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新材料应用加速,资本纷纷入局

发布时间:2021-03-03

麦肯锡全球研究所在2020年6月发布的报告《The Bio Revolution: Innovations transforming economies, societies, and our lives》中指出,全球经济中高达60%的产品可以由生物生产,而生物经济既有的400个应用场景,将在未来10-20年产生高达4万亿美元的直接经济影响,其中一半以上来自医疗卫生以外的领域。



2020年12月,全球基因编辑食品相继获批上市,基因编辑的应用似乎比我们预计来得快。这为公司、消费者和研究人员提供了机遇,降低了监管层面的壁垒和阻碍。



农业上,通过基因编辑技术可提高植物生长和农业产量的合成代谢、减少农业肥料的使用、提高作物的营养价值甚至实现利用光自养系统生产药物、化妆品原料等。我国多位专家表示,基因编辑能提高我国种子竞争力。



农业农村部科技教育司二级巡视员张文称,当前,以全基因组选择育种、转基因技术、基因编辑等为代表的生物育种技术已成为国际育种的前沿和核心,正在蓬勃迅猛发展。中国科学院上海植物逆境生物学研究中心主任、美国科学院院士朱健康表示,99.9%的基因编辑都是以“做减法”的方式进行,简单的做减法就培育出高产、优质、抗病的品种。



2020年12月14日,美国基因编辑猪获批上市,既可食用也可用来生产医疗产品。科学家通过基因工程手段,敲除了在猪细胞表面添加α-半乳糖(Alpha-gal)的蛋白酶,那些对肉类过敏的人群从此可以放心安全地食用基因编辑猪。此外,“GalSafe猪”(α-半乳糖甘酵素分子安全猪)还可以用来生产类似于肝素的药物,它的组织和器官还可能潜在地解决患者接受异种器官移植后的免疫排斥问题。



日本也于2020年12月11日通过了国内首个基因编辑食品的销售申请。这是由日本筑波大学和企业共同研发的一种基因编辑番茄,含有更多营养成分γ-氨基丁酸,预计最早将于2022年上市销售。γ-氨基丁酸是哺乳动物中枢神经系统中重要的抑制性神经传递物质,具有稳定情绪等功效。



国际资本市场也又开始关注生物领域。2020年诺贝尔奖颁给基因编辑,无疑给大家注射了一支 “兴奋剂”。一些投资者,像青睐 IT 行业的软银孙正义和比尔盖茨等也把 IT 技术带到了合成生物学,给资本市场带来了很多的信心。



元气资本认为,与2020年大热的“植物肉”概念类似,国内合成生物、生物基产业已开始被广泛关注、价值潜力已开始被深度挖掘,未来势必将快速发展。



根据财经涂鸦与元气资本的相关文章可知,人造肉第一股Beyond Meat(BYND.US)于2019年上市。国内资本于2020年开始关注这一领域,星期零2020年获得来自光速中国、云九资本、经纬中国等机构的3次融资,并和德克士联名植物肉汉堡,推到德克士2600家门店。(参考文章《详解植物肉赛道:中国「玩家」走到哪了?》)



基因编辑与合成生物学:环境友好材料的解决方案



2021年1月1日是全国塑料吸管禁令生效的第一天,上海餐饮店纷纷改用可降解吸管代替普通塑料吸管,以响应我国政府规划中提出的2060 年实现“碳中和”的长远目标。



而PHA,全称“聚羟基脂肪酸酯”,正是天然微生物合成的一种新材料,它拥有绿色低碳的全生命周期和不亚于传统石化塑料的性能,是其有力的替代品,目前已被蓝晶微生物应用在纸塑复合材料和吸管中。



2020年6月,麦肯锡在《生物革命:创新将改变经济、社会和我们的生活》报告中提到合成生物产业的未来价值,“未来 10-20 年,4万亿美元的经济价值将由合成生物主导。”



那么,合成生物学和CRISPR基因编辑有什么关系呢?合成生物学是通过基因工程等手段对微生物进行基因编辑以设计出特定代谢途径生产化学品的一门学科,而CRISPR还会更上游一些,属于一种更为基础的技术。



合成生物学是21世纪初期新兴的生物技术研究领域,在基因测序和DNA合成成本呈现数量级下降、生物基因数据规模呈现数量级提升的基础上,通过整合数学、物理和计算机等理性工具对生物细胞进行有意图的设计和改造,从而获得生物学目标功能,有望解决药物开发、医学诊断、分子和材料创新、能源替代、环境保护、食品和农业技术升级等生物相关方面的一系列难题。



