摘要：合成生物学是一门将工程学原理应用于生物学的新兴学科，旨在通过设计和构建具有特定功能的生物分子、细胞和生物系统，来解决医疗、能源、化工等领域的挑战。近年来，随着基因编辑技术、高通量测序技术、生物信息学以及人工智能等技术的不断突破，合成生物学在医疗领域的应用日益广

合成生物学是一门将工程学原理应用于生物学的新兴学科，旨在通过设计和构建具有特定功能的生物分子、细胞和生物系统，来解决医疗、能源、化工等领域的挑战。近年来，随着基因编辑技术、高通量测序技术、生物信息学以及人工智能等技术的不断突破，合成生物学在医疗领域的应用日益广泛，展现出巨大的应用潜力和市场空间。

合成生物学在药物研发领域的应用主要体现在药物靶点发现、药物筛选和药物生产等方面。通过全基因组和CRISPR技术，制药公司可以验证大量基因测序数据，发现新的药物靶点。例如，基于CRISPR技术的高通量筛选系统可以用于大规模地敲除（CRISPR-KO）、抑制（CRISPRi）或激活（CRISPRa）候选基因，通过观察疾病表型的恶化或缓解，找到潜在的药物作用靶点。

在确定靶点后，可以利用合成生物学设计全细胞筛选试验，进行药物发现。通过整合微生物次生代谢的基因回路到宿主微生物中，可以促进靶向化合物的基因表达。此外，光遗传学生物传感器可以用于验证药物靶点，通过设计的疾病模型了解药物的作用机制，并在特定部位或特定条件下诱导药物递送机制。

蛋白质工程是合成生物学的重要工具，通过定点诱变可以增加酶的区域特异性或立体特异性，增加所选配体的结合常数，或在酶亚型之间进行选择。合成生物学的主要特点是可以通过“活细胞生产”来弥补有机化学方法合成化合物的不足，利用微生物作为工厂，批量生产各种人类所需的化合物。例如，抗疟药物青蒿素及抗癌药紫杉醇的量产就依赖于合成生物学。

合成生物学在疫苗的开发和生产过程中也发挥了重要作用。通过基因编码突变或化学突变等方法，合成生物学可以改变病原体的基因组序列，从而降低病原体的毒力和传染性。例如，通过使用大规模同义突变来重新设计病毒基因组，可以快速创建减毒病毒，而无需详细了解其功能。这种方法适用于多种病毒，如脊髓灰质炎病毒、流感病毒和登革病毒等。

在疫苗的设计和构建方面，合成生物学可以利用基因合成和基因克隆等技术，构建具有特定抗原性的疫苗。利用基因合成技术可以快速构建疫苗候选基因，而利用基因克隆技术可以将多个抗原基因组合到一个疫苗中，实现多价疫苗的构建。此外，合成生物学还可以应用于疫苗载体的设计和构建，例如利用病毒载体或质粒载体等技术，将疫苗抗原导入人体细胞中，从而诱导免疫反应。

在疫苗生产的优化方面，合成生物学可以应用于代谢工程、细胞工程和工艺工程等领域，以提高疫苗的产量和质量。例如，利用代谢工程技术可以优化细胞代谢途径，提高疫苗抗原的产量；利用细胞工程技术可以构建高效的表达系统，提高疫苗抗原的表达水平；利用工艺工程技术可以优化疫苗生产的流程，提高疫苗的纯度和稳定性。

在COVID-19疫情期间，mRNA技术在快速开发疫苗方面的优势凸显。Moderna公司开发的mRNA-1273在25天内完成了COVID-19疫苗的序列设计和生产，并破纪录地用63天完成从序列设计到首个受试者给药。目前，该疫苗已获得美国食品药品监督管理局（FDA）的紧急使用授权。

细胞免疫疗法是一种利用患者自身的免疫细胞来攻击癌细胞或其他病原体的治疗方法。合成生物学在细胞免疫疗法中的应用主要体现在CAR-T疗法、TCR疗法等方面。

CAR-T疗法是一种通过基因工程技术将嵌合抗原受体（CAR）导入T细胞中，使其能够识别和攻击肿瘤细胞的治疗方法。合成生物学可以应用于CAR的设计和构建，利用基因合成技术构建高亲和力和特异性的CAR，用于识别和攻击肿瘤细胞。此外，利用基因编辑技术可以改变CAR的结构和特性，提高CAR的识别和攻击能力。利用基因放大技术可以扩大CAR-T细胞的数量，用于增强治疗的效果。

