生物制造被認為具有引領(lǐng)“第四次工業(yè)革命”的潛力，市場規(guī)模將達到萬億級別，是世界各國競爭的熱點。近年來，世界主要經(jīng)濟體將發(fā)展生物制造視為未來生物經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵力量，從頂層設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)布局、多邊合作等方面加強部署，加快鍛造生物技術(shù)和生物制造的變革力量。本文將對近兩年來全球生物制造發(fā)展的新進展、新趨勢進行梳理，旨在為加快培育生物制造新質(zhì)生產(chǎn)力提供決策參考。
一、世界主要經(jīng)濟體加碼發(fā)力，搶占生物制造賽道制高點
（一）以戰(zhàn)略布局為統(tǒng)領(lǐng)，謀求塑造生物制造競爭新優(yōu)勢
世界各主要經(jīng)濟體將生物制造置于國家戰(zhàn)略地位，加強布局與投入力度，紛紛強化頂層設(shè)計，指引產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國繼2022年總統(tǒng)拜登簽署“關(guān)于推進生物技術(shù)和生物制造創(chuàng)新以實現(xiàn)可持續(xù)、安全和有保障的美國生物經(jīng)濟”行政令，2023年發(fā)布“美國生物技術(shù)和生物制造的遠大目標和優(yōu)先事項”后，白宮于2024年2月更新《關(guān)鍵和新興技術(shù)清單》，明確列出生物制造和生物加工技術(shù)，以及多項生物制造的底層技術(shù)，如新型合成生物學(xué)等；9月戰(zhàn)略風(fēng)險委員會（Council on Strategic Risks）發(fā)布《應(yīng)對未來生物威脅的生物制造計劃》，提出要響應(yīng)和滿足由威脅驅(qū)動的緊急政府需求，就必須建立靈活、適應(yīng)性強并能以分布式方式快速大量生產(chǎn)的制造系統(tǒng)。英國科學(xué)、創(chuàng)新和研究部（DSIT）2023年12月宣布《工程生物學(xué)的國家愿景》，制定了10年戰(zhàn)略計劃，投入20億英鎊支持工程生物學(xué)，旨在利用生物學(xué)提供新的醫(yī)學(xué)療法、作物品種、環(huán)保燃料和化學(xué)品，鞏固其科技大國地位。韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部2023年7月發(fā)布“生物經(jīng)濟2.0”推進方向，強調(diào)將生物制造、生物材料、生物能源、數(shù)字技術(shù)作為推動生物制藥行業(yè)的四個“輪子”。
（二）以資金支持為手段，夯實生物制造設(shè)施基礎(chǔ)能力保障
2024年2月29日，英國研究與創(chuàng)新署(UK Research and Innovation，UKRI)宣布提供1150萬英鎊支持21項生物材料與生物制造項目,旨在激發(fā)英國可持續(xù)生物制造的創(chuàng)新發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、商業(yè)化應(yīng)用。2024年7月2日，美國拜登政府宣布將為全國12個科技中心提供總計5.04億美元的補貼資金,旨在促進生物制造、量子運算、人工智能、鋰電池和電腦芯片等領(lǐng)域的研究和發(fā)展。同期美國國防部計劃未來5年內(nèi)投入10億美元建設(shè)國家生物工業(yè)制造基礎(chǔ)設(shè)施，首個資助獎項“分布式生物工業(yè)制造計劃”旨在支持擴大生物制造供應(yīng)鏈中原料等前體供應(yīng)。加拿大政府也積極投資建設(shè)生物制造設(shè)施，2024年7月9日宣布通過向生物科技公司STEMCELL Technologies投資2250萬加元，建設(shè)先進的良好生產(chǎn)規(guī)范(GMP)生物制造設(shè)施，新設(shè)施將主要用于生產(chǎn)細胞治療、組織工程、免疫治療、基因治療和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的產(chǎn)品。
（三）以領(lǐng)域應(yīng)用為牽引，打造先進的生物制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)
生物制造的各細分應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，生物醫(yī)藥是目前最成熟、市場規(guī)模最大的細分領(lǐng)域；生物化工規(guī)模較小，但發(fā)展速度快，具有較大的增長空間；生物能源則是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型、應(yīng)對氣候變化的重要選擇。美國推動生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物工業(yè)制造、生物能源等重點應(yīng)用領(lǐng)域齊頭并進，2023年工業(yè)生物經(jīng)濟（生物制造）為美國GDP貢獻了2104億美元（約合人民幣1.53萬億元）、創(chuàng)造64.39萬個就業(yè)崗位，已成為其經(jīng)濟發(fā)展和就業(yè)增長的重要推動力。歐盟著力圍繞生物基產(chǎn)品發(fā)力，通過規(guī)范公共采購中生物基含量要求、明確生物基產(chǎn)品標識等多種途徑，引導(dǎo)消費者強化對相關(guān)產(chǎn)品的信任，探索從需求端刺激生物技術(shù)和生物制造產(chǎn)品的市場發(fā)展。韓國依托龍頭企業(yè)帶動，加速提升生物化工制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化能力，如，韓國曉星TNC（世界上最大的氨綸制造商）于2024年4月宣布將在越南投資10億美元建設(shè)基于合成生物技術(shù)的生物基BDO(1,4-丁二醇)工廠，規(guī)劃產(chǎn)能20萬噸/年。
