来源：金融界
作者：中信证券
核心观点
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合成生物学行业迎来历史发展机遇，应用领域迅猛拓展。预计2020-2025年，全球合成生物市场规模将保持22.5％的高年均复合增速，至2025年突破200亿美元。当前合成生物领域企业商业模式可分为产品型及平台型。平台型海外巨头Zymergen、Ginkgo Bioworks独具创新发展模式。产品型企业打通从生物改造、发酵纯化到产品改性的全产业链，更具盈利能力。
建物致用：合成生物学集众多优势于一身。合成生物学广义上是指通过构建生物功能元件、装置和系统，对细胞或生命体进行遗传学设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的生物系统。基于微生物细胞工厂的高效构建，众多生物基产品已成功实现产业化，如丙氨酸、1,3-丙二醇、长链二元酸、聚乳酸等，其在成本与质量、工艺路线、环境友好度等方面相较于石化基产品展现出显著优势。由于生物基材料的二氧化碳排放量大幅下降，碳中和趋势下，合成生物企业的成本优势有望进一步放大。
合成生物学跃动新发展，市场空间广阔。当下，合成生物学行业迎来历史性发展机遇，广泛应用于医疗健康、化工、农业、食品、消费品等诸多领域。根据华经产业研究院数据，2020年全球合成生物学市场规模达68亿美元，同比增长28.3％。随着核心技术不断更迭，合成生物行业规模料将进一步迅速扩张，我们预计2020-2025年，全球合成生物市场规模将保持22.5％的高年均复合增速，至2025年突破200亿美元。同时，资本的目光加速向合成生物学聚集，根据SynbioBeta的数据，合成生物学领域的融资从2011年的4亿美元增长至2020年的78亿美元，年复合增长率高达37％。
合成生物公司百家争鸣。国内外从事合成生物学领域的公司已多达500家，商业模式可分为产品型及平台型，例如海外平台型巨头Zymergen、Ginkgo Bioworks等。产品型公司打通从生物改造、发酵纯化到产品改性的全产业链，因而更具盈利能力；平台型企业旨在提供生物体设计与软件开发等合成生物平台，由于自身缺乏应用层面的落地产品，盈利能力受限。
风险因素：相关公司在建项目进度低于预期的风险；玉米等生物质原材料价格波动的风险；宏观经济及下游行业波动的风险；进出口政策及国际贸易环境变化的风险；生物安全与伦理的风险。
行业评级。合成生物学在各领域的渗透率仍有大量提升空间，下游消费属性将带动行业长期稳定增长。龙头公司筑起综合竞争力的行业护城河，呈现强者更强的局面。预计行业龙头公司未来将迎来业绩和估值双重提升的戴维斯双击过程，维持行业“强大于市”评级。
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正文
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▌建物致用：合成生物学集众多优势于一身
合成生物：建物致知，建物致用
合成生物学广义上是指通过构建生物功能元件、装置和系统，对细胞或生命体进行遗传学设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的生物系统。“建物致知、建物致用”是合成生物学的两大愿景，也就是通过建造生物体系而了解生命、通过创造生物体系来服务人类。广义上的合成生物学研究可以划分为三个层面：一是利用已知功能的天然生物模块构建新型的代谢调控网络使其拥有特定的新功能；二是基因组DNA的从头合成以及生命体的重新构建；三是完整的生物系统以及全新的人造生命体的创建。
合成生物学系多学科融合，展现出重大颠覆性。合成生物学是生物学、工程学、物理学、化学、计算机等学科交叉融合的产物，有望形成颠覆性生物技术创新，为破解人类社会面临的资源与环境不足的重大挑战提供全新的解决方案。合成生物学的颠覆性表现在：一方面打破了非生命化学物质和生命物质之间的界限，“自下而上”地逐级构筑生命活动；另一方面革新了当前生命科学的研究模式，从读取自然生命信息发展到改写人工生命信息，重塑碳基物质文明。