TCR疗法是一种通过基因工程技术将T细胞受体（TCR）导入T细胞中，使其能够识别和攻击特定抗原的治疗方法。合成生物学可以应用于TCR的设计和构建，利用基因合成技术构建高亲和力和特异性的TCR，用于识别和攻击肿瘤细胞。此外，利用基因编辑技术可以改变TCR的结构和特性，提高TCR的识别和攻击能力。

在细胞免疫治疗的生产和优化方面，合成生物学可以应用于代谢工程、细胞工程和工艺工程等领域，以提高细胞免疫治疗的产量和质量。例如，通过优化细胞代谢途径和构建高效的表达系统，可以提高CAR-T细胞和TCR-T细胞的产量和活性。

四、微生态疗法

微生态疗法是一种利用微生物或其代谢产物来治疗疾病的方法。合成生物学在微生态疗法中的应用主要体现在微生态制药、微生态疫苗和噬菌体疗法等方面。

在微生态制药方面，合成生物学可以应用于开发免疫介导性疾病的人体肠道微生物药物。通过精准控制菌群药物的组成结构，可以解决传统供体依赖性肠道微生物药物组分不一的难题。例如，美国公司Vedanta正在开发免疫介导性疾病的人体肠道微生物药物。

在微生态疫苗方面，合成生物学可以应用于设计和构建微生态疫苗。例如，英国公司4D Pharma正在与默沙东围绕微生态疫苗展开合作。

在噬菌体疗法方面，合成生物学可以应用于开发和优化噬菌体治疗慢性疾病和皮肤病的方法。例如，以色列公司BiomX正使用天然及合成的噬菌体治疗慢性疾病（如炎症性肠病）和皮肤病。

根据CB Insights数据显示，全球合成生物学市场规模从2019年的53亿美元增长到2024年的189亿美元，复合年均增长率（CAGR）为28.8%。其中，合成生物学在医疗健康领域的市场规模从2019年的21亿美元增长到2024年的50亿美元，CAGR为18.9%。2019年，医疗健康领域占合成生物学市场规模的40%，是第一大应用领域。

BCG数据也显示，以生物制药、非处方药和医疗器械为代表的医疗健康领域是合成生物学应用较早的领域。未来，在政策及资本支持下，合成生物学在医疗健康领域的应用场景有望持续拓展，市场规模有望保持较快增长。根据预测，2028年合成生物学在医疗健康领域的应用规模有望达到133亿美元，年平均增速达到15%。

尽管合成生物学在医疗领域展现出巨大的应用潜力和市场空间，但其发展也面临着诸多挑战。例如，合成生物学的应用可能会引起安全性问题，如新型病原体的产生和不可逆性的基因编辑。因此，在合成生物学的应用中，需要保持伦理和安全性，并制定相应的政策和法规。

此外，合成生物学技术的研发和应用需要大量的资金投入和技术支持。目前，全球范围内布局合成生物学的企业主要分为上、中、下游三类，包括提供基因技术服务、生物合成技术和设计方案以及产品规模化生产和商业化的企业。这些企业需要加强合作与交流，共同推动合成生物学技术的发展和应用。

同时，合成生物学在医疗领域的应用也面临着巨大的机遇。随着基因编辑技术、高通量测序技术、生物信息学以及人工智能等技术的不断突破，合成生物学在医疗领域的应用将更加广泛和深入。例如，在癌症治疗方面，合成生物学可以应用于开发更加精准和有效的细胞免疫疗法；在传染病防控方面，合成生物学可以应用于开发更加快速和高效的疫苗和诊断工具。

中投顾问产业研究院认为，合成生物学作为一种新兴的技术领域，在医疗领域的应用展现出巨大的潜力和市场空间。通过药物研发、疫苗生产、细胞免疫疗法和微生态疗法等方面的应用，合成生物学为医疗领域带来了革命性的变革。未来，随着技术的不断发展和政策的支持，合成生物学在医疗领域的应用将更加广泛和深入，为解决人类健康问题提供更加高效和精准的工具。然而，合成生物学的发展也面临着诸多挑战和机遇，需要政府、企业和学术界共同努力，推动合成生物学技术的研发和应用，为人类健康事业做出更大的贡献。

来源：中投顾问