系与生物安全评估等。
与其他课题不同的是，设立的项目全部由高校和科研院所承担，项目实施周期为5年。由于主要合成生物学领域对研究周期、资金需求、基础设施和技术的要求较高，科研院所和高校一直是我国RD的绝对主力。
27个涉农项目中，人工基因组合成和高版本底盘细胞构建涉及6个项目，11个人工组件和基因回路，9个具有特定功能的合成生物系统，1个使能技术体系和生物安全评估。
根据研究方向对应的目标，与农业相关的项目大致可以分为四类:性能增强、生物基化学品、污染防治和生物传感器。其中，业绩提升和生物基化学品生产项目21个，约占78%。
“合成生物学”不同领域中与农业相关的项目数量
来源:大众网站，35桶整理。
在性能提升方面，主要涉及作物育种、植物/微藻固氮和光能利用。在生物基化学品生产方面，以高纯度、高质量的生产为核心，围绕植物天然产物、功能食品、杀菌剂、高价值化学品、新型蛋白质等开展项目研究。近年来，藻类已成为合成生物学领域的研究热点。从重点专项部署来看，主要集中在油脂合成、污染治理、营养添加剂等方面。到2021年，“合成生物学”重点项目将首次涉及食品安全的研究方向。本研究侧重于生物传感器的检测，以实现对生物毒素、有害分子、掺假物等食品安全相关分子的检测，可用于现场测定。
综合生物农业领域研究分布图
来源:大众网站，35桶整理。
二、中科院、西湖大学、华南理工大学等顶尖科研机构，涉足合成生物农业领域。
科研机构一直是中国RD的绝对主力，尤其是在合成生物学领域。这些单位的一般特征主要集中在以下方面:
在研究基础方面，科学家长期从事该领域的研究，并取得了一系列科研成果，成为进一步研究的基础；在科研设施方面，我国一直在科研院所不断安排建设“国家重点实验室”，技术设施精良，成为科研的有力保障；在合作交流方面，科研机构，无论是国外还是国内的专家交流，校企合作等。，走在最前沿，吸引高素质人才，齐心协力致力于新技术的创新研发。
中国科学院、西湖大学、华南理工大学已建案例项目介绍
L 2018YFA0900600“基于植物底盘的药用植物活性成分的研究与应用”
中国科学院上海生命科学研究所王勇教授，国家重点计划首席科学家:2018YFA0900600“基于植物底盘的药用植物活性成分的研究与应用”王教授主要从事天然产物合成生物学:利用合成生物学的思想和方法，开发复杂天然产物的天然或非天然活性成分。
该项目主要研究外源基因在底盘细胞中的组装适应机制和细胞的全局调控机制，开发植物天然产物合成的高效基因组装和基因组编辑技术，开发植物天然产物的微生物工程细胞合成技术，并实施应用示范。
王教授团队与该企业签订了部分合成生物技术天然产物合成的产品或技术的合作协议，正在产业化，推动了行业的技术进步。
L 2019YFA09006300“真核微藻光合元件的高效挖掘与适应性重建”
西湖大学生命科学学院李晓波教授，国家重点RD计划首席科学家:2019YFA09006300“真核微藻光合元件的高效挖掘与适应重建”李教授主要从事生物化学、基因组学和合成生物学领域的淡水和海藻的能量代谢和应激生理研究。
藻类的种类很多，有绿藻、红藻、硅藻、褐藻等等。本项目选取藻类作为主要模式生物，主要研究两种单细胞物种:一种是莱茵衣藻的淡水绿藻，是最接近陆地作物生长模式的藻类，其进化策略更容易应用于陆地作物；另一种是三角褐指藻，是海洋中最丰富的藻类。它进化出多种独特的细胞结构，如叶绿体外覆四层膜，细胞壁由无机二氧化硅组成等。，并且在光线捕捉方面有先天优势。
通过研究藻类的光捕获和碳固定，绿藻可以提供营养添加剂、生物柴油前体脂质和其他产品。工程绿藻已被用于生产药用蛋白，并将进一步应用于其他农作物。
通过高通量的基因操作技术，将硅藻体内特殊的捕光触角蛋白和色素转移到绿藻体内，从而提高绿藻的光合效率，在一定条件下增加绿藻的产量。同时，提高光合效率的研究最终可以应用于陆地上的作物，从而增加作物的生物量。
L 2018YFA0901700“无细胞生物合成体系的构建与应用”
华南理工大学生物科学与工程学院林颖教授，国家重点RD计划首席科学家:2018YFA0901700“无细胞生物合成系统的构建与应用”林教授利用基因组学、蛋白质组学等前沿生物技术，研究微生物代谢的调控和机理，构建高效表达外源蛋白的细胞展示系统。
该项目主要以毕赤酵母为研究对象，围绕人工细胞和无细胞生物合成系统开发先进的绿色生物智能，用于提高人类疾病和健康的监测水平，实现物质、能源和产品的可持续生产，提高农业生产水平和食品质量，为减少温室气体排放和减缓全球气候变化做出重要贡献。
林教授申请了专利:重组毕赤酵母工程菌及其在合成莱鲍迪甙A中的应用，其中莱鲍迪甙A甜度高，是蔗糖的300倍，口感好，余味无不良，是一种理想的天然甜味剂。
第三，以技术为基础，以产品为导向，应用合成生物使能产品
合成生物学的核心内容是生物元素、基因回路、基因组工程和代谢工程。
生物元素是合成生物学的基本“部分”。常见的生物元件包括:调控元件、催化元件、结构元件、操纵元件和传感元件等。
