第六届GBAT 2024 大湾区生命科学产业峰会，采用线上专题形式发布。2024年6月24日起，我们通过六合商业研选全网媒体矩阵，围绕生命科学主题，发布生命科学、合成生物、生物制造、生物医药、生物能源5期专题文章。
生命科学新时代曙光已现，未来将以指数级速度加速裂变，昔日种种科幻场景，将逐一走入现实，让我们一起跟随生命科学前沿突破与产业变革浪潮，演绎生命科学无限可能，共同开启充满无限想象的崭新纪元。
本期我们带来GBAT 2024大湾区生命科学产业峰会第三篇报告生物制造，探讨生物制造作为21世纪颠覆性技术，如何重塑全球经济形态，分享给大家，Enjoy！
正文：
全文4,226字
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生物革命将变革传统生产方式，生物制造推动生产制造业大范围变革
生物制造，有望引领第四次工业革命，反映生物学在21世纪科技发展与产业变革核心地位。生物制造将生物体作为细胞工厂，以基因工程、代谢工程、合成生物学等前沿生物技术为基础，利用菌种、细胞、酶等生命体生理代谢机能或催化功能，通过工业发酵工艺，规模化生产目标产物，将生物质（生物体或其代谢产物形成的可再生资源）原料转化为生物产品，广泛应用于化工、材料、能源、食品等重要工业制造领域。
21世纪是生物学的世纪，生物制造作为覆盖面最广、渗透力最强的颠覆性技术，正在成为重塑未来经济形态的决定性力量。乔布斯曾表示，21世纪最大的技术革新是生物学与工程学的结合，即合成生物学。合成生物学是生物制造的基础与核心驱动力，推动生物经济崛起。
生物革命，将变革传统生产方式，生物制造推动生产制造业大范围变革。2020年6月，麦肯锡发布报告《生物革命The Bio Revolution》指出，全球经济多达60%实物资源，可通过生物方式生产，约1/3是生物材料，包括木材或作为食品饲养的动物，2/3是非生物材料，包括塑料、燃料等，可使用生物学方式生产或替代。
麦肯锡预计，2030~2040年，生物革命每年对全球直接经济影响，可能达2万亿~4万亿美元；超过一半的直接影响，可能在人类健康以外领域，包括农业、食品、消费品、服务、材料、能源生产等，考虑到潜在连锁反应、尚未出现新应用、额外科学突破，全部潜力可能会更大。
生物制造前景广阔，变革传统生产制造模式，应用范围涉及人类社会方方面面。生物制造是生物经济主要组成部分，是利用生物体机能进行物质加工与合成的绿色生产方式，推动化工、医药、材料、轻工等工业产品制造与生物技术深度融合，向绿色低碳、可持续发展模式转型，产品包括生物基材料、化学品、生物能源、药品、食品等，广泛覆盖塑料、尼龙、橡胶、原料药、疫苗、抗体等产品，甚至能生产淀粉、蛋白质、油脂等食品，颠覆未来农产品供给模式。
生物制造工厂
世界经合组织OECD预测，基于可再生资源的生物经济形态将形成。OECD预测，2030年，将有35%化学品与其它工业产品来自生物制造，生物制造在生物经济中贡献率将达39%，超过生物农业的贡献率36%、生物医药的贡献率25%，将有25%有机化学品、20%化石燃料，由生物基化产品取代。
上海市生物工程学会2022年发布数据，预计未来5年内，合成生物学有望在生物制药、肉类与水产养殖、化妆品、非处方药等领域取得较大突破；5~10年内，化学品、纺织品、非肉类食品、农业等领域，将受到合成生物学较大冲击；更远的未来，合成生物学，有望在矿业、燃料、发电、建材、机械等领域实现颠覆性革新。
生物制造将大幅减少二氧化碳、废水等污染物排放，具有高效、绿色、可持续发展特性。化工生产，大多能耗高，废水、废气、废渣排放多，加剧环境污染，导致巨大治理成本。生物制造，依托清洁的生物过程，能耗、物耗低，无毒无害，副产物少，资源利用效率远高于化学合成，助力摆脱对石化资源依赖。
