理特咨询-合成生物学的勇敢新世界（英译中）

报告报告勇敢的新世界合成生物学重大影响、重大挑战“我不能创造的东西，我不明白。——理查德·费曼，理论物理学家蓝移报告合成生物学的勇敢新世界重大影响、重大挑战AuthorsAlbertMeige博士，蓝移主任，ArthurD.LittleRickEagar，名誉合伙人，ArthurD.Little博士UlricaSehlstedt，执行合伙人，ArthurD.Little博士FranziskaThomas，合伙人，ArthurD.LittleSimonNorman,经理,ArthurDLittleMinJiKim,经理,ArthurDLittleClaudiaNichterlein，经理，ArthurD.LittleNickBloser，业务分析师，ArthurD.Little艺术家在驻地哲学家-residenceDarianMeacham，马斯特里赫特大学3-CONTENT-1.什么是合成生物学2.科学与技术景观24插曲#1:进化美学-交叉艺术与科学的语言细胞36围绕SynBio66的道德问题工具和技术玩家80附录2：示例SynBio应用程序玩家865蓝移蓝移/报告005执行摘要虽然20世纪在许多方面都是化学工业化的世纪，但21世纪有望在生物学领域进行类似的革命。革命的基础始于20世纪50年代DNA的发现，并扩展到有助于理解、分析和操纵我们的遗传密码以及蛋白质，最终是人类生物学基础并延伸到我们周围宇宙的细胞和器官的核心技术。这些发现导致了许多突破性的发现，以及理解、检测和治疗疾病的潜力。我们也越来越多地看到在生命科学之外的广泛领域中使用的生物系统。近年来，讨论越来越多地集中在合成生物学或SynBio上，该术语是在1980年代创造的，当时科学家BarbaraHobom用它来描述使用重组DNA技术进行基因工程改造的细菌。此后，该术语发生了显着变化，被更广泛地使用，有时甚至引起争议。虽然SynBio已经增加了我们对生物系统的理解，并导致了新的工具用于它们的操作和诊断的可用性，但计算能力和人工智能（AI）等工具的开发的最新进展和机器学习（ML）正在导致进一步的快速加速6蓝移蓝移/报告005SynBio在其潜在应用的广度上是独一无这些影响有可能在许多行业领域产生颠覆性影响——不仅仅是医疗保健和生命科学、食品和农业，还有工业、化工、制造业、消费品、能源和IT。随着跨多个学科和生态系统的影响越来越大，人们越来越需要围绕SyBio对社会的影响进行交流和批判性论述。虽然SyBio提供了生产牛奶或肉类等不含动物及其相关环境影响的食品的潜力，但我们需要更好的监管来控制质量和安全，并需要了解该领域的全球和经济影响。最近的例子，例如HeLa细胞案以及围绕黄金大米或我们所谓的“牛奶”的辩论，表明我们需要更好地解决一些基本问题：谁拥有基因或细胞？作为一个社会，我们愿意接受什么样的变化水平和速度？这些新技术的风险是什么？尽管基因和细胞疗法为治愈严重的衰弱疾病提供了机会，例如肌营养不良或血友病，.例如，创新已经能够合成人类胚胎。这些对我们未来的发展有什么影响？基于广泛的ArthrD.在SyBio技术和应用的28位全球专家的调查和访谈支持下,本报告旨在全面概述SyBio的现状和前景。包括它的组成、技术发展的现状、现有的发展市场和关键参与者的格局、当前和未来的应用，以及企业应该如何为未来做好准备。总的来说，我们得出的结论是：。-SynBio是一个非常多样化的领域。SynBio在其潜在应用的广度-从医疗保健到食品、制造、工业加工，甚至数字产业。其技术的成熟度范围从胚胎到完全商业化。在考虑其前景，重要的是采取足够精细的方法。-SynBio技术可能会在20年的时间框架内产生巨大的转型影响。预测性等技术基因工程，复杂生物的DNA合成，基于DNA的存储和AI驱动的应用可以改变我们的行业，我们对生命系统的工程能力，以及我们如何应对气候变化。蓝移蓝移/报告005-许多SynBio应用程序都准备增长。SynBio的预测增长率为到2030年复合年增长率>20%总的来说,尤其是在医疗保健和生命科学以及食品和农业方面。无论是在技术推动(增加投资、降低技术成本、不断增长的生态系统)还是市场拉动(尤其是可持续性、医疗保健需求和制造效率)方面，增长动力都很强劲。预计当前市场将从周围增长2023年为150亿美元，到2030年为700亿美元。也许更重要的是，如果目前开发的SynBio技术成功成熟，SynBio可能会产生巨大的影响，破坏包括15%-20%未来几十年全球几个领域的产出，包括：在许多SynBio应用程序中，开发已经进-医疗保健和生命科学。广泛的应用领域可以实现个性化和潜在的治愈性治疗以及在诊断和药物设计和开发方面的改进。在未来，我们期望更复杂的治疗方法，更好地保护免受更多疾病的侵害，以及在退行性疾病和遗传疾病方面的新应用。-粮食和农业。应用广泛，从作物驯化到合成食品和生物修复，预计未来几年将在所有这些领域取得进一步发展。-工业和消费品。应用包括新型/特种产品，原材料替代，可持续性,和过程性能改进。-能源。应用包括生物燃料，生物电，生物电池，修复和工艺改进传统燃料。-IT和技术部门。基于DNA的数据存储是最有前途的研究领域,但仍然只是在证明-概念（PoC）阶段。-挑战和障碍仍然很高，有几个关键的不确定性。在许多SynBio应用程序中，开发几十年来一直在持续，通常更多的是由技术推动而不是市场拉动驱动。关键的不确定性包括技能/能力差距，实现工具集的标准化和知识库的系统化，不利的公众看法，道德/生物安全问题，资金和投资的可得性，难以扩大生产水平以及与传统技术相比的经济性差，这可能会阻碍市场增长。8蓝移蓝移/报告005-公司应确保适当的SynBio战略到位。鉴于强大的驱动力，加速技术发展，以及潜在的巨大影响，公司应该为突破带来的指数增长做好准备。鉴于其多样性，公司需要仔细考虑哪些领域与其业务相关，并进行现实的基于市场的评估。关键步骤包括：公司应该做好准备突破可能导致的指数增1.确定潜在的机会。指出当前或设想的未来SynBio技术可能中断或创造新机会的业务领域。考虑SynBio如何增强当前性能，启用新产品或流程，增强可持续性和/或提高效率或定制。2.评估吸引力并制定策略。采取市场主导的方法来评估潜在的业务案例,并制定基于情景的战略，同时考虑到需要克服的障碍和仍然存在的关键不确定性。3.发展能力。了解在哪里以及如何在生态系统中汇集所需的功能。考虑到SynBio的多学科性质和专业技能的短缺，这一点尤其重要。4.保持生态系统的存在。至关重要的是，参与监管和道德话语,并在应用程序成为指数时迅速做出反应。蓝移蓝移/报告005序言我是技术的粉丝。但与此同时，我非常担心它的负外部性。对我们的孩子,社会，机构或企业的负外部性。蓝移蓝移/报告005这种担心并不新鲜。事实上，我特别记得在青少年时期读高中时的AldousHuxley的《勇敢的新世界》。在这部小说中，Huxley呈现了一个看似美妙的世界，极权主义和技术的混合导致了一种极其稳定的全球社会，没有战争或冲突。从表面上看，这是所有可能世界中最好的。但是，个人自由和自由意志几乎完全消失了。