回路基本上是由基因元件组成的代谢或调节通路，是由启动子、阻遏子、增强子等调节基因组成的遗传装置，也是生物体控制自身生命过程的动态调节系统。
代谢工程的作用是设计和改造现有的代谢途径。常用的构建途径有:异源表达、构建和调控细胞代谢育种。
基因工程的作用是从零开始合成或重新设计基因组，这主要是由于基因组测序、基因编辑等技术的快速发展。
合成生物学:技术驱动的工业发展图谱
来源:大众网站，35桶整理。
生物技术的进步促进了合成生物学的快速发展。颠覆性的使能技术是支撑合成生物学发展的关键。基因合成、基因编辑、蛋白质设计、细胞设计和高通量筛选的发展对合成生物学的发展起着重要的支撑和推动作用。基因测序、DNA合成和基因组编辑是核心使能技术。
基因测序技术的进步加速了生物元素的挖掘，使得物种序列信息呈指数级增长。随着生物信息学和系统生物学的识别和鉴定，使得大量生物元素的挖掘成为可能。
基因编辑技术是对目标基因进行编辑或修饰的基因工程技术，是定向改造基因组的有力工具。常用的三种技术:锌指蛋白核酸酶、转录激活子样效应物核酸酶和CRISPR/Cas系统。其中，CRISPR/Cas9系统通常由一系列CRISPR相关基因和CRISPR阵列组成。CRISPR/CAS9系统因其构建简单、编辑效率高的优势，逐渐成为应用最广泛的基因编辑工具。
DNA合成技术是探索生命奥秘过程中必不可少的工具，其中芯片合成以其高密度、集成定位的特点独占鳌头。
随着合成生物学理论和技术的不断突破，其应用范围不断扩大，对医疗卫生、科研、化工、环境监测、农业、食品饮料等领域产生了深远的影响。
四、带动农业食品企业的“合成生物学”马车。
根据CB Insights的预测数据，在全球合成生物市场中，食品饮料和农业增速最快，预计2019-2024年的年复合增长率分别为64.6%和64.2%。
生物主要涉及农业食品行业:育种、生物农药、生物肥料、生物饲料、功能食品、蛋白质替代品等。35 Dous在细胞工厂专题中系统总结了相关企业，对细胞肉和人工奶头企业做了分析。今天以功能食品和生物肥料领域为例，分析中国企业的产业发展。
3.1金禾实业——带动合成生物加入代糖“战场”，开发代糖新产品。
随着人类对健康需求的日益重视，代糖食品成为人们追捧的新宠。公开数据显示，无糖饮料市场规模从2014年的16.6亿元增长至2020年的117.8亿元，复合增长率为38.69%，远超饮料行业整体增速。
据财联社报道，2022年1月21日，金禾实业与亿客来生物科技有限公司达成战略合作协议，并表示双方将推动合成生物技术在甜味剂领域的深度应用，未来共同开发新一代代糖产品。
在无糖饮料市场需求的催化下，甜味剂行业逐渐走俏。三元和保龄宝是赤藓糖醇的主要生产企业，安赛蜜和三氯蔗糖在金河产业的市场份额在60%以上。公司产品广泛应用于碳酸饮料、功能饮料、果汁、奶茶、乳制品、肉制品、糕点等食品和饮料。
安赛蜜和三氯蔗糖
来源:金河实业官网
亿科莱生物已将合成生物技术成功应用于生物医药、植被保护、营养健康、诊断试剂、环境治理、保健食品等领域，是目前全球合成生物产业化进展最快的企业之一。
金禾实业与亿客来生物的合作，是合成生物技术在食品添加剂领域逐步产业化布局的验证，也将推动代糖产品在甜味剂市场的不断扩大空。
3.2汉和生物引领绿色防控，创造新型肥料。
韩生物致力于新型肥料的生产，在复合微生物菌应用、海藻中间体生物提取技术、复合糖醇螯合技术等领域不断创新。，并取得了令人瞩目的成就。旗下品牌“欧神”和“普罗士王”两种微生物菌剂，菌加富和普子菌，均获得了中国绿色食品协会颁发的绿色食品生产资料使用证书。
汉和生物以RD和制造为核心驱动力，基于微生物学、酶工程、合成生物学、分子生物学、基因编辑等新技术，不断开发绿色新型肥料产品。2020年6月9日，在合成生物车间智能工厂正式投产。
合成生物智能工厂系统
来源:公共网站
生产车间采用全自动智能系统，可以实时采集生产过程中的各种数据，利用大数据技术平台对生产过程进行分析和决策，实现自动化、智能化、数字化、信息化的控制和管理。到2021年底，苯丙氨酸、脯氨酸等。基于合成生物学的吲哚乙酸现已进入试生产阶段，基于合成生物学技术的吲哚乙酸已经中试成功。
农业食品领域的合成，为了解决人类粮食短缺和食品质量问题，对全球可持续发展至关重要，正在大力推动一场工业革命。从探索替代原料和生产工艺，到开发性能更好的产品，合成农业的产业化才刚刚到来。
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参考资料:
1.孟合成生物学中不得不说的技术
2.合成生物产业研究:未来已来，开启“创造”时代
3.合成生物学加入代糖“战场”。金禾实业与易客来合作开发新型代糖。
4.2020智能工厂:汉和生物合成生物车间投产。
5.光合作用“藻类”知道|李小波申报国家重点RD计划项目获批。
附:2018-2021年“合成生物学”重点项目涉农项目