（四）以多邊合作為延伸，加快構(gòu)建生物制造產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟
2023年6月，美國和英國共同宣布“大西洋宣言：21世紀美英經(jīng)濟伙伴關(guān)系框架”，表明兩國在合成生物學(xué)領(lǐng)域深化合作，通過改善生物制造和生物技術(shù)供應(yīng)鏈促進兩國經(jīng)濟安全。2023年9月和12月，美國國家科學(xué)基金會分別與印度生物技術(shù)部、韓國科學(xué)技術(shù)信息通信部達成協(xié)議，促進雙邊在生物技術(shù)和生物制造創(chuàng)新領(lǐng)域的啟動科技研究合作。2024年6月，美國、歐盟、印度、日本和韓國成立生物制藥聯(lián)盟，旨在構(gòu)建可靠、可持續(xù)發(fā)展的生物制藥供應(yīng)鏈。
二、前沿技術(shù)成果不斷涌現(xiàn)，重點產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用進展提速
（一）基因編輯等技術(shù)更加精準有效，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用取得新成效
隨著2023年底美國FDA首次批準基于CRISPR療法用于人類疾病治療，基因編輯技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用步入新時代。2024年以來，多項新基因編輯技術(shù)、RNA技術(shù)問世。2024年6月26日《Nature》的一篇論文介紹了使用“RNA橋”的新型基因組編輯技術(shù)，通過該“RNA橋”引導(dǎo)可編程重組酶，能夠在指定的基因組位點執(zhí)行插入、倒位或刪除DNA序列的操作，提供了比現(xiàn)有CRISPR-Cas9系統(tǒng)更為精準有效的基因組重排方法，有望簡化基因編輯過程。2024年7月4日《Science》報道，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)自私基因元素在噬菌體競爭中起著至關(guān)重要的作用,“移動內(nèi)含子”通過切斷競爭病毒的基因組來阻止其繁殖，從而為宿主病毒提供了競爭優(yōu)勢。2024年7月22日《Nature Biotechnology》報道，哈佛醫(yī)學(xué)院和麻省總醫(yī)院的研究團隊開發(fā)了一種新型的基因編輯技術(shù)即點擊編輯技術(shù)(Click editing,CE)，克服了傳統(tǒng)CRISPR技術(shù)的局限性。2024年7月12日《Nature Biotechnology》報道,美國哈佛醫(yī)學(xué)院George Church團隊開發(fā)了一種RNA酶促合成新方法，為在CRISPR-Cas基因編輯療法中制造高質(zhì)量的向?qū)NA(gRNA)提供了可能性。
（二）新型合成生物學(xué)成為最活躍領(lǐng)域之一，賦能生物制造提質(zhì)增效
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，合成生物學(xué)可用于同時開發(fā)針對多種病毒株的通用流感疫苗開發(fā)，在藥物靶點發(fā)現(xiàn)和新藥創(chuàng)制過程中更加迅速、高效且更具有成本優(yōu)勢，為開發(fā)高度特異性的新型診斷測試和治療方法提供了更多可能性。2023年3月，美國哈佛醫(yī)學(xué)院設(shè)計出不會感染任何病毒也不會逃逸到自然環(huán)境中的細菌，可用于開發(fā)合成藥物和生物燃料。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，合成生物技術(shù)能夠通過工程微生物幫助作物實現(xiàn)最佳生長，并且能夠減少甲烷的排放，促進農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。2024年5月15日，Circe Bioscience公司宣布商業(yè)化的新型生物生產(chǎn)技術(shù)，利用合成生物學(xué)原理，將溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高經(jīng)濟價值的脂肪產(chǎn)品，能夠顯著降低食品、航空燃料等多個行業(yè)的碳排放。在化工領(lǐng)域，合成生物技術(shù)能夠改變傳統(tǒng)的制造模式，減少對環(huán)境污染和資源浪費。2024年7月17日《Nature》報道,法國生物技術(shù)公司Carbios與法國圖盧茲大學(xué)研究者發(fā)現(xiàn)了通過將工程酶嵌入聚乳酸(PLA)塑料中來實現(xiàn)其自降解的方法，在工業(yè)生產(chǎn)中具有極高的實用性和便利性。
（三）生物技術(shù)與人工智能技術(shù)縱深融合，體系化賦能生物制造全流程
在產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)，基于AI技術(shù)可對生物分子進行精準設(shè)計和改造，加速新產(chǎn)品的研發(fā)進程，提高產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。2024年3月28日《Nature Nanotechnology》報道，美國馬里蘭大學(xué)的研究者開發(fā)了結(jié)合AI、機器學(xué)習(xí)、分子模擬和自動化技術(shù)的創(chuàng)新方法，用以加速生物降解塑料替代品的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化。在工藝設(shè)計環(huán)節(jié)，AI技術(shù)支持生物制造產(chǎn)業(yè)向生物系統(tǒng)精準化設(shè)計、個性化定制等方向發(fā)展。