世界经合组织OECD案例研究表明，生物合成可降低工业过程能耗15~80%、原料消耗35%~75%，减少空气污染50%~90%、水污染33%~80%；OECD预测，2030年，世界经合组织OECD国家将形成基于可再生资源的生物经济形态。世界基金委员会预测，到2030年，工业生物技术每年将可降低25亿吨二氧化碳排放。
生物制造应用场景广泛
AI与生物制造双螺旋结合，加速生物制造数字化转型新引擎
随着AI大模型激发新一轮技术革命，AI与生物制造双螺旋结合，加速生物制造数字化与智能化。高通量的基因合成、基因测序、基因编辑等突破性生物技术，带来生物领域数据大爆发，给AI应用创造巨大机会。
AI大模型，是驱动生物制造数字化转型新引擎，生物制造是多学科交叉、数据密集、知识密集的复杂系统，涉及海量生物数据。传统数据处理与知识挖掘方法，难以应对生物大数据规模化、多样化、高维化特点，AI大模型能针对性处理超大规模复杂数据，从海量生物数据中自动学习提取复杂特征与内在规律，实现生物制造全流程智能优化。
AI对生物制造的影响与日俱增，引领生物制造实现革命性技术变革与产业升级。AI正在渗透与重塑生物制造各环节，让生物制造DBTL闭环（设计Design、构建Build、测试Test、学习Learn），变得更加智能、高效、精准、可控，从智能设计、自动构建，到高通量筛选、知识学习，再到工程放大与产业转化，助力全面提升生物制造研发效率与成功率。
AI对生物制造涉及的基因编辑效率、代谢途径优化、生产过程优化、蛋白质设计等关键技术环节，拥有重要赋能作用。AI加速原创性基础研究向应用技术的转化，打通从实验室到工厂的创新链条，实现更高效、更精确的生物制造产品开发。
AI提升基因编辑技术精确性与效能，让基因编辑更精准高效。基因编辑领域，AI主要用于优化编辑效率，降低非目标修改、预测编辑可能结果。利用AI算法，研究人员能开发预测模型，预测CRISPR-Cas9等编辑工具活性与特异性，提高基因编辑成功率，减少不希望出现的副作用。通过分析历史基因编辑数据，AI能为后续实验提供更精确预测，指导研究方向与实验设计。
AI有效指导蛋白质设计，正在重塑蛋白质工程。AI在蛋白质设计领域应用，主要集中在预测蛋白质三维结构、设计具有特定功能蛋白质、优化蛋白质稳定性与生物活性等方面。
AlphaFold等模型，通过深度学习技术，可预测蛋白质三维结构，为合成生物学家提供有关蛋白质功能信息。
AI可用于蛋白质亲和性设计，通过优化蛋白质与目标分子相互作用，提高蛋白质生物活性。这些技术在药物设计、生物传感器、工业酶等领域具有重要应用价值。
Alphafold3预测蛋白与DNA机构和相互作用
AI优化代谢途径与生物生产过程，使生物制造过程更柔性智能。AI在代谢工程中的应用，主要包括改善代谢路径、调整基因表达水平、评估微生物生产能力。通过机器学习技术，研究者能创建代谢网络数学模型，预测基因敲除或增强表达对最终产品产量影响，助力高效挑选与改良生产微生物株，提升生物产品产量与质量。
AI可助力合成生物学克服重要挑战，预测生物工程方法对宿主与环境影响。以往，在合成生物学领域，因缺乏对生物工程结果预测能力，即便借助计算机辅助设计，科学家们也不得不依赖反复试错达成工程目标，耗费大量资源。AI使得研究人员能够通过分析公开与实验数据，预测生物工程对宿主生物与环境可能产生的影响，推动生物制造发展步入新阶段。
各国积极抢占生物制造科技制高点，中国有望弯道超车
全球各国积极布局生物制造领域，力图抢占新一轮生物经济发展制高点。美国、中国、欧盟、日本、新加坡、以色列等国，积极参与生物制造领域竞争，AI、合成生物学、先进制造等多种技术交叉融合，将引发生物制造范式深刻变革，最终催生出新产业业态与商业模式，既是转型升级重大机遇，也是国际分工格局重塑激烈竞争。
