中投網2025-01-16 08:31 來源：中投網
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生物制造作為一種以工業生物技術為核心的先進生產方式，正在全球范圍內引領一場制造業的綠色革命。它融合了生物學、化學、工程學等多學科的知識和技術，通過生物體的機能進行大規模物質加工與物質轉化，為社會發展提供了豐富的工業商品。在中國，生物制造被列為重點發展的戰略性新興產業，是提升新質生產力的重要手段之一。本文將深入探討生物制造產業中的四大關鍵技術--基因編輯、細胞培養、生物信息學和合成生物學，分析這些技術的創新點及其在生物制造中的應用和前景。
一、基因編輯
基因編輯技術是一種革命性的手段，能夠直接在生物體的DNA序列上進行精確的修改。其核心目的在于修正、插入或刪除特定的基因片段，從而改變生物的遺傳特性。自21世紀初以來，基因編輯技術經歷了顯著的發展，其中CRISPR-Cas9系統因其高效性、精確性和相對簡便的操作流程而成為了最熱門且最廣泛使用的基因編輯工具。
（一）CRISPR-Cas9系統
CRISPR-Cas9系統的核心組件包括Cas9蛋白和CRISPR RNA（crRNA）與轉激活CRISPR RNA（tracrRNA）結合形成的單向導RNA（sgRNA）。Cas9蛋白擔任“分子剪刀”的角色，能夠在特定的DNA序列處進行切割。sgRNA則能夠引導Cas9蛋白找到并定位到特定的DNA序列進行切割。通過設計不同的sgRNA，CRISPR-Cas9系統可以被引導到基因組中的任何位置進行編輯。
CRISPR-Cas9技術的應用領域非常廣泛，包括遺傳疾病治療、作物改良、生物工程和基礎科學研究等。在生物制造中，基因編輯技術可以用于改造微生物、酶等生產工具，使其具備更高效的生產能力。例如，通過基因編輯技術，可以優化微生物的代謝途徑，提高其對特定底物的利用率和產物的產量。此外，基因編輯技術還可以用于構建具有特定功能的細胞工廠，用于生產復雜的生物活性分子和藥物。
據統計，全球基因編輯市場規模正在快速增長。根據CB Insight和BCG分析數據，全球合成生物學市場規模從2018年的53億美元增長到2023年的超過170億美元，年均增長率27%，預計2028年全球合成生物學市場規模近500億美元。基因編輯技術作為合成生物學的重要組成部分，其市場規模也將隨之不斷擴大。
（二）他基因編輯工具
除了CRISPR-Cas9系統外，還有其他基因編輯工具如TALEN和ZFN。TALEN技術利用TALEN蛋白進行基因編輯，其核心是DNA識別區域和核酸酶結構域。通過設計不同的DNA識別區域，TALEN蛋白可以定位到基因組的特定位置進行精準的基因編輯。ZFN技術則使用鋅指蛋白與DNA特定序列結合，并引導一個核酸酶到該位置進行切割。與CRISPR-Cas9相比，TALEN和ZFN的構建更為復雜，但在某些特定應用中仍然占有重要地位。
二、細胞培養
細胞培養技術是生物制藥工程中的關鍵技術之一，通過培養細胞來生產藥物。細胞培養技術包括細胞株的建立、細胞培養基的配制、培養條件的調控等方面。
（一）細胞株的建立
細胞株的建立是細胞培養技術的第一步。從原始細胞中選取出具有穩定特性的細胞，經過一系列的層次篩選和分離，培養出獨立的細胞株。細胞株的建立可以通過傳代培養和克隆培養兩種方法來實現。傳代培養是將細胞在適宜的培養條件下進行連續培養，使其不斷增殖并保持穩定。克隆培養則是通過單細胞分離技術，將單個細胞培養成獨立的細胞株。
（二）細胞培養基與培養條件
細胞培養基是支持細胞生長和繁殖的基礎，其組成非常復雜。常用的細胞培養基包括基礎培養基和增補培養基。基礎培養基提供細胞所需的基本營養物質，如氨基酸、脂質和激素等。增補培養基則是在基礎培養基的基礎上，根據細胞的特殊需求添加特定物質，如生長因子、抗生素等。