产业应用中的合成生物学多为狭义概念，即利用可再生的生物质资源为原料生产各种产品。具体而言，合成生物学通过构建高效的细胞工厂，利用淀粉、葡萄糖、纤维素等可再生碳资源甚至CO2为原料生产氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、微生物多糖、可再生化学品、精细与医疗化学品等。我们所更加关注的合成生物学产业应用以微生物细胞工厂为核心，建立“原料输入—菌株培育—发酵控制—提取纯化—产品输出”的工艺路线，从而实现利用生物技术生产化学品的技术变革，并持续推进生物制造技术工艺的升级和迭代。
微生物细胞工厂是合成生物学产业应用的核心环节，经历了不同的历史阶段。20世纪90年代之前，主要通过非理性诱变及筛选技术获得目标产物高产菌株，“以时间换水平”。20世纪90年代以来，代谢工程学科逐步创立，利用重组DNA技术对生物体中已知的代谢途径进行有目的的设计，构建具有特定功能的细胞工厂。但由于微生物代谢网络结构及其调控机制的复杂性，仍然需要耗费大量的时间和精力。当下，全基因组规模定制工程化细胞工厂实现创造性发展，通过将高通量技术在全基因组范围基因型空间的挖掘与改造相结合，有望获得生产效率更为高效、生产性能更加优越的下一代微生物细胞工厂。
基于微生物细胞工厂的高效构建，众多生物基产品已成功实现产业化。理论上，所有的有机化学品理论上都可以通过合成生物制造来生产。目前，包括生物基丁二酸、长链二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、异丁醇、1,3-丙二醇、异丁烯、L-丙氨酸、戊二胺、青蒿素等在内的众多合成生物化学品已经成功实现产业化。随着合成生物学的进一步发展，以及与人工智能、大数据等新技术的融合加深，未来更多的生物基产品有望通过合成生物法生产，从而促进生物经济形成，更好地服务于人类社会的可持续发展。
生物合成集低成本、高质量、高收率、环境友好度等优势于一身
合成生物学相较于化学工程优势显著。与化学工程相比，合成生物学以可再生生物资源替代不可再生化石资源，以绿色清洁的生物制造工艺替代高能耗高污染的石化、煤化工艺，从而可以摆脱对石油、煤等不可再生资源的依赖，解决化学工程过程中的高耗能和高污染问题，生产过程更为安全、绿色、环保，并大幅度降低生产成本，对于促进国民经济的可持续发展至关重要。下面以生物法丙氨酸、1,3-丙二醇、长链二元酸、聚乳酸为例做具体说明。
生物发酵法在产品成本与质量、工艺路线、环境友好度等方面优势显著。从原料端来看，生物发酵法制备丙氨酸以可再生葡萄糖等生物质为原料，相较于化学合成法与酶法降低了对不可再生石化资源的依赖，实现生物质资源对化石资源的替代。从工艺端来看，生物发酵法避免了化学合成法的高温高压条件，反应条件温和且转化率高，产品质量高，发酵周期短，展现出绿色环保优势。尤其是厌氧发酵法，反应无需通入空气，减少发酵过程的污染风险，且无二氧化碳排放，相较于酶法生产1摩尔丙氨酸产品降低1摩尔二氧化碳排放量。
参看华恒生物以酶法和生物发酵法生产L-丙氨酸的成本，根据其招股书披露，华恒生物近年生物发酵法生产L-丙氨酸的平均单位成本约8635元/吨，而酶法生产L-丙氨酸的平均单位成本为17,427元/吨，发酵法生产成本仅为酶法的一半。华恒生物发酵法L-丙氨酸的近年平均毛利率约46％，也远高于酶法的25％，展现出极大的成本优势。另外，华恒生物发酵法生产L-丙氨酸的转化率在95％以上，而酶法通常低于67％，是合成生物学在化学品生产领域发挥经济效益的典型实例。
生物基长链二元酸具有产品种类更丰富、成本更低及更环保等优势。化学合成法生产长链二元酸合成条件苛刻，合成步骤复杂，环境污染严重，且产品收率低、成本高，迄今只有十二碳二元酸通过化学合成法工业化生产。而生物发酵法原料来源广，反应条件温和，没有环境污染，成本低、收率高，可以大规模工业化生产，展现出无可比拟的优越性。目前，生物法制备长链二元酸在我国已经取代了传统的化学合成法，逐渐从实验室研究发展到工业化生产。
生物基聚乳酸塑料相较于石油基传统塑料能耗、水耗、碳排放优势显著。生物基聚乳酸塑料凭借原料的可再生性、生产使用过程中的低碳排放，以及废弃后的可生物降解性等优势，已在许多领域开始替代传统石油基塑料。根据《中国塑料的环境足迹评估》报告，以玉米为原料的聚乳酸塑料能耗、水耗及碳排放量都远低于PE、PP、PVC、PS、ABS等石油基传统塑料。随着世界范围内垃圾分类和“限塑令”的强制性逐步升级，生物基聚乳酸塑料替代传统塑料的进程正在加速，预计在未来具有广阔的发展前景。