中国工程院院士、浙江工业大学教授郑裕国表示，理论上，全球一半以上重要化学品可用生物制造方法获得，目前真正实现生物制造的产品仅占很小一部分。技术赋能经济发展角度看，理论比例与实际应用间的巨大差距，意味着新的经济增长点，这也是世界各国抢占生物制造科技制高点的原因。
美国是当前全球生物制造领域领导者，拥有全球最强大生物技术创新引擎。从技术研发到产业化应用，从创新生态到政策法规，美国在生物制造方方面面积累丰富经验与资源，走在世界最前列。
美国拥有哈佛、MIT、斯坦福等顶尖高校与国家实验室，在合成生物学、系统生物学、生物信息学等前沿领域，不断取得原创性突破，为生物制造技术进步提供源头动力。
Ginkgo、Zymergen、Amyris等知名企业，加速生物基材料、生物药物等创新产品的规模化应用。
2022年9月12日，拜登正式签署启动《国家生物技术和生物制造计划》行政令，凸显生物制造战略地位。行政令启动国家生物技术与生物制造倡议，降低美国对国外依赖，确保美国能够将所有发明创造转化为产品的能力，应对中国在生物技术方面挑战。
美国白宫表示，生物制造借助生物技术，能对微生物进行编程，制造特殊化学品与化合物，促使工业界接受生物制造作为基于石油基的替代品，重塑塑料、燃料、材料、药品等产品。在21世纪末之前，生物工程可能占全球制造业产出1/3以上，价值近30万亿美元。
2023年，美国白宫发布《美国生物技术和生物制造的明确目标》报告，设定新的明确目标与优先事项，推进美国生物技术与生物制造发展。拜登政府提出实现生物经济长期目标，20年内，用生物基替代品，取代塑料与商业聚合物，取代超过90%塑料；通过生物制造方式满足至少30%化学品需求；通过合成生物学、生物制造、工程化生物方式，扩大细胞疗法规模，将制造成本降低10倍；7年内，减少农业甲烷排放30%；5年内，对100万种微生物进行基因组测序，了解至少80%新发现基因功能。
美国白宫发布《美国生物技术和生物制造的明确目标》报告
美国面临生物制造产业链协同配套滞后问题，企业多选择海外建厂。生物制造从实验室走向产业化，需要建立完善产业链配套体系。生物制造作为新兴产业，在诸多环节尚缺乏成熟工艺与技术装备，导致美国企业在扩大产能时，面临上下游供需失衡、部分工序外包制约等问题。美国生物制造企业多采取飞地模式，在海外建厂，利用当地原料、土地、劳动力等资源。
很多美国公司选择在巴西生产，利用巴西当地便宜粮食资源，生物制造产业化过程中，研发与生产的紧密协同至关重要，海外建厂面临研发与生产脱节问题。生物制造往往需要研发人员与生产工程师密切配合、频繁迭代，工厂与实验室若物理距离过于遥远，时区、语言、文化差异将加大沟通成本，甚至出现在实验室工作很好，放大生产后，完全不行的情况。
中国是发酵大国，生物制造领域具备实现弯道超车关键优势。中国拥有全球最大规模的发酵产能，约占全球发酵产能一半，受益长期以来在抗生素等发酵工业领域持续投入。成熟完善发酵体系，为中国发展现代生物制造奠定坚实产业根基。盘活传统发酵产能，实现向现代生物制造的跨越，是中国生物产业弯道超车的重大战略机遇。
中国传统发酵产业，面临大而不强的困境，转型升级需求迫切。中国拥有全球最大发酵产能，产品同质化、技术含量低等问题，企业普遍盈利水平不高，大量消耗资源，难以实现经济效益与环境效益，粗放型发展模式难以为继，需要从传统发酵生产，向精细化、高附加值现代生物制造转型升级。
2024年3月，中国十四届全国人大二次会议政府工作报告明确，加快创新药等产业发展，积极打造生物制造等新增长引擎。国务院总理代表国务院作政府工作报告提出，巩固扩大智能网联新能源汽车等产业领先优势，加快前沿新兴氢能、新材料、创新药等产业发展，积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎。
十四届全国人大二次会议政府工作报告明确积极打造生物制造等新增长引擎
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