生物制造被認為具有引領“第四次工業革命”的潛力，市場規模將達到萬億級別，是世界各國競爭的熱點。近年來，世界主要經濟體將發展生物制造視為未來生物經濟發展的關鍵力量，從頂層設計、基礎設施、產業布局、多邊合作等方面加強部署，加快鍛造生物技術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生產力提供決策參考。
一、世界主要經濟體加碼發力，搶占生物制造賽道制高點
（一）以戰略布局為統領，謀求塑造生物制造競爭新優勢
世界各主要經濟體將生物制造置于國家戰略地位，加強布局與投入力度，紛紛強化頂層設計，指引產業發展。美國繼2022年總統拜登簽署“關于推進生物技術和生物制造創新以實現可持續、安全和有保障的美國生物經濟”行政令，2023年發布“美國生物技術和生物制造的遠大目標和優先事項”后，白宮于2024年2月更新《關鍵和新興技術清單》，明確列出生物制造和生物加工技術，以及多項生物制造的底層技術，如新型合成生物學等；9月戰略風險委員會（Council on Strategic Risks）發布《應對未來生物威脅的生物制造計劃》，提出要響應和滿足由威脅驅動的緊急政府需求，就必須建立靈活、適應性強并能以分布式方式快速大量生產的制造系統。英國科學、創新和研究部（DSIT）2023年12月宣布《工程生物學的國家愿景》，制定了10年戰略計劃，投入20億英鎊支持工程生物學，旨在利用生物學提供新的醫學療法、作物品種、環保燃料和化學品，鞏固其科技大國地位。韓國產業通商資源部2023年7月發布“生物經濟2.0”推進方向，強調將生物制造、生物材料、生物能源、數字技術作為推動生物制藥行業的四個“輪子”。
（二）以資金支持為手段，夯實生物制造設施基礎能力保障
2024年2月29日，英國研究與創新署(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,旨在激發英國可持續生物制造的創新發展、基礎設施建設、商業化應用。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域的研究和發展。同期美國國防部計劃未來5年內投入10億美元建設國家生物工業制造基礎設施，首個資助獎項“分布式生物工業制造計劃”旨在支持擴大生物制造供應鏈中原料等前體供應。加拿大政府也積極投資建設生物制造設施，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，建設先進的良好生產規范(GMP)生物制造設施，新設施將主要用于生產細胞治療、組織工程、免疫治療、基因治療和再生醫學等領域的產品。
（三）以領域應用為牽引，打造先進的生物制造產業生態
生物制造的各細分應用領域內，生物醫藥是目前最成熟、市場規模最大的細分領域；生物化工規模較小，但發展速度快，具有較大的增長空間；生物能源則是實現能源轉型、應對氣候變化的重要選擇。美國推動生物醫藥、生物農業、生物工業制造、生物能源等重點應用領域齊頭并進，2023年工業生物經濟（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）、創造64.39萬個就業崗位，已成為其經濟發展和就業增長的重要推動力。歐盟著力圍繞生物基產品發力，通過規范公共采購中生物基含量要求、明確生物基產品標識等多種途徑，引導消費者強化對相關產品的信任，探索從需求端刺激生物技術和生物制造產品的市場發展。韓國依托龍頭企業帶動，加速提升生物化工制造領域的產業化能力，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10億美元建設基于合成生物技術的生物基BDO(1,4-丁二醇)工廠，規劃產能20萬噸/年。
（四）以多邊合作為延伸，加快構建生物制造產業鏈聯盟
2023年6月，美國和英國共同宣布“大西洋宣言：21世紀美英經濟伙伴關系框架”，表明兩國在合成生物學領域深化合作，通過改善生物制造和生物技術供應鏈促進兩國經濟安全。2023年9月和12月，美國國家科學基金會分別與印度生物技術部、韓國科學技術信息通信部達成協議，促進雙邊在生物技術和生物制造創新領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盟，旨在構建可靠、可持續發展的生物制藥供應鏈。
二、前沿技術成果不斷涌現，重點產業領域應用進展提速
（一）基因編輯等技術更加精準有效，在醫學領域應用取得新成效
