醫藥生物行業合成生物學系列報告：合成生物學從1.0到3.0“創造萬物”的實現路徑與過程中的投資機會-220916（19頁）.pdf

1、 敬請閱讀末頁的重要說明 證券研究報告|行業深度報告 2022 年 09 月 16 日 推薦推薦（維持）（維持）合成生物學系列合成生物學系列報告報告：合成生物學合成生物學從從 1.0 到到 3.0 消費品/醫藥生物 本篇報告本篇報告是首篇合成生物學深度報告發布半年后對行業的再思考，是首篇合成生物學深度報告發布半年后對行業的再思考，將合成生物將合成生物學學企業細企業細分為分為 1.03.0 階段去理解其背后內涵與投資價值。明確要成為可能“創階段去理解其背后內涵與投資價值。明確要成為可能“創造萬物”的合成生物學造萬物”的合成生物學 3.0 公司公司首先首先需要需要從從第一性原理第一性原理出發構建項

2、目出發構建項目，更進一，更進一步步，討論討論各企業各企業在向合成生物學在向合成生物學 3.0 階段進發過程中階段進發過程中的的技術路徑技術路徑，最后總結出，最后總結出向合成生物學向合成生物學 3.0 階段進發過程中的階段進發過程中的投資機會與相關標的。投資機會與相關標的。合成生物學合成生物學 1.03.0合成生物學定義、內涵及投資價值的再思考合成生物學定義、內涵及投資價值的再思考。超越判斷“是否屬于”合成生物學公司，不糾結“反應發生在菌株內外”，投資角度我們將合成生物學公司分類進一步明確：合成生物學合成生物學 1.0：有產品技術路徑符合合成生物學定義，但無法體現合成生物學生產方式的比較優勢。投

3、資邏輯應該更關注產品本身，而不是合成生物學標簽。合成生物學合成生物學 2.0：合成生物學優勢盡數體現在產品生產過程中，替代原有生產方式過程正在進行中。投資邏輯在于通過合成生物學優勢帶來的競爭壁壘與市場增長確定性，可以給予管線估值。合成生物學合成生物學 3.0：以合成生物學思維構建平臺，旨在完成多品類產品落地并創造新需求。投資角度空間極大，平臺化估值，賠率更高。我們認為合成生物學 3.0 公司或可實現“創造萬物”愿景。如何實現向合成生物學如何實現向合成生物學 3.0 的跨越：從第一性原理出發的跨越：從第一性原理出發。向合成生物學 3.0跨越我們認為首先需要改變思維方式，在立意上從第一性原理出發指

4、導項目完成。菌株天然進化的方向不是為人類所用，因此代謝通路可以參考但不能依賴。例如以成本優勢為導向的合成生物學項目，第一性原理應為“原子經濟性”，從“原子經濟性”出發，具體例如在合成 PHA（聚羥基脂肪酸酯）過程中，以油脂為原料的理論質量轉化率上限為 134%，相較于以葡萄糖為原料的質量轉化率上限 47.7%，油脂為原料原子經濟性更高，將從根本上原料端降低成本，同時成本的降低將打開 PHA 廣闊的應用空間。向向 合成生物 學合成生物 學 3.0 出 發過程中 技術路徑 討論：數 字化加速出 發過程中 技術路徑 討論：數 字化加速 DBTL（Design-Build-Test-Learn）循環循

5、環。生命體系的復雜性決定構筑過程難以從理性指導完成，以第一性原理為指導而并非天然菌株參考加大了構筑難度，DBTL 循環效率決定最終成功率。自動化實驗平臺背后是數字化數據積累，以Ginkgo Bioworks 與藍晶微生物為例，平臺建設具體涉及自動化實驗流程，軟件適配與數據基礎設施支持。Ginkgo Bioworks 數字化平臺正在驗證合成生物學領域的“摩爾定律”（單位時間運行測試數量每年翻三倍，每年的單位研發/運營成本降低 50%），整個體系能夠體現顯著的“飛輪效應”。投資建議：投資建議：向合成生物學 3.0 進發過程中，可以發掘投資機會共有兩大類：1）合成生物學3.0公司本身或具備3.0潛力