那是我对技术矛盾的介绍。在与蓝移团队一起准备这份关于合成生物学的报告时，赫x利的《勇敢的新世界》像转基因的“玛德琳·德·普鲁斯特”一样回到了我的身边，我不禁想到了所有的反乌托邦情景。为什么？因为SyBio包含了许多潜在的威胁和负面影响，这些威胁和负面影响可能源于其滥用或意外后果：致命的病原体,基因驱动（可用于在整个人群中传播特定的基因套件）技术，环境和健康风险，或DIY生物学运动（对SyBio实验感兴趣的公民科学家运动，这引起了人们对滥用易于获得和低成本技术的担忧。像CRISPR[定义为集群规则间隔短回文重复]由个人与该领域的先验知识很少）。但与此同时，我感到非常惊讶的是，大多数工业部门都可以利用SynBio-而不仅仅是生命科学。在本报告中，我们主要关注SynBio将给商业，社会和人类带来的积极影响。在深入研究之前，我想与您分享另一个非常有趣的字谜：“合成生物学”转变为“被山达基击中”像往常一样，字谜以神秘的方式移动。—AlbertMeige博士1CHAPTER合成生物学&为什么重要？蓝移蓝移/报告0051什么是合成生物学,为什么它很重要?人类长期以来一直质疑生命的本质，通过宗教，哲学，艺术和科学无休止地探索这个话题。自20世纪中叶和DNA的发现以来，SynBio领域为一些“大问题”提供了见解蓝移/蓝移/报告005例如，SynBio已经表明，我们可以合成地在生物体中创造新的和不同的功能，并利用活细胞来执行非生物任务。2023年，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员声称已经生长出一个非常类似于14天人类胚胎的实体，而不使用精子，卵子或子宫。1定义SynBio如今，SynBio的定义各不相同，但大多数都集中在工程生物系统的基本概念上。-“新生物部件、装置的设计和建造，和系统，以及为有用目的重新设计现有的自然生物系统“(自然)-“涉及通过将生物体设计为具有新能力来为有用目的重新设计生物体的科学领域”(美国国家HumanGenomeResearchInstitute)-“使用现代技术和计算来设计生物学来解决与环境和人类相关的问题健康”（美国加州大学圣地亚哥分校[UCSD]合成生物学研究所）-“多学科的科学领域，专注于生命系统和有机体，它应用工程原理来开发新的生物部件、设备和系统或重新设计自然界中的现有系统“(维基百科)生命可以合成吗？我们应该把生物等同于它们的功能吗？生命超过其组成部分的总和吗？注意1）仿生是模拟自然系统的形成，结构，功能或过程的人工系统的研究和设计来源：ArthurD.Little1加拉格尔，詹姆斯。“科学家在没有精子或卵子的情况下培养人类胚胎的完整模型。”BBC新闻，2023年9蓝移/报告005调查包括来自世界各地的蓝移/报告005调查包括来自世界各地的38位学术和行业领导者的回应。混合：有机和无机材料结合的系统。2023年蓝移全球专家调查2作为本报告的一部分，我们探索了SynBio与相关领域的区别。它发现专家通常将融合，工程原理和系统思维确定为关键特征（见图2）。虽然意见与这三个方面大致一致，但专家们并不完全同意源材料是否必须是活生物体，或者是否可以合成它们。为了这项研究的目的及其对应用和影响的最终关注，我们得出结论，从以下方面定义该领域更有用它生产什么以及它是如何工作的，而不是它的原材料的性质。因此，我们提出了SynBio的实用定义，体现了以下主要特征：“工程，修改或支持此定义，SynBio涉及三个功能：1.多学科的融合-连接生命和物理科学-在自然发生和人造世界之间的边界-生活或混合系统-仿生工程方法也可以是SynBio工具箱的一部分，尽管模仿生物系统是本身不是SynBio的目标用你的话说，什么是合成生物学？它与相关领域有什么区别？“表征零件和系统增加未来设计的可预测性““合成[即]组成&的方法'putingtogether'对于生命系统““[修改或]创建生命系统完全来自材料那个从来没有活着或生物体的一部分”“The通过设计创造新的生活系统”“可预测、可控制、精确的工程中的新功能各种生命系统“The建筑从生物系统较小的零件，在a模块化方式”来源：ArthurD.Little23“The工程生物学的设计、构建、测试和学习新功能”“尊敬的生物化学由工具集”“多学科如何进行调查新的生命形式”“灵感来自大自然[where]所有问题的答案在自然界中已经存在”“源自系统生物学,但现在已经够了数据建立模型““的目的理解自然or生产有用的生物机器”蓝移/蓝移/报告0052.应用工程原理-旨在实现特定目标和功能的生命系统的有意工程3.系统思维和模块化-将生物系统分解为可互换的模块-了解单个零件在整个系统中的行为和相互作用SynBio应用的频谱SynBio涵盖了广泛的潜在应用（见图3其特点是它们的新颖性，从更基本的增强现有功能到完全创建全新的生命系统。在下一个细节级别，将SynBio的功能分为三个广泛目标的类别是有用的（参见图4）。如图4所示，SynBio可用于制造全新的产品（生物和非生物增强现有产品的性能，以及改进相同产品的生产和制造过程。在后一类产品中，提高可持续性是一个重要的好处，尽管更好的效率和精度也是关键。图3-SynBio应用谱增强生物体的现有功能（例如，增加藻类或植物的光合能力以促进生长和生物量生产）增强具有自然界中存在的另一种功能或组合的生物体（例如，用其他生物体的部分修饰细菌以产生可以分解塑料废物的酶）在自然界中尚未存在的生物体中创造全新的功能（例如，无法传播疟疾或登革热等疾病的转基因蚊子）使用有生命或非生命部分创建全新的生命系统，例如由皮肤细胞和心肌细胞组成的异种机器人，两者都来自早期青蛙胚胎的干细胞资料来源：ArthurD.Little；英国研究与创新（UKRIDavies，JamieA.合成生物学：非常简短的介绍。牛津大学出版社，2018年；Benner，StevenA.和A.MichaelSismour。“合成生物学”。《自然评论遗传学》，第6卷，2005年7月蓝移蓝移/报告005BiologicalBiological01.新产品及材料非生物02.增强现有产品的性能更可持续03.更可持续和高效的制造流程更高效/更精确来源：ArthurD.Little，UKRI–合成食品–作为药物形式或用于药物的生物活性化合物–强化天然肥料–新的生命形式–生物传感器–生物电池和燃料电池–合成革和橡胶–生物计算机和神经网络–作物驯化和加速植物育种–基因和细胞疗法在癌症治疗中的应用–基于生物的制造工艺–生物金属提取–减少废物和回收利用–生物修复–疫苗开发–使用新型酶的生物合成–使用“全”微生物的精确发酵–专门定制的食品和配料是什么推动了SynBio的进步？虽然SynBio的起源可以追溯到20世纪50年代，但在过去的20年里，突破已经大大加快，如图5中的时间表所示。