随着合成生物学的高速发展,对菌种进行基因改造的技术已相对成熟,经过特定基因编辑后的大肠杆菌和谷氨酸棒状菌已广泛用于 PHA、PHB、PLA、戊二胺、丁二酸等化学品的生产。



高效的工业菌是实现规模化生物发酵的第一步,也是基础,配合后续发酵过程和分离纯化过程的优化,生物基化学品成本下降才得以实现,成本竞争力才逐渐凸显。



近年来,全球资本市场越来越关注合成生物领域,2015年该领域公司融资规模达到10亿美元,而在2018年达到近40亿美元。包括微软、软银等在内的国际知名企业近年来都有持续投资。



传统的化学公司也已经开始转型布局生物学领域,说明生物合成产业的需求正在日益增长。杜邦公司以 63 亿美元收购了食品营养及生物公司Danisco;拜耳与Ginkgo Bioworks 共同投资1亿美元创建Joyn Bio;日本的住友、三井、日本化药公司和三菱,韩国LG化工以及荷兰的DSM等寻找转型的巨头,都相继瞄准了合成生物学领域。



华为创始人任正非曾在某座谈会上所说,“将来新材料会像基因编辑一样,通过编辑分子,就能出来比钢铁还硬的材料”。



事实上,凯赛生物也已经通过基因编辑的手段解决了关键新材料生物合成的技术瓶颈,并且实现了新材料的大规模产业化。



合成生物「第一股」凯赛生物



国内合成生物领域的公司凯赛生物(688065.SH),为该领域第一家申报科创板的企业。2021年1月15日,凯赛生物称,公司“年产4万吨生物法癸二酸项目”已经启动,预计2022年试车生产。正在调试过程的“乌苏生物基聚酰胺生产线”将于今年中期之前开始量产,产品应用领域包括纺丝、工程材料、复合材料等领域。此外,公司也正在积极研究设计构建可降解材料。



凯赛生物成立于2000年,是一家全球领先的利用生物制造规模化生产新型材料的公司。凯赛生物目前已经在长链二元酸、生物基聚酰胺等多个产品上实现商业化生产,公司的主要客户包括杜邦、艾曼斯、赢创、诺和诺德等全球著名化工、医药企业,生产的生物法长链二元酸系列产品在全球市场处于主导地位。



凯赛生物的主要创新点为现代基因工程编辑手段(如CRISPR/Cas9等)用于工业微生物代谢途径改造。随着基因技术的发展,通过基因编辑定向改变微生物的基因,使其能够生产特定的化学品,提高化学品的生产效率是生物法竞争力提升的根本。



凯赛生物已经通过基因编辑的手段解决了关键新材料生物合成的技术瓶颈,并且实现了新材料的大规模产业化。新材料代表着材料产业的最前沿科技,更是未来制造行业的发展方向。



“生物制造法”就是以生物质为原材料或运用生物方法,进行大规模物质加工与转化,为社会发展提供工业商品(如新材料产品),生产过程绿色、条件温和且具备经济性的一种制造方法。



凯赛生物对发酵菌种在基因工程层面进行改造,获取了具有产业化价值的用于生物法长链二元酸系列产品和生物基戊二胺产品生物转化的高效菌种。



2003年,凯赛生物用生物制造法开发出第一个产品二元酸。当时,杜邦是全球二元酸市场的主导者,有2万吨的产能。基于生物制造法的优势,凯赛生物的二元酸不仅质量可靠,而且一上市售价就比杜邦的产品便宜了三分之一。凯赛生物法产业化成功后不久,杜邦就将其经营二元酸业务的子公司英威达售卖给了科氏集团,迫使全球巨头杜邦完全放弃了二元酸业务。



利用合成生物学手段,开发微生物代谢途径和构建高效工程菌——该项核心技术体现的是凯赛生物对菌种的改造能力,公司对生物体基因组特定目标基因进行改造和修饰,以达到改造微生物代谢途径的目的,能够构建高效的工程菌,直接影响产品发酵转化成本。



生物法制造可以利用基因编辑技术,直接从源头上解决环保等问题。“比如在废水排放问题上,凯赛生物不是单纯开发或采用一个污水处理技术,而是通过基因编辑技术,直接减少生产过程中的污染排放。”刘修才说。