碳中和趋势下合成生物企业成本优势有望进一步放大
温室气体排放总量中占主导地位的是化石能源二氧化碳的排放。化石能源包括煤、石油、天然气等天然资源，是目前的主要能源来源之一，2020年约占全球一次能源需求的83％。然而，全球温室气体排放中有三分之二以上来自化石燃料二氧化碳的排放，因此，降低化石燃料在能源消费结构中的比例，推动化石能源向新能源加快转型，成为实现碳中和目标的必要途径之一。
生物质替代化石资源生产人类必须的燃料和材料，可显著降低二氧化碳排放。利用淀粉、葡萄糖、纤维素等可再生生物资源生产得到生物基材料，大大降低了工业过程的能耗、物耗，从而减少二氧化碳排放，彰显出优秀的减排能力。据Kefeng Huang等于2021年在《Greenhouse Gas Emission Mitigation Potential of Chemicals Produced from Biomass》论文统计，除低转化率的生物甲醇外，所有生物基材料的单位温室气体排放量都低于石化材料。在保守的假设下，生物基材料温室气体减排量最高为88％；在乐观的假设下，减排量最高可达94％。当前，美国生物基材料替代石化材料的空间约0.92亿吨/年，若实现完全替代则温室气体总减排量高达2.9亿吨/年。
第三代生物合成直接利用CO2生产燃料与化学品。合成生物技术历经三代革新，第一代主要以植物油、废弃食用油等为原料来合成生物燃料；第二代原料发展为非粮食类生物质，包括谷物秸秆、甘蔗渣等；第三代以大气中的CO2为原料进行微生物利用，生产燃料与化学品。目前，第三代生物合成已经取得了初步进展，已诞生成功应用并在商业化模式下进行运转的实例，例如LanzaTech公司与宝钢集团合作建立的利用钢厂废气CO、CO2等气体进行生物乙醇的生产。未来，随着CO2固定以及光能、电能能量捕获技术的发展，第三代生物合成有望成为二氧化碳减排的主要途径之一。
随着碳交易体系的推行，合成生物企业有望进一步扩大成本优势。碳排放权交易是把碳排放权作为商品在市场上流通，利用市场机制控制温室气体排放。政府根据企业的减排承诺，向企业分配碳排放配额。当企业的碳排放量大于其所持有的碳排放权配额时，需从市场上购买碳配额；反之，如果企业持有的碳排放权配额有所盈余，则可以在市场上出售以获取经济利益。未来随着碳交易体系渗透领域的扩张，低排放量的合成生物企业未超出自身碳配额时，可以通过将售盈余配额出售给高碳排放的化工企业获取一定利益，间接导致生产成本的降低，从而助力合成生物企业在碳中和背景下的快速发展。
▌合成生物学蓬勃发展，市场空间广阔
合成生物浪潮已至，迎来历史性发展机遇
2000年，美国科学家成功构建基因拨动开关，标志着合成生物学领域的兴起。自此，合成生物学历经数十年快速发展，成为继DNA双螺旋结构发现和基因组测序后的“第三次生物科学革命”。总的来看，合成生物学的发展大体经历了四个阶段：第一阶段以基因线路在代谢工程领域的应用为代表，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成；第二阶段工程化理念日渐深入，赋能技术平台得到重视，工程方法和工具不断积淀；第三阶段基因组编辑的效率大幅提升，合成生物学技术开发和应用领域不断拓展；第四阶段合成生物学的“设计？构建？测试”循环扩展至“设计？构建？测试？学习”，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。当下，我们认为合成生物学正面临历史性发展机遇，有望创造出巨大的社会和经济价值。
机遇一：基础科学研究逐步发展成熟，为合成生物的产业应用提供了前提条件。近年来，合成生物学基础科学研究高速发展，重大突破不断涌现。例如，2013年CRISPR基因编辑技术、2014年拓展遗传密码子、2015年工程酵母菌合成阿片类药物、2016年新“蛋白设计”、2018年人工合成酵母基因组、2021年CRISPR首次成功治愈两种遗传性血液病等一系列颠覆性成果纷纷入选Science期刊年度十大科学突破。当前，合成生物学的研究已从单细胞向多细胞复杂生命体系的活动机理，人工基因线路、底盘生物定量、可控设计构建，以及人工细胞设计调控层次化、功能多样化的方向发展。
从论文发表总量来看，合成生物学在科学界的重视程度达到前所未有的高度，科研成果持续积累。根据WebofScience检索结果发现，近年来合成生物学的