在过去的十年中，由于技术推动和市场需求，SynBio的进展进一步加速:-技术推动-正在进行的融合生命科学和物理科学的发展（见图6包括更强大和准确的基因编辑工具-市场需求-满足以下方面日益增长的需求的需要:-更大的可持续性（例如，可再生原材料/能源）-改善医疗保健（例如，更快，更低成本的药物开发；改善诊断；更有针对性的治疗）-加强粮食安全(例如，在气候变化和人口增长时提高产量)-创新（例如，更量身定制的产品，计算机的变革性进步以及其他激进的新应用）蓝移/蓝移/报告0051960年代：合成生物学的先驱Jacob&Monod推测细胞调节如何能够从分子组分组装新系统20世纪80年代：转基因胰岛素利用细菌在重组DNA的帮助下制造胰岛素(“Humulin”）2000年：第一个合成生物回路由人类设计—遗传拨动开关和抑制因子-证明了基因调控网络可以从数学原理设计2004年：第一届国际合成生物学会议“合成生物学1.0”(麻省理工学院)2012：商业生物制造植物细胞蛋白质疗法2014年：Illumina推出下一代测序（NGS）技术，大大提高了吞吐量、可扩展性和速度，声称超过了摩尔定律2017年：FDA批准CART，已被证明可以治愈某些血癌疾病2020年：DNA数据存储联盟成立创建和促进基于DNA作为数据存储介质的可互操作存储生态系统；2002年第50名成员19501950年代双螺旋结构的发现1970年代限制酶的发现和重组DNA技术的发明1980年代1986年由Genentech（Activase）批准在哺乳动物细胞中生产的第一个生物制剂1990年代启动首个基因治疗试验2000年代DNA合成和测序的新进展2005创建的噬菌体的第一个合成基因组2012CRISPR/Cas9基因组编辑技术的发现，使单个基因的编辑成为可能2017美国首个批准的转基因T细胞疗法2019完全通过计算机创建第一个细菌基因组2020创建第一批异种机器人（旨在执行特定功能的合成生命形式推出基于mRNA的抗COVID-19疫苗2021深度学习技术在蛋白质折叠预测和抗体发现中的突破来源：ArthurD.Little物理科学物理学，纳米技术，材料科学，表面科学，计算机科学，AI，材料科学，表面科学，数学,数据科学，机器人/物联网，模拟/数字孪生生命科学生物学，化学，生物化学，细胞生物学，蛋白质科学，代谢工程，高级发酵，生物技术，基因组编辑，表观遗传学，计算生物学，神经科学工程原理分析生物学工程原理诸如“诸如“设计建造，学习“从分析中改变了SynBio追求新型工程学科大数据和AI“大生物”数据的可用性和AI/黑盒建模技术使用的标准化实现了更好的设计,由数据工程原理支持系统生物学更好的理解、系统化和工程更复杂的生物系统增加能力和协作说明：工具集/平台/应用程序开发人员、服务提供商过去十年降低成本用于DNA测序，基因合成和编辑私人和公共投资过去十年SynBioSynBio来源：ArthurD.Little蓝移蓝移/报告005ThiscombinationisdrivingincreasingpublicandprivateinvestmentandpartnershipacrossSynBioecosystems.ExampleswithintheUSinclude:-美国政府SynBio研究经费增加至1.61亿美元2022年，过去五年公共资金总额为8.2亿美元。-美国私营部门在2022年向SynBio投资了80亿美元。-包括美国西北大学和美国麻省理工学院（MIT）在内的机构获得了涉及跨学科团队的SynBio研究项目的赠款。-新的政府赞助的合作已经启动，例如涉及银杏生物工程、Geno和安西娅.-新的联盟已经成立，以开发跨平台解决方案。例如，微软，联想和TwistBioscience正在合作探索跨平台工作，例如通过DNA数据存储的潜力。活动的增加推动了全球SynBio市场的预期增长24%的复合年增长率到2030年超过700亿美元，从大约2023年150亿美元（请参见图7）。这涵盖了仅提供服务，工具，专有技术和产品，以使最终用户能够在医疗保健，食品和食品等市场中应用SynBio行业。它不包括这些最终用户可能使用SynBio工具实现的任何潜在增量收入,我们在本节的最后一部分和第2章中概述了这些工具的影响。▼▼在十亿美元$70$57$46$37$30$24$19$15.5$12.5202220232024202520262027202820292030来源：ArthurD.Little蓝移/报告005蓝移/报告005SynBio增长面临的挑战尽管SynBio显示出令人印象深刻的增长潜力，但其发展仍面临着大规模的障碍。这些障碍范围广泛，从生物安全/道德问题到技术，经济和消费者挑战。生物安全与伦理问题改变生物有机体-或创造全新的有机体-围绕潜在的意外环境后果或不良行为者故意滥用SynBio提出了生物安全挑战。这也导致了关于改变或创造生命形式时被认为可以接受的道德辩论，以及“有生命的”生物体和“无生命的”机器之间的边界模糊，如图8所示。全球监管对于确保生物安全和围绕道德问题提供保证至关重要，例如通过与研究人员、公司和国家一起采用和执行关键原则和行为准则。但是，法规和准则仍在不断发展。已经定义了一些总体原则，例如长期建立和国际公认的生物多样性公约（CBD）。这包括与SynBio有关的规定，例如，围绕确保使用SynBio技术生产的改性活生物体（LMO）的安全处理，转移和使用。However,theseprincipleshaveyettobeconsistentlyappliedataglobalregulatorylevel.Currently,fragmentednationalandregionalregulatoryframeworkequalstolimitedguidanceoveraconsistentapproachtotheresponsibleuseofSynBio.“玩神”来源：ArthurD.Little蓝移/报告005向上扩展成本竞争力技术能力转型障碍蓝移/报告005向上扩展成本竞争力技术能力转型障碍还围绕道德问题制定了准则。例如，国际系统生物学学会（ISSB）和合成生物学领导委员会（SBLC）等组织已经制定了行为守则，例如为科学研究制定的行为守则。世界卫生组织（WHO）等机构正在形成类似的准则。但是，随着新兴技术的发展，法规也在迅速变化。这意味着了解和导航不同的生物安全和道德问题仍然是SynBio参与者的挑战。技术、经济和消费者挑战同时，在加速SyBio在许多领域的使用方面，仍然存在巨大的技术，经济和消费者接受障碍。这些包括从实验室扩大到全面生产的过程的困难，与现有替代品的成本竞争力差，缺乏足够强大的技术，需要大规模投资，以及潜在的消费者对SyBio衍生产品的推挤，这些产品被视为危险或威胁（参见图9）。图9-SynBio增长面临的技术、经济和消费者挑战ExampleExample大规模生产和制造细胞疗法用生物基原料代替化石燃料制造化学产品转基因食品药物发现的电子技术进步塑料聚合物和衍生物的生物路线来源：ArthurD.Little蓝移/报告005$1,849$569美国GDP总量$25.4万亿化学品、塑料，蓝移/报告005$1,849$569美国GDP总量$25.4万亿化学品、塑料，包括药品468美元制造，术$440公用事业$440石油、天然气、采矿包括医疗技$374数据处理$72$327244农产品$93纺织品、服装、造纸废弃物管理来源：ArthurD.Little，美国经济分析局SynBio的变革潜力尽管SynBio目前面临着重大挑战，但它对最终用户行业的潜在影响是巨大的。