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，基因編輯技術的創新應用步入新時代。2024年以來，多項新基因編輯技術、RNA技術問世。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，通過該“RNA橋”引導可編程重組酶，能夠在指定的基因組位點執行插入、倒位或刪除DNA序列的操作，提供了比現有CRISPR-Cas9系統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，加州大學圣地亞哥分校的研究人員發現自私基因元素在噬菌體競爭中起著至關重要的作用,“移動內含子”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勢。2024年7月22日《Nature Biotechnology》報道，哈佛醫學院和麻省總醫院的研究團隊開發了一種新型的基因編輯技術即點擊編輯技術(Click editing,CE)，克服了傳統CRISPR技術的局限性。2024年7月12日《Nature Biotechnology》報道,美國哈佛醫學院George Church團隊開發了一種RNA酶促合成新方法，為在CRISPR-Cas基因編輯療法中制造高質量的向導RNA(gRNA)提供了可能性。
（二）新型合成生物學成為最活躍領域之一，賦能生物制造提質增效
在醫學領域，合成生物學可用于同時開發針對多種病毒株的通用流感疫苗開發，在藥物靶點發現和新藥創制過程中更加迅速、高效且更具有成本優勢，為開發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，美國哈佛醫學院設計出不會感染任何病毒也不會逃逸到自然環境中的細菌，可用于開發合成藥物和生物燃料。在農業領域，合成生物技術能夠通過工程微生物幫助作物實現最佳生長，并且能夠減少甲烷的排放，促進農業和畜牧業可持續發展。2024年5月15日，Circe Bioscience公司宣布商業化的新型生物生產技術，利用合成生物學原理，將溫室氣體二氧化碳轉化為具有高經濟價值的脂肪產品，能夠顯著降低食品、航空燃料等多個行業的碳排放。在化工領域，合成生物技術能夠改變傳統的制造模式，減少對環境污染和資源浪費。2024年7月17日《Nature》報道,法國生物技術公司Carbios與法國圖盧茲大學研究者發現了通過將工程酶嵌入聚乳酸(PLA)塑料中來實現其自降解的方法，在工業生產中具有極高的實用性和便利性。
（三）生物技術與人工智能技術縱深融合，體系化賦能生物制造全流程
在產品研發環節，基于AI技術可對生物分子進行精準設計和改造，加速新產品的研發進程，提高產品的性能和穩定性。2024年3月28日《Nature Nanotechnology》報道，美國馬里蘭大學的研究者開發了結合AI、機器學習、分子模擬和自動化技術的創新方法，用以加速生物降解塑料替代品的發現和優化。在工藝設計環節，AI技術支持生物制造產業向生物系統精準化設計、個性化定制等方向發展。2024年7月，合成生物學領域先驅公司Asimov宣布推出其第四代CHO Edge系統，集成了人工智能模型來預測信號肽裂解、RNA剪接和上游工藝優化，持續打造用于編程活細胞的全棧基因線路設計平臺。在生產環節，通過實時監測生產數據、分析生產趨勢、預測生產結果等手段，可以優化生物制造生產流程、提高生產效率、降低生產風險。美國國防部2023年資助愛荷華州立大學牽頭，研發基于通用機器學習框架的產品質量傳感器，實現對規模化生產生物反應器的優化和控制，提高產品質量。
三、總結與展望
生物制造作為提升經濟競爭力的著力點，也是我國繼綠色制造、智能制造后，推進制造強國建設的又一重要抓手。為構建從原料供應、技術研發、產品制造到市場應用的生物制造完整產業鏈條，加速推動我國生物制造產業規模實現跨越式增長，提出建議如下：
加大生物制造工業設施的建設支持力度。支持生物制造細分行業龍頭企業、科研院所、高等學校、投資機構等加強合作，在小試、中試的基礎上，逐步搭建滿足工業級需求的大規模、標準化生物制造設施。鼓勵加大在工業菌株設計、底盤細胞改造、生物反應器研制等方面的資金及人才投入力度，夯實生物制造工業設施關鍵配套的支撐。
重視前沿新興技術的創新驅動作用。加快發展自主可控的基因編輯技術、合成生物技術等，實現對生物體遺傳信息的精確調控，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和生物制造中的應用，生成具有創新性和實用性的生物設計方案，進一步提升新藥及生物材料的研發效率。
完善生物制造細分領域應用落地的配套支持。建議率先圍繞生物基產品、生物能源等重點領域，加快完善相關產品的標準規范和準入體系，研究制定需求端的引導和激勵政策。支持有條件的地區率先開展“先行先試”，簡化生物制造產品的監管框架，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，高級經濟師，長期關注研究生物經濟領域
李彤彤，長期關注研究生物經濟領域