陆续尝试开发各种功能性生物材料,比如耐高温轻量化材料、汽车气囊、高铁减震垫板、跑道用塑胶、特殊功能性训练服装、高端箱包奢侈品等。



目前,凯赛生物已经用生物法做出来了尼龙510,并已经在手机支架、服装和食品包装膜上成功应用。



然而,如今限制生物材料行业发展的原因还很多:首先是转化效率和纯化技术仍面临挑战。此外,新型应用类生物材料目前还未成为主流;在材料聚合、生物发酵等方面,新材料进入市场仍受到很多阻力,除了性能开发外,使用端产生的阻力同样需要引起重视。



千亿蓝海生物基产业



环保与可持续发展,是当下及未来数十年少有的全球统一诉求。



在化石资源日益枯竭、CO2过度排放等造成的全球气候、环境危机背景下,转向低碳循环经济已成为全球共识,而生物基产业是其中重要一环。相较于传统石化产品,生物基产品包括生物燃料、化学品及材料等因具有碳减排、可再生、促发展等优势。以塑料为例,通过工程微生物改造可应用于生产PHA、PHB等多种材料。



据OECD预测,未来十年至少有20%的石化产品、约8000亿美元的石化产品可由生物基产品替代,目前替代率不到5%,缺口近6000亿美元。生物基化学品及材料代表着千亿规模新蓝海。



我国生物基行业上市公司有卓越新能(688196.SH)、梅花生物(600873.SH)、凯赛生物(688065.SH)、金丹科技(300829.SZ)、金发科技(600143.SH)等;非上市公司主要有蓝晶微生物、恩和生物和华恒生物(已过会)等。



蓝晶微生物专注于合成生物技术研发和创新应用,主要针对生物功能分子和新型功能材料为客户提供定制化研发方案,包括完全可降解生物材料PHA、植物天然药用分子和新型体外诊断试剂。公司在过去四年间,成功整合了合成生物学、发酵工程、材料科学和数字与自动化技术四大要素,构成了自己独特的创新平台优势。



不久前,蓝晶微生物于2021年2月完成了来自高瓴创投与光速中国的近2亿元人民币的B 轮融资,据悉,此次融到的资金将被用于公司的自主研发管线,即生物材料 PHA 年产万吨级工厂的建设、数字原生(digital born)研发平台的搭建和后续产品管线的研发推进。



目前,蓝晶微生物正在积极筹建工厂,以实现规模经济目标,形成 PHA 的全产业链闭环。公司在消费品领域合作的对象中不乏欧莱雅与德国默克这样的个护巨头;在医疗健康领域,公司正在开发一种避免饮酒对肝脏损伤的 “解酒微生物”。



PHA材料可作为石化合成塑料的可持续替代品,有着广泛的应用场景。不过,受制于其较高的成本,PHA 一直未能实现大规模的商业化生产。蓝晶微生物在整合多方面要素后所开发的 PHA 管线成功将 PHA的成本降低了一半。蓝晶微生物联合创始人李腾博士表示,“如果进一步扩大生产规模,PHA的成本还能够继续降低,逼近聚乙烯等目前常用塑料。”



高瓴资本联席首席投资官、高瓴创投生物医药与医疗器械负责人易诺青表示:“蓝晶微生物是全球第三、中国第一家显著降低PHA成本达到可规模化销售的公司。”



光速中国助理合伙人高健凯表示:“在商业应用领域,合成生物学市场预计到2025年将以近30%的CAGR高速增长。我们看好蓝晶团队出色的技术研发和应用能力,特别是其核心技术,在可降解塑料领域解决了多年来成本高、产量低、性能不稳定的难题,使得这一环保技术能取得突破性发展,无论对于商业应用还是绿色发展,都有着重大意义。”



华恒生物的科创板上市申请已于2020年6月10日获得受理。华恒生物以合成生物技术为核心,主要从事氨基酸及其衍生物产品研发、生产、销售的高新技术企业,主要产品包括丙氨酸系列产品、D-泛酸钙和α-熊果苷等,可应用于日化、医药及保健品、食品添加剂、饲料等众多领域。



2020年11月,合成生物技术平台恩和生物 Bota Biosciences,宣布完成由经纬中国领投,夏尔巴投资、BV百度风投等机构跟投的1500万美元A轮融资。



放眼全球,日本万字酱油公司也于2020年提到,未来将会使用微生物技术可用于调味料、饮料、医药品原料、豆奶、新材料等领域。

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