SynBio应用程序有能力从根本上改变全球一些最大的行业部门，帮助解决威胁人类未来的关键挑战，例如可持续发展、健康、和食物供应。这些行业，包括农业，医疗保健，制造业和数据处理，约占当前全球产出的15％-20证明了SynBio的潜在意义，如果它能够克服挑战和不确定性以美国为例，这些被破坏的部门约占当前GDP的20涵盖约5万亿美元，如图10所示。鉴于这种深远而多样的潜力，相关行业的参与者不能忽视SynBio开发的持续进展-特别是考虑到技术和市场方面的驱动力越来越强。在十亿美元可能受可能受SynBio影响的行业2CHAPTER科学&技术景观蓝移蓝移/报告0052科学与技术景观尽管边界可能会模糊，但SynBio的开发环境可以大致分为三组（参见图111.产品开发人员-创建利用SynBio专有技术和工具集的客户产品和应用程序2.工具和技术开发人员-开发工具和技术，使SynBio产品和应用程序，包括技术，硬件，软件和系统3.基础学术研究-创建对SynBio基础科学的基本和应用理解蓝移/报告005医疗保健与生命科学hemicals&蓝移/报告005医疗保健与生命科学hemicals&材料产品开发人员消费品能源IT&技术工业,Nufacturin启用设计构建分析食品与农业c创建利用SynBio专有技术和工具集的客户产品和应用程序重叠-一些工具集玩家参与产品,反之亦然开发SynBio工具集（支持产品和应用程序的工具和技术，包括技术，硬件,软件，系统）创建对SynBio基础科学的基本和应用理解基本研究社会/伦理应用R&Dh与所有模型一样，区别并不总是很明显。例如，一些工具和技术参与者,例如Asimov和Arzeda，也广泛参与产品开发，通常与基于产品的业务合作。报告的这一部分重点介绍了堆栈的学术研究和工具/技术开发部分。我们将在第3章中更深入地介绍产品开发人员和应用程序。基础学术研究主要学术参与者及其主要研究领域的精选实例包括以下内容(仅说明性,非详尽)。美国玩家MIT生物工程系专注于广泛的医学和生命科学应用相关研究，麻省理工学院的中心包括：-多细胞工程生命系统中心—一个多学科小组，研究具有多个相互作用的生命组件的目的驱动的生命系统-生物医学创新中心-开发新的生物医学技术方法，如结构和生物膜蛋白质在传感器中的应用功能-神经生物学工程中心-专注于神经系统实验研究的新工具和工程神经元、神经组织及其与细胞、装置和假体的相互作用蓝移蓝移/报告005SynBio的学术研究广泛，涵盖广泛的领域 。西北大学：合成生物学中心该中心的研究围绕四个主题：1.无细胞系统-具有无细胞生物学激活基本细胞过程（例如，翻译)的生化工程，而没有活的完整细胞2.哺乳动物系统-开发基于自定义编程的新型细胞功能的新型平台和治疗策略3.启用技术-高通量实验工具，可以优化和理解多组分生物合成转化，包括工程平台上的工作，蛋白质的平行表达和计算分析，以识别数据中的设计规则4.伦理和社会影响-低收入和中等收入国家的技术差距，探索SynBio开发产生的新生物伦理问题，并为科学家开发伦理培训斯坦福大学：合成生物学和生物工程这两个计划探索广泛的SynBio研究，包括蛋白质工程，微生物组研究，系统生物学，生物信息学，代谢工程，神经工程，生物力学，医疗设备，医学成像，分子工程，显微镜，生物材料，组织工程，组学/基因组学，基因治疗，微流体，农业生物学和植物健康，节俭科学和生物政策。欧洲球员瑞士：苏黎世联邦理工学院SynBio小组专注于在哺乳动物环境中开发和应用生物计算和合成生物学的工具和方法，基于三个支柱：1.用于精确操作和重新编程哺乳动物细胞的基础技术2.将这些工具应用于生物技术和转化研究中未满足的需求3.由生物计算驱动的基因和细胞疗法的发展蓝移蓝移/报告005研究重点是加快设计-构建-测试-学习周英国：帝国理工学院合成生物学中心研究重点是加快设计-构建-测试-学习周期以及多学科/跨学科研究的新方法，包括：-计算建模和ML方法-自动化平台开发与基因电路工程-多细胞和多生物体相互作用（包括基因驱动和基因组工程，代谢工程无细胞SynBio，工程噬菌体和定向进化）-仿生学、生物材料和生物工程该学院还主办了英国的创新和知识中心SynbiCITE，旨在加速和促进SynBio研究和工程生物学应用的商业开发。这包括伦敦生物铸造厂，旨在设计，工程和功能表征合成DNA。德国：马克斯·普朗克合成生物学研究网络Thenetworkcomprises20researchgroupsfromnineMaxPlanckInstitutes.Researchclusterincludeenablingtechnologies,life-mimickingprocesses,andsystemsperspectives.Topicscoveredinclude:-自下而上的SynBio遗传系统工程-自下而上SynBio微流控工具的设计与实现-动态原细胞系统-通过无细胞表达产生重组蛋白亚洲球员中国:深圳合成生物学研究所该研究所成立于2019年，是中国第一家SynBio研究所，声称拥有世界上最大的SynBio专业多学科团队。新加坡：临床和技术创新合成生物学（SynCTI）SynCTI成立于2014年，是新加坡国立大学（NUS）SynBio的重点研究计划，作为跨学科研究核心，与NUS内的其他研究计划互动，并利用现有的研究能力在SynBio中，该项目是通过当地和国际组织的资助开发的。韩国：韩国高级科学技术研究院生物科学系该部门宣布专注于基因组学和纳米技术，重点研究人类疾病及其分子机制，功能基因组学及其应用以及纳米生物技术及其应用。蓝移蓝移报告/使用无细胞系统进行生物制造有可能成为一些关键的研究主题纵观整个科学领域，目前的几个SynBio研究主题预计将在5~20年，可能对商业和社会产生重大影响。例子包括：-大规模采用无细胞生物制造(高impact,lowuncertainty,maturewithin5-10years).Theuseofcell-freesystemsforbiomanufacturinghasthepotentialtobecomethenewstandardinSynBio.Furtherevolutionrequires克服实验室规模以外的产品创造的挑战。可能的应用包括生物燃料，化妆品和药品中绿色化学品和新型产品的工业生产。-AI、SynBio和自动化的融合（高影响力，低不确定性，在5-10年内成熟）。在SynBio中，AI提供在数据挖掘，生物信息学和计算生物学方面的潜力，例如基因表达数据中的模式和结构识别，生物系统工程，代谢工程，实验自动化，自动驾驶实验室，结果预测和逆向工程。它提供了在工作流程速度，准确性和有效性方面逐步变化的潜力。-真核生物基因组规模的DNA合成（高影响、低不确定性、5-10年内成熟）。具有合成和产生大规模复杂DNA序列的能力的新技术正在开发中,包括分子组装和克隆方法、不依赖模板的酶促合成、微阵列和滚环扩增技术。