产业最前线丨人工合成糖取得新突破合成生物市场先机提前到来？

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产业最前线丨人工合成糖取得新突破合成生物市场先机提前到来？

2023-08-22 21:52:01 来源：21经济网

中国科学院天津工业生物技术研究所成功构建了灵活性、高效性及多功能性的人工生物系统，实现了多种己糖从头精准合成，解决了糖分子立体结构可控的难题，为摆脱自然合成途径、利用二氧化碳创造多样的糖世界提供了可能。研究成果于8月16日选择在国内顶尖刊物《Science Bulletin（科学通报）》发表。

近两年，该所在合成生物领域取得了连续突破。2021年9月，该所还在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的全人工合成。

(资料图片)

2022年5月，国家发展改革委印发了《“十四五”生物经济发展规划》，明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向，而合成生物学被称为生物经济的新引擎，近些年持续受到资本市场的关注。

二氧化碳到糖的精准全合成技术有哪些应用前景？未来产业化路径如何？合成生物投资赛道现状如何？8月21日，21世纪经济报道记者联系了中国科学院天津工业生物技术研究所以及行业专家、投资人等做行业前瞻。

二氧化碳“变身”糖

糖是人类生命活动及日常生活中的重要物质,也是当今工业生物制造的关键原材料。己糖是在自然界广泛分布、与机体营养代谢最为密切的糖的统称。迄今为止，人类对糖的获取主要依赖于植物类生物质资源。

然而，这种传统的“二氧化碳-生物质资源-糖”的加工过程，受到植物光合作用能量转换效率限制；最重要的是，由于土地退化和短缺、生态系统退化、全球变暖导致的极端天气和自然灾害，依赖于糖类生物质资源的生产方式面临着原料供应安全和风险等问题。

为解决这一系列问题，需要将这种传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。

中国科学院天津工业生物技术研究所开发了人工转化二氧化碳从头精准合成糖技术，基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，与中国科学院大连化学物理研究所科研团队合作，设计构建化学-酶耦联的非天然转化途径，工程化设计改造酶蛋白分子的催化特性，实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖，其碳转化率高于传统植物光合作用，同时高于已报道的化学法制糖以及电化学-生物学耦联的人工制糖方法，是目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。与此同时，建立了可进一步延伸糖产物种类和构型的生物系统，可实现人工创造糖分子多样性。

国际著名有机化学家，生物催化领域专家，德国科学院院士Manfred T.Reetz（曼弗雷德·雷茨）就本成果评价称，将二氧化碳转化为碳水化合物是一个特别有趣的想法，也是非常具有挑战的。成果在这一竞争性研究领域取得了真正突破，提供了一种灵活性、多功能性和高效性糖合成路线，为绿色化学打开了一扇门。

产业化之路有多远？

将二氧化碳作为工业原料，实现农业产品、石化产品的生物合成，被认为具有广阔前景。

以中国科学院天津工业生物技术研究所的探索为例，该所提供的资料显示，该研究成果是在二氧化碳合成淀粉基础上的一个重大突破，颠覆了依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的范式，提供了一种灵活的、可拓展的糖制造模式，可获得自然界含量稀少的功能糖分子，从而拓展应用范围。

所获得糖可作为原料应用于食品、医药等领域，还可作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品，进一步满足人类的其他物质需求，从而为负碳物质合成提供原料供给。

未来科研团队通过该技术还能够进一步合成寡糖、糖苷或糖醇等化合物，获得自然界含量稀少甚至不存在的糖分子，作为原料应用于食品、医药和生物制造等领域。

21世纪经济报道记者采访获悉，对于产业化路径，目前该研究还在实验阶段，研究成果实现了人工精准合成己糖技术路线突破，但距离工业化生产还有很长的路要走，仍需要解决相关科学与工程技术问题。

九合创投创始人王啸对21世纪经济报道记者表示，该项技术的应用前景主要体现在实现从非生物质原料高效合成糖产品，减少对传统农业资源的依赖，具有原料来源可持续性优势。例如，以木薯为原料发酵生产糖所面临的问题是：木薯中淀粉转化成糖的效率较低；木薯种植需占用大量土地资源，扩大规模种植会排挤粮食作物，影响粮食安全。

可精准控制糖的立体结构，获得自然界不存在或含量稀少的特殊糖分子，并且进一步合成糖苷、糖醇等高价值化合物，服务于食品、医药等领域，拓宽糖的应用范围；可与其他生物过程耦合，实现从二氧化碳到更复杂有机化合物的转化，有助于实现碳的高值利用，为全球控碳减碳提供新思路和新方法。