6、的公司（如藍晶微生物、華恒生物藍晶微生物、華恒生物等）；2）合成生物學 3.0 公司的“賣水人”：產業鏈上可以為合成生物學 3.0 公司提供服務的企業，如 DNA 合成、單細胞多組學表征等服務的公司（如金斯瑞金斯瑞生物科技生物科技等）；或合成生物學 3.0 公司的設備儀器耗材供應商（華大智造、華大智造、納微科技、森松國際納微科技、森松國際等）。風險提示：風險提示：研發不及預期風險、研發不及預期風險、產業化進程不及預期風險產業化進程不及預期風險、生物安全風險、生物安全風險、供應鏈風險供應鏈風險。行業規模行業規模 占比%股票家數（只）427 8.9 總市值（億元）63294 7.9 流通市值（億元

7、）47802 7.1 行業指數行業指數%1m 6m 12m 絕對表現-5.4-6.9-10.6 相對表現-1.6-7.9 6.6 資料來源：公司數據、招商證券 相關相關報告報告 1、合成生物學系列報告：產品專題之（三）丁二酸：未來將通過合成生物學生產方式滿足巨量的下游需求2022-09-12 2、合成生物學系列報告：產品專題之（二）合成生物學在可降解塑料領域的應用前景及技術關鍵2022-08-16 3、創新藥系列報告（二）：海外臨床篇FDA 審批新藥標準下的中國創新藥企臨床策略與標的篩選2022-07-18 許菲菲許菲菲 S1090520040003 焦玉鵬焦玉鵬 研究助理 -30-20-10

8、01020Sep/21Jan/22May/22Aug/22(%)醫藥生物滬深300“創造萬物”“創造萬物”的實現路徑的實現路徑與過程中與過程中的的投資機會投資機會 敬請閱讀末頁的重要說明 2 行業深度報告 正文正文目錄目錄 一、合成生物學 1.03.0合成生物學定義、內涵及投資價值的再思考.4 1.1 合成生物學 1.0：技術路徑符合合成生物學定義，但鮮有比較優勢體現.4 1.2 合成生物學 2.0：合成生物學優勢盡數體現在生產過程中，管線價值得以體現.5 1.3 合成生物學 3.0：能夠體現合成生物學平臺性，向“創造萬物”目標進發.6 二、如何實現向合成生物學 3.0 的跨越：從第一性原理出

9、發.7 2.1 以成本優勢為導向，合成生物學第一性原理為“原子經濟性”.7 2.2 從第一性原理出發設計反應路徑藍晶微生物 PHA 生產過程.8 三、向 3.0 出發過程中技術路徑討論：數字化加速 DBTL 循環.9 3.1 Ginkgo Bioworks 生物鑄造廠（Foundry）平臺上菌株改造流程.9 3.2 藍晶微生物構筑工業 4.0合成生物學 SynBio OS 技術平臺.12 3.3 數字化平臺的迭代優勢特點與合成生物學領域內的“摩爾定律”.14 四、投資建議：發掘向合成生物學 3.0 進發過程中的投資機會.16 4.1 合成生物學 3.0 公司本身：向“創造萬物”愿景出發，未來空

10、間極大.16 4.2 合成生物學 3.0 公司“賣水人”：服務商與儀器設備供應商的投資機會.16 五、風險提示.17 圖表圖表目錄目錄 圖 1：一圖總結合成生物學 1.03.0 背后內涵、投資邏輯與企業實例.4 圖 2：蘇氨酸生產菌株構建.5 圖 3：蘇氨酸競爭格局.5 圖 4：L-丙氨酸合成生物學方法對傳統方法的替代.6 圖 5：Ginkgo Bioworks 構建的技術平臺.6 圖 6：不同原料合成 PHA 成本對比.7 圖 7：以葡萄糖為原料或以脂肪酸為原料合成 PHAs 的差異.8 圖 8：藍晶微生物 PHA 生產過程原理.8 圖 9：Ginkgo Bioworks 項目實現流程.9