能够大规模和低成本地产生大的DNA序列将对诸如可持续材料、数据存储、药物递送和基因组工程等领域产生重大影响,以产生具有有用特性的生物体,例如耐热植物。-真菌SynBio（高影响力，-真菌SynBio（高影响力，中等不确定性，在520物技术应用于真菌学和真菌遗传学，随着长读取测序的进步，使得产生高质量的真菌基因组组装成为可能。真菌在广泛的应用中具有潜力，例如在环境修复，真菌衍生的食品，酶和其他化学生产，可持续生物材料，真菌电池等等。-复杂动物和人体组织和器官的3D生物打印(高影响，低不确定性,10-20年内成熟year).3D-printingtechnologiescanbedeplosedtoassembymultiplecelltypes,growthfactors,andbiomaterials.Whiletissuerebuildingisalreadyfeasible,rebuilding复杂器官仍然存在许多挑战。例如，必须复制心脏功能，如血管化,机械负荷和电信号传播。如果成功，该技术将为生物人工器官移植以及其他医学干预和治疗提供潜力。蓝移/报告005蓝移/报告005-多细胞生物的预测性基因工程（高影响，高不确定性，在10-20年内成熟）。尽管在细菌和哺乳动物细胞水平上取得了进展，但编程高等生物是非常复杂的，例如，需要基因编辑级联的传递或整个胚胎的工程。尽管存在潜在的伦理问题，但改变蠕虫等动物生理学的能力将在农业，生物医学和环境领域打开可能性和应用。-基于DNA的数据存储（高影响，中等不确定性，在10-20年内成熟）。低写入/读取速度和每个字节存储的高成本是基于DNA的数据存储技术的关键挑战。当前的研究包括使用DNA纳米结构（与DNA序列相反）以及纳米材料和生物分子的组合。研究有可能提供高容量，长寿命和较低的能量存储，以满足快速增长的数据存储需求。工具和技术开发人员工具和技术开发可以根据设计-构建-分析-启用工作流进行有效分类，本质上是一个通用的开发引擎，对所有SynBio都至关重要图12提供了目前正在使用或正在开发中的主要工具和技术的总结，分为四个类别：1.Design-帮助建模和模拟生物系统2.Build-协助构建生物系统3.分析-帮助测试和评估生物系统4.启用-加快工程过程，重要的是，实现从实验室到工业生产水平的扩展建模、模拟和设计生物系统的工具：–生物计算机辅助设计建模、模拟和设计生物系统的工具：–生物计算机辅助设计（BioCAD）软件，用于可视化复杂系统–基因和蛋白质设计能够合理设计具有所需功能的生物分子的工具–仿真工具通过数学模型和算法预测生物系统行为–AI和ML平台实现新颖和优化的合成生物学设计–定制DNA序列的制造，实施合成生物学设计的第一步–DNA和基因递送系统启用创建新的自定义函数&–基因组工程工具通过修改现有基因组来实现设计–发酵技术生产生物药物、化学品、燃料和其他产品(而不是大规模推动者)加速合成生物学创新和工业扩展的工具：–加速合成生物学创新和工业扩展的工具：–自动化工程实现可扩展、可重复、快速和精确的合成生物学工作流程–基于云的工具启用远程实验、设计和执行–微流体实现对小规模生化反应和实验小型化的精确控制–大规模发酵实现高效生产的技术（例如，无细胞，建模和监控工具）–NGS确保正确的DNA和基因组组装–质谱识别和定量特定的蛋白质或代谢物–高含量表型成像实时监测工程细胞的生长和形态–流式细胞术评估合成CART细胞设计的功效（例如，用于治疗癌症)来源：ArthurD.Little蓝移蓝移/报告005尽管存在差异，但工作流程类似于常规的非生物技术开发（设计，构建,测试，制造）中使用的工作流程。例如，某些SynBio流程的相对不可预测性以及扩展的挑战意味着用于分析和启用的工具可能更加关键。工具和技术成熟度工具具有不同的成熟度级别：-设计-通常是最不成熟的（见图13）。而核心基因和蛋白质的设计和模拟工具已经达到了很高的水平随着成熟的关键参与者的成熟，人工智能和数字技术的全部力量仍未开发，将难以满足对成熟解决方案的需求。-构建-通常更成熟(见图14)。从头DNA合成和DNA/基因等核心技术递送系统已经在很大程度上商业化,而基因组工程工具(例如CRISPR)仍在成熟,但具有很高的破坏潜力,正处于更广泛采用的风口浪尖.-分析-通常是最成熟的（见图15）。在一些大型公司（例如Illumina和ThermoFisher）的主导下，对下一代测序（NGS）的需求不断增长，有助于推动采用，市场继续快速增长。Design备注相对成熟的市场与几家公司提供基因和蛋白质设计工具各种应用(例如，个人/家庭护理，材料，食品成分开发研究正在进行中，以更好地阐明（例如，基于其序列的蛋白质功能）相对成熟，有几个成熟的球员,但有仍在进行中创新与整合与其他技术，如AI/ML，特别是在了解细胞水平市场是相对较新虽然像TeselaGen和Asimov这样的公司使用人工智能平台，技术仍在发展;Google/DeepMind正在研究医疗保健和生命科学中的AI用例（例如，蛋白质折叠)AI/ML平台预测生物系统行为（例如，新引入的基因/蛋白质对细胞的影响）通过数学模型和算法;启用在硅设计迭代,减少对昂贵的依赖&耗时的湿实验室实验；模拟基因表达、蛋白质相互作用和代谢途径，指导实验设计利用大量的生物数据建立新的和改进的模型，加快新型合成生物学系统的设计；自动化和数据驱动的迭代设计和学习方法实现更快、更精确的设计流程复杂的合成系统&可能更广泛地跨越合成生物学（例如，通过AI/ML代替实验可以处理复杂的数据集，发现隐藏的模式并生成新的假设技术基因和蛋白质设计工具生物系统仿真工具Limited理解序列-功能关系和蛋白质折叠动力学使功能设计复杂化；缺乏用于集成的标准化工具实验数据和计算模型，以提高设计的准确性开发标准化仿真平台或格式数据交换和协作在研究人员中；纳入生物数据的标准化工具也缺乏模拟模型技术能力仍在不断涌现，有助于有限的可访问性和标准化；获得高质量和多样化生物数据和理解是有限的，使得训练AI/ML模型变得困难；基于AI/ML的设计方法的可靠性和鲁棒性无法确保跨不同应用程序启用通过采用计算算法进行合理设计用于序列优化，蛋白质建模和结构预测;使研究人员能够修改遗传序列和蛋白质结构以增强所需功能DescriptionTRL9TRL95成熟度挑战TRL=技术准备水平来源：ArthurD.Little蓝移/报告005成熟度挑战备注技术Description产生足够数量的确定的DNA序列进行研究和工程;然后将使用NGS等方法对新DNA进行测序，以确保产生正确的DNA;能力和进步不仅合成和组装DNA从头但也要序列结果至关重要；DNA蓝移/报告005成熟度挑战备注技术Description产生足够数量的确定的DNA序列进行研究和工程;然后将使用NGS等方法对新DNA进行测序，以确保产生正确的DNA;能力和进步不仅合成和组装DNA从头但也要序列结果至关重要；DNA将被用来生产蛋白质，这将反过来执行所需的功能Methodsto将合成DNA转移到靶细胞中，创建具有自定义功能和属性的新生物系统;高效和准确的交付合成DNA对于诱导特定蛋白质的产生，执行新功能和创造具有理想性