王啸还表示，目前全球的碳封存计划主要以森林种植和地质封存为主，如果利用该项新技术，将二氧化碳变废为宝，无疑会对全球的碳中和运动产生积极影响。

绿洲资本董事总经理Ivy对21世纪经济报道记者表示，中国科学院天津工业生物技术研究所之前已经在全球率先实现了“二氧化碳人工合成淀粉”和“二氧化碳合成PHB”的实验。国内西湖大学等其他科研院所也在探索“二氧化碳合成有机酸”等科研方向。此次“从二氧化碳到己糖的精准全合成”进一步证明了天工所为代表的科研院所在生物固碳科研上的领先地位。

Ivy介绍，自然界中普遍存在的通过光合作用将二氧化碳转化为糖类物质的途径能源转换效率较低，且受各种干扰因素影响较大。催化反应能够极大地提高转化，稳定高效的生产各类己糖。己糖本身在下游医疗、食品、工业领域有较多应用场景，也可以作为原材料生产其他的生物发酵产品。这项技术如果能够低成本地大规模普及，可以助力生物制造领域进一步发展。

中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和2023年5月份在中关村论坛透露了二氧化碳人工合成淀粉项目的进展。马延和说，现在的主要任务就是要解决这条途径的经济可行性问题，已建立了二氧化碳人工合成淀粉吨级中试装置，目前正在进行测试，在理论、技术和工程上同步推进。

北京大学首都发展研究院副院长、北京大学深圳研究院碳中和研究中心副主任蔡满堂对21世纪经济报道记者表示，上述研究是科研领域的一项重要突破。但从产业化角度来说，距离市场还有一定距离，产业化会充分考虑效率和成本的问题。过去十多年，合成生物领域是一个比较热门的赛道，是面向未来的产业，也就意味着投资周期比较长。

对于合成生物领域的产业化突破，王啸表示，破局关键是实现高效率的量产。首先要克服技术障碍，进一步优化和放大工艺，提升工艺稳定性与产率。如何在大规模生产中保持酶的高效有效催化，是合成生物学普遍面临的难题。此外要提供有竞争力的价格。精密控制增加了对设备和工艺要求，提高了成本，未来在量产过程中如何降低单位成本，是能否产业化的关键。

Ivy提到，对一般的合成生物学产品的产业化，放大过程中的工艺改进是一个偏经验驱动的工程性工作。产业化过程面临的挑战，一是从实验室到放大的工艺探索，是不是能稳定地量产；二是能不能把成本真的降下来，让产品有市场竞争力，科研团队有时候和商业侧的关注角度不同。

合成生物产业前景如何？

2022年，国家发改委印发第一个生物经济五年规划——《“十四五”生物经济发展规划》。其中提出了生物经济发展阶段目标，明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向。

根据麦肯锡分析，生物制造的产品可以覆盖60％化学制造的产品，未来生物制造的方式有望对未来医药、化工、食品、能源、材料、农业等传统行业带来巨大影响，合成生物学相关市场未来将达到4万亿美元的市场规模，预计到2025年，合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元。

业界寄希望于生物经济能够成为我国继数字经济之后的第二个新的经济业态，而合成生物学被称为生物经济的新引擎。公开报道显示，2021年全年合成生物学领域融资超过了前十年，一批合成生物领域初创企业进入市场。

蔡满堂表示，合成生物是生物制造的基础技术，过去十多年，合成生物领域是一个比较热门的赛道，是面向未来的产业，也就意味着投资周期比较长，需要解决产业化的问题。蔡满堂比较看好大宗化学品领域的生物制造，因为市场规模比较大，产业化路径也更短一些，从投入到产出的效率更高一些。

九合创投于2021年投资的态创生物是全球首批实现多种物质量产的合成生物制造平台，已完成了从研发到生产全链路的技术覆盖。王啸表示，目前中国合成生物领域投资人更深入各家公司的技术细节，关注目标产物的产率和品质究竟如何、将替代或创造哪部分需求、市场占有率能达到多少等。合成生物公司要具备建厂量产和商业化的能力，才能跨越从分子细胞工厂到规模化量产的鸿沟。

Ivy表示，行业端，工业生产制造、农业生物技术、生物医药等都是合成生物学能直接应用的下游场景。受近两年疫情影响，发展速度因研发、实验室及工厂建设进度不如预期等等相对放缓。但头部企业还是保持了高速增长。绿洲投资的一兮生物等创业企业也进展顺利，并完成了新一轮的融资。合成生物最后还是落脚到生物制造端，行业中的企业也都在快速地推进量产的进程，中国在这个产业发展过程有望充分发挥制造的优势。

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