培養條件的調控對于細胞的生長和產物的生產具有重要影響。其中包括溫度、氧氣和二氧化碳氣體濃度、培養槽的攪拌速度、培養液的酸堿度等因素。通過合理調控這些因素，可以優化細胞生長環境，提高細胞繁殖和產物的產量。
（三）生物反應器
生物反應器是進行細胞培養的核心設備。常用的生物反應器包括批式培養槽、連續培養槽和氣液循環培養槽等。根據不同的細胞類型和工藝需求，選擇合適的生物反應器可以提高細胞培養的效率和產能。例如，在生物制藥工程中，大規模細胞培養技術的應用可以實現產業化生產，滿足市場對藥物的需求。
三、生物信息學
生物信息學技術是一門結合生物學、計算機科學和數學的跨學科學科，其主要目標是研究生物數據的存儲、管理、分析和應用。隨著生物科學的發展，生物信息學技術在生物研究和醫療創新中發揮著越來越重要的作用。
（一）生物數據庫
生物數據庫是生物信息學技術的重要組成部分，用于存儲、管理和分享生物數據。常見的生物數據庫包括基因組數據庫、蛋白質序列數據庫、基因表達數據庫和生物標志物數據庫等。這些數據庫提供了標準化的數據格式、搜索接口和數據下載服務，為生物信息學技術的分析和應用提供了方便的數據來源。
（二）生物信息學算法
生物信息學算法是生物信息學技術的核心部分，用于解決生物數據的復雜問題。常見的生物信息學算法包括序列比對和比較算法、基因預測算法、蛋白質結構預測算法、基因表達分析算法和生物網絡分析算法等。這些算法為生物信息學技術的分析和應用提供了有效的解決方案。
在生物制造中，生物信息學技術可以用于分析微生物的基因組和代謝途徑，優化生產條件，提高產物的產量和質量。此外，生物信息學技術還可以用于藥物研發，通過分析生物目標和小分子化合物數據，研究藥物的作用機制和潛在療效。
四、合成生物學
合成生物學是生物科學的一個分支，是指通過工程化的思路，對生物體功能代碼，如酶、合成途徑及底盤細胞的代謝調控網絡等進行重編以設計出帶有新型功能的生命體，并完成特定用途的學科。合成生物學與生物制造概念交叉，應用領域緊密融合。
（一）合成生物學在生物制造中的應用
在生物制造中，合成生物學可以用于設計和優化微生物的代謝途徑，提高其對特定底物的利用率和產物的產量。通過合成生物技術，可以對微生物、酶等生產工具進行改造，使其具備更高效的生產能力。例如，通過構建人工酵母菌，利用工業化發酵的方法可以在幾周內大量生產青蒿素等抗瘧藥物，大大提高了生產效率。
此外，合成生物學還可以用于開發全新的合成路線，以常見生物質廢料甚至二氧化碳為碳源，打破原料及產品的進口依賴。這不僅可以降低生產成本，還可以減少環境污染，實現可持續發展。
（二）合成生物學的市場前景
根據經濟合作組織及BCG等機構預測，到本世紀末，合成生物將廣泛應用在占全球產出1/3以上的制造業，市場規模將達30萬億美元。目前，全球合成生物學市場規模正在快速增長。根據CB Insight和BCG分析數據，全球合成生物學市場規模從2018年的53億美元增長到2023年的超過170億美元，年均增長率27%，預計2028年全球合成生物學市場規模近500億美元。
在中國，生物制造市場規模也在不斷擴大。根據易凱資本測算，2023年中國生物制造市場規模接近4200億元，未來十年保持接近17%高速增長，2033年市場將達到近2萬億元。這表明，合成生物學和生物制造產業在中國具有廣闊的發展前景和巨大的市場潛力。
五、總結
中投顧問產業研究院認為，生物制造產業作為戰略性新興產業，正在全球范圍內引領一場制造業的綠色革命。基因編輯、細胞培養、生物信息學和合成生物學作為生物制造產業的關鍵技術，正在不斷創新和發展，為生物制造提供了強大的技術支持。通過優化微生物的代謝途徑、提高產物的產量和質量、開發全新的合成路線等方式，生物制造正在推動制造業向更加環保、高效和可持續的方向發展。未來，隨著技術的不斷進步和市場的不斷擴大，生物制造產業將迎來更加廣闊的發展前景和更加豐富的應用場景。
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