状的新生物体至关重要;几种交货方式存在，包括病毒载体（例如,使用病毒DNA作为合成DNA的载体）非病毒方法（例如，使用脂质体作为载体)和物理方法快速发展的市场，估值为被用来引入遗传密码的改变（例如，添加、删除、修改基因）以及调节基因表达创建自定义功能;例子包括基因编辑工具，如CRISPR-Cas，TALENs,锌指核酸酶和转座子技术，用于靶向基因整合微生物发酵技术市场预计会增长&复杂的蛋白质，如胰岛素或抗体;随着ATMP的进步，这也可以包括生产mRNA或细胞作为产品;构建工具范围从细胞和细胞表达系统的操作到培养基开发和工程TRL9TALENs=转录激活因子样效应核酸酶；ATMPs=高级治疗药物；CHO=中国仓鼠卵巢；CRO=合同资源组织；CDMOs=合同开发和制造组织来源：ArthurD.LittleDescription精确合成DNA分子随着长度的快速减少，需要昂贵的&耗时的装配过程；限制制造能力具有特异性的DNA特征（例如，重复序列）定制的制造DNA序列虽然从头合成和组装已经可能几十年来，技术是仍在发展；在过去十年中，成本降低了10倍；产能增加到来自<100bp的>1MbpDNA&NGS等创新解决方案已被广泛采用;DNA合成市场价值约为30亿美元2022年，预计将以约20%的复合年增长率强劲增长（2022-2030年）取决于技术的混合成熟度；一些病毒和非病毒基因递送系统已经使用了几十年，许多成熟的球员，但其他人正在出现创新的方法;重大创新和研究正在进行中，由服务提供商和制药公司推动TRL8-9免疫原性和整体安全问题，特别是病毒载体和LNP;DNA的大小和/或数量可以交付的内容因系统而异，但可能会受到限制；可瞄准性特定的细胞或组织，特别是当涉及生理障碍时DNA和基因递送系统TRL4-9通过解决确保选择性和安全性脱靶和离组织效应关键但困难；复杂的监管和高安全要求在人类医学和农业中使用工具；技术与开发成本高,使应用程序变得昂贵且可能无法访问启用精确修改遗传信息在生物系统中；可以基因组工程工具TRL9由CRISPR-Cas9技术，政府资助和增加基因工程研究；从即将到来的初创企业，更大的公司也对领域表现出兴趣在最古老的生物应用中；包括培养细胞以产生（表某些表达系统，如酵母，大肠杆菌或CHO，相对较好地理解;挑战主要涉及开发更稳定和化学确定的培养基，以及进一步改造细胞以提高稳定性和生产率;较新的领域,如干细胞或无细胞生产仍处于PoC阶段从2022年~320亿美元至~50美元-2030年为520亿美元；市场增长驱动技术进步和生物制品外包增长率制造到CRO/CDMO,以及整体药物产量增加，微生物发酵市场需求增长发酵/细胞培养技术技术挑战成熟度BuildBuild分析工具市场涵盖分析工具市场涵盖其中质谱，成像显微镜和流式细胞术是精选的少数，也是合成生物学的关键;这些能力已经建立，市场上已经存在几个参与者还增强了分析生物数据的能力用于识别和量化特定的蛋白质或代谢物，这是指标合成系统在分子水平上的行为先进的成像技术允许监测工程细胞的生长和形态,这有助于确定给定应用的最佳条件和设计使用激光分析细胞的快速分析技术可用于评估合成（例如，CAR-T细胞）设计的功效，这是一种有前途的治疗癌症的免疫疗法方法TRL9高通量分析工具生成大量的数据在生物系统上，但是有限的计算基础设施和工具阻碍了高效的存储、处理和分析整合数据从不同的模式（例如，基因组学，核酸分析技术高速实时PCR是一种快速，更精确的技术，可在聚合酶链反应（例如，用于基因表达）过程中实时定量靶基因高含量表型成像TRL9TRL9TRL9来源：ArthurD.Little蓝移/蓝移/报告005-启用-变化的到期日(参见图16)。自动化和发酵技术相当成熟和成熟,Whilecloudlabsandmicrofluidicsarelowinmaterium,withmostplayersbeingstart-ups.However,cloudlabcompaniesarecreatingstrongpartnershipwithlargeindustryplayers,indicatingthepossibilityforidealadoperationandgrowthinthewingDescriptionDescription自动化和机器人实现可扩展、可重复和快速合成生物学工作流程；自动液体处理特别是领域内的一项关键些机器可确保精确分配液体体积并实现全自动工作流度地提高效率通过实现远程实验，简化数据管理和全球协作；科学家也释放了从需要物理TRL4者；2022年市场价值为25-290亿美元疗目的，特别是诊断（例如，快速测试）,药物开发和细胞培养虽然先进的基因组工程为其发展做出了贡献，但在提高生产力或应对扩大规模挑战方面仍有创在野外,包括大型CDMO（例如Lonza）和扩展到精密发酵的新公司（例如PerfectDay）实现具有成本效益的大规模来源：ArthurD.Little$2.9亿挑战技术仍然存在昂贵的,特别是与学术界相对较低的劳动力成本相比；集成新型自动化技术进入自动化技术用的产品包括生物基化学品，燃料，香料，香料,生物塑料和药物;现在扩展到发酵，例如，哺乳动物或微生物细胞产生生物化合物，甚至细胞作为产品（例如，人造肉）;不同于小规模，PoC在实验室生产，先进的发酵技术利用优化生物反应器，在发酵与传统化学合成竞争的非制药部门或食品行业等利润率较低的部门，主题围绕挑战也在继续产生正确的品质；对于制药工艺，主题集中在能够生产更复杂的&潜在的非天然蛋白质例如，在CHO细胞中;数字孪生仍然不可行成熟度TRL9启用小规模的精确控制(微升至皮升)生化反应适用于各种应用程序以增加的吞吐量和最小的浪费实现复杂的反应验证设备的制造步骤&复杂制造，因为它们大规模发酵技术TRL89微流体蓝移/报告005蓝移/报告005Figure17showstherelativematurityofselectedtoolswithintheeachofthefourSynBioworkflowstage,basedonrankingbyourexpertsurveypanel.Technologyreadlylevels(TRL)indicateshowcloseatoolisproved,commercialadoption.市场格局SyBio的大多数知名工具和技术参与者都位于美国（每个公司的基础上大约有一半）。其余的在欧洲和亚洲之间大致平分，世界其他地区目前几乎没有市场进入者。市场分为500多家SyBio初创公司和数量较少的成熟公司，SyBio工具和技术公司在2022年筹集了103亿美元。虽然大多数顶级资金公司目前的总部都在美国，但预计以中国为首的亚洲将出现最大的增长。许多政府都有针对性地对SynBio进行投资和支持。例如，英国在十多年前启动了SynBio计划，而美国，中国和澳大利亚最近也做出了自己的努力。附录1总结了四个工具和技术开发类别中选定的关键参与者。