11、圖 10：Ginkgo Bioworks 鑄造廠中機械臂與導軌.10 圖 11：Ginkgo Bioworks 鑄造廠中自動化移液裝置.10 圖 12：Ginkgo Bioworks 鑄造廠中向 Echo 聲波移液工作站進樣.11 1VVWWZZY2UoMtR9PaO7NtRqQoMpNjMoOxOfQmNzQbRnNuNuOoPpNvPnRtP 敬請閱讀末頁的重要說明 3 行業深度報告 圖 13：菌株繁殖過程中應用的小型生物反應器.11 圖 14；菌株繁殖過程中應用的多孔板.11 圖 15：檢測過程及過程中所用儀器.12 圖 16：藍晶微生物 BlueArk 機械臂.13 圖 17：藍晶微生

12、物操作系統界面.13 圖 18：藍晶微生物高通量發酵平臺 AutoFarm.13 圖 19：鑄造廠中單位時間運行測試數量每年翻三倍.14 圖 20：鑄造廠單位研發/運營成本每年降低 50%.15 圖 21：Ginkgo Bioworks 飛輪效應.15 圖 22：合成生物學 3.0 系列投資機會與標的.16 圖 23：Ginkgo Bioworks 鑄造廠平臺上接入 Beacon 系統.17 敬請閱讀末頁的重要說明 4 行業深度報告 一、一、合成生物學合成生物學 1.03.0合成生物學定義合成生物學定義、內涵內涵及投資價值及投資價值的再思考的再思考 投資角度投資角度需要需要對對合成生物學合成生

13、物學概念概念進行進行進一步明確以及進一步明確以及對對企業企業進行進行進一步進一步分類分類?！巴ㄟ^自下而上的，底層到基因層面的對生命系統（細胞/菌株）的設計和改造，使之能夠生產人類所需產品或行使人類所需功能”的合成生物學范圍框定是我們對合成生物學最初的認知，以上定義也可以幫助我們區分合成生物學企業與傳統發酵企業，但實際上以上范圍框定并未區分出合成生物學（Synthetic Biology）與代謝工程（Metabolic Engineering）。同樣站在投資角度，我們認為討論合成生物學背后的意義背后的意義與帶來的革新帶來的革新會比單純界定某個企業“是不是”“是不是”合成生物學企業更有價值，對于確

14、實有合成生物學項目的企業，我們也更要去關注或去理解其是怎么樣的合成生物學企業。因此，在這里我們對合成生物學概念進行進一步明確，將合成生物學分為 1.03.0 三個階段去理解，分類也不再強調過程是否在細胞或菌株內部完成，分類標準更多是從技術能否帶來變革的角度，并將逐一分析處于不同階段的合成生物學公司投資價值。圖圖 1：一圖總結一圖總結合成生物學合成生物學 1.03.0 背后內涵、投資邏輯與背后內涵、投資邏輯與企業實例企業實例 資料來源：公司公告、招商證券 1.1 合成生物學合成生物學 1.0：技術路徑符合合成生物學定義，但鮮：技術路徑符合合成生物學定義，但鮮有有比較優勢比較優勢體現體現 合成生物

15、學合成生物學 1.0：技術路徑符合合成生物學定義，技術路徑符合合成生物學定義，但但無法體現合成生物學生產方式的比較優勢無法體現合成生物學生產方式的比較優勢。符合合成生物學 1.0特征的企業有在定義上屬于合成生物學范疇內的項目，但無法體現合成生物學生產方式的比較優勢，或當前的發展階段已經基本實現了對原有生產方式的替代。對于公司來說此前并沒有合成生物學公司的提法，當前時點確認為合成生 敬請閱讀末頁的重要說明 5 行業深度報告 物學公司。就其現有的合成生物學項目布局來看，也通常呈現較為分散的特點。從技術手段角度來看，此類公司更偏向代謝工程，菌株改造實現過程并不通過DBTL循環。合成生物學合成生物學1