2024年7月，合成生物學(xué)領(lǐng)域先驅(qū)公司Asimov宣布推出其第四代CHO Edge系統(tǒng)，集成了人工智能模型來預(yù)測信號肽裂解、RNA剪接和上游工藝優(yōu)化，持續(xù)打造用于編程活細胞的全棧基因線路設(shè)計平臺。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過實時監(jiān)測生產(chǎn)數(shù)據(jù)、分析生產(chǎn)趨勢、預(yù)測生產(chǎn)結(jié)果等手段，可以優(yōu)化生物制造生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)風(fēng)險。美國國防部2023年資助愛荷華州立大學(xué)牽頭，研發(fā)基于通用機器學(xué)習(xí)框架的產(chǎn)品質(zhì)量傳感器，實現(xiàn)對規(guī)模化生產(chǎn)生物反應(yīng)器的優(yōu)化和控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
三、總結(jié)與展望
生物制造作為提升經(jīng)濟競爭力的著力點，也是我國繼綠色制造、智能制造后，推進制造強國建設(shè)的又一重要抓手。為構(gòu)建從原料供應(yīng)、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品制造到市場應(yīng)用的生物制造完整產(chǎn)業(yè)鏈條，加速推動我國生物制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)跨越式增長，提出建議如下：
加大生物制造工業(yè)設(shè)施的建設(shè)支持力度。支持生物制造細分行業(yè)龍頭企業(yè)、科研院所、高等學(xué)校、投資機構(gòu)等加強合作，在小試、中試的基礎(chǔ)上，逐步搭建滿足工業(yè)級需求的大規(guī)模、標準化生物制造設(shè)施。鼓勵加大在工業(yè)菌株設(shè)計、底盤細胞改造、生物反應(yīng)器研制等方面的資金及人才投入力度，夯實生物制造工業(yè)設(shè)施關(guān)鍵配套的支撐。
重視前沿新興技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動作用。加快發(fā)展自主可控的基因編輯技術(shù)、合成生物技術(shù)等，實現(xiàn)對生物體遺傳信息的精確調(diào)控，為生物制造提供豐富的基因資源和定制化的生物元件。探索推進生成式人工智能在生物技術(shù)和生物制造中的應(yīng)用，生成具有創(chuàng)新性和實用性的生物設(shè)計方案，進一步提升新藥及生物材料的研發(fā)效率。
完善生物制造細分領(lǐng)域應(yīng)用落地的配套支持。建議率先圍繞生物基產(chǎn)品、生物能源等重點領(lǐng)域，加快完善相關(guān)產(chǎn)品的標準規(guī)范和準入體系，研究制定需求端的引導(dǎo)和激勵政策。支持有條件的地區(qū)率先開展“先行先試”，簡化生物制造產(chǎn)品的監(jiān)管框架，加快市場準入。
參考文獻
[1] Zhang Y, Sun T, Liu L, et al. Engineering a solar formic acid/pentose (SFAP) pathway in Escherichia coli for lactic acid production. Metabolic Engineering 83 (2024): 150-159.
[2] Li, Ning, et al. Selective lignin arylation for biomass fractionation and benign bisphenols. Nature (2024): 1-6.
[3] Durrant, Matthew G., et al. Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA. Nature 630.8018 (2024): 984-993.
[4] Hiraizumi, Masahiro, et al. Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination. Nature 630.8018 (2024): 994-1002.
[5] Shapson-Coe A, Januszewski M, Berger D R, et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution[J]. Science, 2024, 384(6696): eadk4858.
[6] Erica A. Birkholz et al.,An intron endonuclease facilitates interference competition between coinfecting viruses. Science385, 105-112(2024).
[7] Ferreira da Silva, J., Tou, C.J., King, E.M. et al. Click editing enables programmable genome writing using DNA polymerases and HUH endonucleases. Nat Biotechnol (2024).
[8] Guicherd, M., Ben Khaled, M., Guéroult, M. et al. An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic. Nature 631, 884–890 (2024).
作 者
蘭國威，高級經(jīng)濟師，長期關(guān)注研究生物經(jīng)濟領(lǐng)域
李彤彤，長期關(guān)注研究生物經(jīng)濟領(lǐng)域
