在国家政策的引导下，全球合成生物学市场和初创公司日趋活跃，呈现高速增长趋势。随着政府和非政府组织在合成生物学领域的投入不断增加，DNA测序、编辑和合成技术不断完善，关键合成原料成本逐渐降低，平台型生物铸造厂设计制造新微生物的技术水平显著提高，更多突破自然生物系统局限、满足社会产业化需求的合成生物学应用不断涌现。其市场主要包括医疗应用、生物能源、化工材料、食品和农业环境，其中医疗领域占最大投资的近20%。此外，随着人口、环境和气候压力的不断增加，人们对粮食安全的关注和需求推动了合成生物学在粮食和农业领域的应用。据预测，2019-2024年，食品、饮料、消费品市场增速最快，达到60%，尤其是亚太地区，合成生物食品农业未来市场发展空间巨大。

（一）合成生物学为医疗健康提供经济有效的解决方案

在药物制造方面，尤以青蒿素和长春花碱等为代表的植物源性药物的供应链脆弱，易受流行病、气候、虫害和全球物流的影响，合成生物学为解决这一挑战提供了可用性较强的工具和方法。基于合成生物学技术，可以通过设计构建工程酵母来合成青蒿素，克服其传统提取方式存在价格、含量、产量和质量方面的问题。2022年9月，丹麦技术大学领导的国际科研团队使用高度工程化的酵母首次从头微生物合成长春碱和长春新碱以及体外化学偶联长春碱，展示出合成生物学在生物制药领域的广阔应用前景，并为缓解未来药品供应短缺提供了有效解决方案。

在健康设备方面，集成于微生物传感器、可穿戴设备、荧光成像仪等终端产品中合成生物学技术，有助于增强对人体生理状态、对疾病的感知和监测能力和对细菌、病毒等病原体的动态跟踪能力，以及发展更具优势的医疗成像技术等。2021年8月，美国哈佛大学研究团队将合成生物反应嵌入织物中，创造出可穿戴生物传感器，可定制检测病原体和毒素，并提醒穿戴者。利用该技术开发的带有冻干CRISPR传感器的口罩可在室温条件下90分钟内无创检测新冠病毒。此外，合成生物学与纳米生物技术交叉融合，通过基因编辑改造在活细胞中原位合成稳定性高、生物相容性好的荧光纳米材料，可实现对细胞内分子的荧光标记、成像及动态示踪，从而洞察关键分子活动，解析相关致病机理等。

（二）合成生物学变革粮食种植和食物生产方式

在农业植保方面，合成生物学可以开发改善二氧化碳固定和碳保存的合成代谢途径，从而提升光合作用效率；对作物中固氮工程进行改造并构建合成植物微生物群落，以减少农业中天然肥料和合成肥料的使用；将光自养生物作为生产平台，实现作物产量提升、可再生原料转化等商业价值。

在食品工业方面，合成生物学可构建细胞农业，创建适用于食品工业的细胞工厂，通过精密发酵方法在生物反应器中生产动物蛋白质，使肉、蛋、奶制品和各种动物产品均可在没有动物的情况下生产。2020年8月，英国肉类培植公司Higher Steaks将动物身上的细胞放置于生长培养基进行扩增，并引导其成为肌肉、脂肪和其他类型的生物组织，最终加工获取所需肉制品；2021年9月，日本大阪大学科学家采用干细胞提取法，从牛身上分离出牛肌肉卫星细胞和脂肪干细胞，孵育并诱导其成为可生成肌肉、脂肪和血管所需的纤维组织，并将3D打印出的肌肉纤维、脂肪组织、毛细血管束制成直径5毫米、全长15毫米的肉块。

在科学育种方面，基于合成生物学可进行植物株型调控机制研究，培育出氮高效利用、耐低温、抗旱、耐盐碱、抗病具有重大育种价值的新基因，克服传统品种表型培育周期长、效率低、成本高、易受环境气候等影响，并在育种中逐步加以利用。2021年6月，美国农业生物科学公司Yield10 Bioscience基于GRAIN算法挖掘出四个让camelina 籽含油量提高的基因，利用CRISPR技术提高该基因活性后成功使其含油量提升10%。

（三）合成生物学能够以更低价格生产更多生物燃料

生物燃料是缓解环境污染和能源危机、实现经济社会可持续发展的重要选择，合成生物学技术的快速发展为构建性能优良的合成微生物、降低生物燃料的生产成本，以及实现合成生物能源的高效生产提供了重要支撑。美国能源部资助的联合生物能源研究所（JBEI）专注于生产非食品木质纤维素生物质衍生的基础设施兼容生物燃料。2021年8月，JBEI与美国可再生能源公司CE+P合作，支持新技术和工艺的开发，将甘蔗作物的副产品分解为更低碳能源产品的来源，包括先进的纤维素乙醇。此外，多国科学家还开展了以蓝藻作为微生物光合平台合成生物燃料的探索，利用合成生物学的技术原理引入外源代谢途径或修饰天然代谢系统，合成了生物乙醇、生物柴油、高级醇等生物液体燃料、生物电等多种合成生物能源。2022年10月，美国家科学基金会和美国能源部生物能源技术办公室合作资助6个有助于生产可再生生物化学品和生物燃料的研发项目，以促进美国生物经济。

（四）合成生物学助力工业新材料的研发和生产

利用合成生物学平台可以创造出新的更高阶材料及其组成部分，从生物学中遗传编码和生成先进材料。通过控制和设计底物的转化，还能够制造出自然界不存在的生物材料，满足工业和临床的多种需求。此外，使用合成生物学平台结合其他能力平台（如增材制造）生产的材料，可用于制造多组分、多功能和新型复合材料。2018年，德国弗莱堡大学的研究人员受合成生物学使用简单结构来创建复杂响应系统的启发，设计出能够处理信息并执行诸如检测酶或小分子等任务的智能生物杂交材料。2021年10月，美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家首次创造出自然界无法自然合成的人工金属酶及其产物，进一步拓展了合成生物学的边界，为生产化工、医药用品等提供更绿色、可持续的方式，还可用于制造聚合物、可再生塑料、生物燃料等一系列生活用品。

总结

当前，人类健康和社会经济面临粮食危机、环境恶化、重大疾病、能源危机等威胁，合成生物学作为一项底层技术和一种新的生产方式，能够补充和替代现有的工业生产方式，为人类克服诸多挑战带来了新策略和新技术。在全球低碳发展的大趋势下，合成生物学将成为人类可持续发展的必备工具。由合成生物学驱动的下一代生物制造将带来新的优势： 一是替代化学合成或天然提取的原有制造路线，提高生产效率和经济效益； 二是创造疗效更好的药品、性能优越的化学品或材料等新产品的潜力； 三是实现可持续的循环生产模式，使用可再生生物质原料，显著减少对化石燃料的依赖。随着合成生物学在理论和技术上不断取得突破，全国科研投入的持续增长以及DNA测序等技术成本降低，合成生物学的应用范围逐渐拓宽，市场规模也不断扩大，对医疗健康、科研、化学品、食品和饮料、环境监控及农业等领域产生深远影响。

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