图例技术成熟度的“重心” 技术期限的范围设计、模工程师和建测试和评（分析）实现创新展和扩TRL1-2ResearchTRL3-4实验室PoCTRL5-7扩展和演示TRL8-9经过验证和商业化/建立来源：ArthurD.Little蓝移蓝移报告/INTERUDE#1不断发展的美学-将艺术与科学交叉细胞的语言蓝移蓝移/报告005我们在SynBio中的探索试图通过操纵基因来揭示生物中隐藏的过程。我们的目标是以人类规模的方式改变这些表达。考虑在盘子上生长的大肠杆菌菌落。逐渐地，它传播了，并且-随着条件变得更加苛刻-它创造了分支和复杂的模式。这种现象成为灵感对于我们的工作压力-o-stat（见本节的第一张图片它探索了遗传机制如何响应细胞压力。在恶劣的条件下，细胞产生过氧化氢酶以中和有害的氧自由基。分析这种反应背后的遗传机制使我们有可能用产生荧光蛋白的过氧化氢酶基因代替。我们的新遗传成分嵌入遗传回路并插入细菌中，在饥饿期间引起虹彩光的发射。使用滴注系统来调节食物释放和螺旋。冷凝器来可视化光线变化，我们观察到在恶劣条件下的螺旋光，随着营养的变化，我们看到了缓慢的振荡光。Stress-o-stat旨在捕捉细菌中“压力”的诗意语言，发光讲述了一个韧性和机智的故事。为了进一步扩展方法和隐喻，我们探索了如何使用固体媒体和延时摄影来完成此操作。作为压力和信号语言的另一种游戏，KatEred（见第二张图片）采用了产生基因的，发光的红色荧光蛋白。随着时间的推移，观察生长模式,当殖民地在盘子上蔓延时，发红的边缘闪闪发光，有点类似于树木的年轮,讲述了时间和变化的故事。在我们的微环境中，殖民地创造了一个生动的斗争视觉故事。蓝移蓝移/报告005SyBio可以是观察细胞内部过程的门户，但我们可以通过利用其他感官如嗅觉来扩展这种符号。香蕉细菌（见第三张图片）通过颠覆我们的期望而增加了额外的扭曲。它涉及使用一种基因程序，该程序可以将酒精转化为香蕉油，从而改变E.的典型令人讨厌的气味。大肠杆菌变成一种甜味的奇迹，让人联想到香蕉。它作为一种顽皮的混淆，促使我们反省我们的先入之见。但是，转基因生物通常仅限于实验室；在这些环境之外进行展览涉及对健康和安全法规的冗长导航以及道德审查。通过我们的工作，我们为在英国及其境外展示转基因生物的第一个法律展览铺平了道路。这些工作使人类可以感知到不可见的过程。然而，缺乏实时互动会在我们如何体验这些有机体和过程中造成障碍，通常需要我们添加一个像延时这样的接口来桥接体验。我们最初的实时实验使用纳米磁性粒子，这允许参与者使用外部磁铁控制单个细胞。令人惊讶的是，我们发现磁性细菌是自然存在的。这些生物沿着地球磁场游动，以优化它们在微需氧梯度中的位置。将这些细菌暴露于变化的磁场会使它们的身体重新定向，并在这样做时散射光。在液体培养中，可以观察到散射作为阻挡或传递光线而产生的可见微光。这种非凡的现象启发了我们的作品《生活镜子》(见第四张图片)。作为镜子，它借鉴了水作为我们原始的想法界面早于今天的基于屏幕的技术，并引用了水仙的神话，他悲惨地淹死了，同时被他的倒影迷住了-提醒我们，当我们将自己的身份扩展到虚拟时，我们如何继续沉浸在类似的镜子中。为了创建镜子，我们使用相机捕获一个人的图像,将像素转换为数值。这些数据激活了单个磁性线圈，使细菌产生数百个光脉冲，实时形成图像。这项工作深入研究了“自我”的概念，以及我们如何主要由非人细菌细胞组成。它旨在捕捉技术和概念上的双重性，即我们如何驾驭数字和生物对自我的感知的交集。-C-LAB，一个艺术科学集体由霍华德·博兰德和劳拉·辛蒂创立，结合了生物科学的科学进步，批判性思维，以及通过实践科学的未来可能性蓝移蓝移/报告005Stress-o-statstress-o-stat是一种活的艺术品，可以在视觉上捕获细菌中的压力作为光。该装置结合了科学仪器，方法和美学，以产生真实的实验装置。SyBio倾向于将类似机器的语言假定为生物，作为可编程的东西。矛盾的是，它与数字相反；它不是机器变得像生活一样，而是暗示生活变得像机器一样。蓝移蓝移/报告005KatEred使用发光的红色荧光蛋白并通过使用延时来探索氧化应激的生动可视化。菌落在其边缘周围产生发白的光芒，并随着时间的推移产生细胞压力的印记。红色倾向于表示警报,并且已经在诸如警示灯的许多装置中被用作“官方”语义。虽然这些因素在生化方面几乎没有作用，但它们与我们作为视觉读者的感知有关。蓝移蓝移/报告005香蕉细菌是一项嗅觉工作，探索了细菌的难闻气味与香蕉的甜味交换的悖论。这些细菌通过去除一种基因，负责细菌中常见的恶臭气味，并添加了一种基因设计，使细菌能够合成香蕉油。蓝移蓝移/报告005LivingMirror是一种生物计算成像系统，其中磁性细菌在变化的磁场下散射光。这种现象被用来创建一个包含细菌和单独控制的磁性线圈的生物计算系统，以重建图案和潜在的实时人的图像。43蓝移蓝移/报告005“如果你不能计算它，你就不理解它！ℽ——约翰·冯·诺依曼，物理学家/工程师3CHAPTERTHE应用与工业景观蓝移蓝移/报告0053应用和行业格局SyBio支持许多行业的各种应用，以医疗保健和生命科学以及食品和农业为主导。应用程序景观展示了SyBio的巨大范围。例如,它可用于创建疫苗，改良作物，产生生物燃料，并实现基于DNA的数据存储。因此,应用程序之间的成熟度水平差异很大。从早期阶段到完全商业化。蓝移/报告005品蓝移/报告005品来源：ArthurD.Little识别SynBio机会我们的2023年全球专家调查探讨了在未来五到十年内受SynBio影响最大的行业（见图18）。约四分之一的受访者认为医疗保健和生命科学是SynBio适用性最强的行业，其次是食品和农业（21然后是工业,制造，化学和材料（18。应用程序成熟度将选定的SynBio应用程序与Gartner炒作周期进行映射，进一步证明了它们的范围和成熟度级别的多样性（参见图19-医疗保健和生命科学。医疗保健的各个子行业例如，广泛使用的单克隆抗体作为治疗选择处于生产率的峰值，而较新的治疗方式如基因疗法则被认为处于膨胀预期的峰值。-粮食和农业。这个行业正在接近膨胀预期的顶峰，因为它正在成熟,产品是商业可用，但市场吸收仍然相对有限。使用SynBio技术的较新技术正处于商业化的边缘，那些解决当前食品生产可持续性挑战的技术（例如，培养肉的细胞农业）正处于技术触发阶段。蓝移/报告005期望植物性肉类替代品植物皮革替代品基因治疗和细胞疗法DNA数据存储细胞农业生物电池蓝移/报告005期望植物性肉类替代品植物皮革替代品基因治疗和细胞疗法DNA数据存储细胞农业生物电池图19-映射到Gartner炒作周期的选定SynBio应用程序mRNAmRNA疫苗单克隆抗体单克隆抗体新型酶、新型酶、日用化学品下一代生物燃料下一代生物燃料使用合成生物学开使用合成生物学开发的香料资料来源：亚瑟·D·利特尔，纳斯达克，SynBioBeta，卡尔文·施密特合成生物学指数-工业、制造业、化学品和材料。这一细分市场正接近膨胀预期的峰值，因为许多最终用途行业对新型酶的需求持续增长。商品化学品也处于膨胀预期阶段的高峰期，而行业参与者（例如，联合利华）和SynBio公司之间的伙伴关系继续形成。-消费品。接近启蒙的斜坡，这一部分正在成熟，一些商业上可用产品（例如，香水，植物性皮革替代品）。随着可持续发展处于消费者心中的最前沿，使用SynBio生产消费产品将继续增长。-能源。该部门正处于幻灭的低谷，因为生物燃料和生物电池继续缓慢克服经济和技术壁垒。但是，由废料和其他副产品生产的下一代生物燃料仍将在例如难以或不可能电气化的重型运输中应用，例如航空和航运。-IT和技术。在技术触发阶段之后，主要参与者开始研究SynBio的采用DNA数据存储等工具和技术。SynBio公司和技术参与者（例如Twist和Microsoft；Illumina和Dell）之间的合作伙伴关系日益增多，这一点很明显。高蓝移/报告005蓝移/报告005主要增长领域比较增长和成熟度可以表明当今每个关键应用部门的重要性（见图20）。如图20所示，医疗保健和生命科学是最成熟和最大的市场，增长率最高的市场之一。下一步是粮食和农业，尽管在低TRL的情况下，这一领域仍有广泛的技术开发。工业/制造/化学/材料、消费品和能源也在增长，尽管商业化的障碍更高，其中IT和技术是最萌芽的。然而，如果基于DNA的存储可以商业化，这可能会成为一个巨大的市场。本章的其余部分将深入了解这些市场中的每一个，包括潜在的应用、机遇和挑战。医疗保健与生命科学SynBio在医疗保健和生命科学领域的应用动机强劲。关键催化剂包括：-慢性和衰弱性疾病的发病率上升(例如，癌症）。人口老龄化和由此导致的慢性病增加了对更专业治疗的需求。-转向个性化/精准医疗。朝着更有针对性的，个性化的治疗/治疗的运动将增加SynBio的使用，因为它可以对生物体进行微调以执行特定/动态功能。-目前治疗的局限性。SynBio可以提高当前治疗的疗效和安全性，并满足需要一种新的治疗方法和机制。学食品与农业?IT&技术预测预测到2030年的增长工业、人力、化学、材料Co消费者货物能源泡沫的大小表明相对市场尺寸表示SynBio的范围跨部门的TRL来源：ArthurD.Little蓝移蓝移/报告005然而，成功将需要该部门克服四个关键领域的现有挑战：1.条例。关于药物开发的严格法规和相对未经测试的监管环境使得该过程冗长且昂贵。2.道德限制。公众的犹豫和关于修改基因组伦理的辩论阻碍了SynBio的扩展。3.技术能力有限（例如，数据流和计算机容量）。技术能力的限制阻碍了实现所有可能的SynBio开发的能力。4.大规模生产和制造细胞疗法的复杂性。围绕制造的复杂性细胞疗法和大规模生产的局限性使从实验室到商业规模的SynBio概念的过程变得复杂。大多数SynBio应用程序仍处于应用领域（非详尽）组织工程SynBio可以创建多细胞结构用于再生医学，药物测试等，包括使用细胞和结构组件的组织和器官模拟形态和功能天然组织。例如，正在研究基因疗法，高级生物制剂和小分子来刺激受损的心脏细胞的再生。SynBio可以用于产生可以移植的组织。例如，培养的表皮自体移植物被用作永久性皮肤替代品，用于治疗浆液性烧伤患者。组织工程市场已经很大，并且在2022年全球150亿美元到2030年复合年增长率超过15%。大多数SynBio应用仍处于基础阶段，IntegaLifeSciences和C.R.Bard（2017年被BD收购）等关键参与者仍主要专注于传统技术。Organovo等初创公司专注于新的3D生物材料打印。医疗器械和植入物将SynBio集成到可穿戴设备中可以扩大机会用于生理状态、疾病状态和病原体或毒素暴露的非侵入性监测实际上启用生物传感器然而，在医疗设备中长时间维持活生物体仍然是一个挑战。潜在的应用例子包括用于健康监测和控制的新型可穿戴或植入式医疗设备。为了证明这一趋势，已经开发出具有冻干（即冻干）CRISPR传感器的原型面罩，用于室温下SARS-CoV-2的可穿戴无创检测。蓝移蓝移/报告005兴趣和资金的涌入导致了新兴和更成熟的参与疫苗疫苗通常由病原体的灭活或弱化形式或其成分制备。SynBio通过替代技术促进更短的开发周期，例如核酸疫苗(例如mRNA)、病毒载体疫苗或重组疫苗(例如SHINGRIX)。例如，合成RNA平台允许快速、可扩展和无细胞制造预防性和治疗性疫苗。辉瑞-BioNTechCOVID-19RNA疫苗是第一个被批准用于人类的疫苗。Moderna和BioNTech是使用合成信使RNA来预防COVID-19的关键参与者的例子。干细胞疗法干细胞作为所有特化细胞的原材料，能够产生健康的替换受疾病影响的细胞（再生医学）。通过以下方式实现这一变革过程遗传重编程技术如CRISPR。例如，茎细胞可以被操纵成心肌细胞，然后将其注射到心脏病患者的心肌中。移植的细胞将有助于修复受伤的肌肉。全球干细胞治疗市场估值为~100亿到120亿美元在2022年，预计将以10%-15%复合年增长率在接下来的10年中。兴趣和资金的涌入导致了新兴的参与者，例如蓝鸟生物和BlueRockTherapeutics，以及更成熟的参与者，例如Mesoblast和OsirisTherapeutics，在不断扩大的市场中共存。细胞疗法SynBioenablesthedevelopmentoftherapiesbasedonbioengineeredcells.Inthesecurrentlyhighlypersonalizedtreatments,cellsarebecomethetreatmentmodal.Amongthefirsttreatmentsin这个领域是KitePharma的CAR-T细胞疗法，但还有更多正在开发中的治疗各种疾病和疾病。例如，CAR-T细胞已经成功治疗了血液肿瘤，如大B细胞淋巴瘤,也有望为实体瘤提供新的治疗干预方案。转基因细胞疗法市场预计将从2022年27亿美元至323亿美元2029年的复合年增长率为42%.该领域的主要参与者包括BristolMyersSquibb和Gilead等大型制药公司，它们分别通过收购Juno/Celgene和KitePharma来扩展其细胞治疗能力。但是，有一些较小的生物技术公司在早期开发阶段就利用这种技术的资产，包括Allogene和Ixaka（以前的Rexgenero）。基因疗法SynBio使科学家能够通过基因组编辑（例如CRISPR）或通过载体（通常是病毒载体）引入来纠正潜在的遗传缺陷，从而治愈疾病。或者，合成寡核苷酸可用于修饰遗传响应，RNAi是目前最突出的技术。蓝移/报告005蓝移/报告005现在例如，基于载体的基因疗法已被批准用于血友病A和B。在这两种情况下,病毒载体均用于递送正确的基因，并可能通过单一治疗治愈患者，尽管长期数据尚不可用。基因治疗市场预计将以复合年增长率快速增长从2022年的75亿美元到300亿美元~20%在2030年。关键的成熟参与者的例子是大型制药公司，如诺华，以及更多的利基公司，如Vertex。目前已批准的基因治疗主要集中在血液系统遗传疾病，如血友病和严重的镰状细胞性贫血,但也包括退行性遗传性疾病。用于一些较大适应症领域的基因疗法，例如1型糖尿病，也正在开发中。生物机接口SynBio技术可以为开发提供解决方案有效的生物人机和神经机器接口。例如，已经证明闭环脑机接口（BMI）技术可以调节大鼠的感觉-情感体验，说明BMI方法如何用于疼痛控制作为药物的替代品。存在许多医疗保健应用，例如恢复身体功能和控制症状。在教育和娱乐中也有