16、.0公司公司的投資邏輯的投資邏輯應該更關注其產品本身的邏輯，應該更關注其產品本身的邏輯，而不是在糾結其是否被打上合成生物學標簽而不是在糾結其是否被打上合成生物學標簽。由于對原有生產方式的替代過程已經完成，產品本身邏輯中能體現合成生物學優勢的過程同樣相對有限，并不會因為“同一個的項目此前未明確提及，而當下被認定為合成生物學項目”而提升估值。合成生物學 1.0 實例有市場穩定的氨基酸品種如蘇氨酸等，代表企業梅花生物。梅花生物現有蘇氨酸產能 30 萬噸，全球產能占比約 30%。從技術上看，梅花生物自 2011 年開始申請“一種 DNA 分子及重組質粒和大腸桿菌”的專利（CN102660558A），通

17、過基因重組、改造、構建高性能蘇氨酸發酵菌種，并用于后續發酵生產，路徑屬于合成生物學路徑，但蘇氨酸市場本身已經成熟，競爭格局穩定，產品邏輯更偏向周期屬性。圖圖2：蘇氨酸生產菌株構建：蘇氨酸生產菌株構建 資料來源：國家知識產權局、招商證券 圖圖3：蘇氨酸競爭格局：蘇氨酸競爭格局 資料來源：公司公告、公司官網、招商證券 1.2 合成生物學合成生物學 2.0：合成生物學優勢盡數體現在生產過程中，管線價值得以體現：合成生物學優勢盡數體現在生產過程中，管線價值得以體現 合成生物學合成生物學 2.0：合成生物學優勢合成生物學優勢盡數體現在盡數體現在產品產品生產過程中生產過程中，替代原有生產方式過程正在進行中

18、。，替代原有生產方式過程正在進行中。符合合成生物學2.0 特征的企業通過合成生物學生產方式做到成本優勢，疊加碳中和優勢后，正在對原有的生產方式進行快速替代或有較強的替代預期的確定性。替代后產品空間以及落實成本優勢難度與選品能力/邏輯有極大的相關，技術上項目的實現通過 DBTL 循環完成。因此合成生物學合成生物學 2.0 公司的投資邏輯公司的投資邏輯首先考慮落地項目，首先考慮落地項目，在替代原有方式的過程中，業績在替代原有方式的過程中，業績預期將會有較大增量，同時如果能夠驗證具備成本等方面優勢，預期將會有較大增量，同時如果能夠驗證具備成本等方面優勢，替代的替代的確定性確定性預期預期同樣相對較強同

19、樣相對較強，進一步會，進一步會延伸延伸關注關注其管線其管線項目項目。合成生物學 2.0 典型實例與項目為華恒生物的 L-丙氨酸，通過底層改變反應途徑的方式顛覆了傳統化工的成本加成模式，相較于傳統酶法生產 L-丙氨酸成本低 50%，毛利率提升至 50%以上水平。成本降低之處在于傳統酶法生產 L-丙氨酸原料為 L-天冬氨酸，原料成本較高，合成生物學方法生產 L-丙氨酸以葡萄糖為原料，直接改變了 L-丙氨酸的合成路徑，體現絕對的成本優勢的同時顛覆了其成本加成定價方式，疊加碳中和優勢（生產過程中無二氧化碳排放）快速打開市場。敬請閱讀末頁的重要說明 6 行業深度報告 圖圖4：L-丙氨酸合成生物學方法對傳

20、統方法的替代丙氨酸合成生物學方法對傳統方法的替代 資料來源：華恒生物招股書、回復函、招商證券 1.3 合成生物學合成生物學 3.0：能夠體現合成生物學平臺性，向“創造萬物”目標進發能夠體現合成生物學平臺性，向“創造萬物”目標進發 合成生物學合成生物學 3.0：以以合成生物學思維構建平臺，合成生物學思維構建平臺，旨在完成多品類產品落地，并能夠體現合成生物學優勢或通過合成生旨在完成多品類產品落地，并能夠體現合成生物學優勢或通過合成生物學供給創造新需求物學供給創造新需求。更加符合學術上的合成生物學定義會強調“生命系統工程化”的過程。工程化背后是模塊化、標準化思維的體現，目的是實現生命系統（細胞或菌株

21、）等的“可編程”。在合成生物學平臺能夠實現后，其將帶來廣闊的下游應用空間，向“創造萬物”邁進一步。技術上將 DBTL 循環跑通。合成生物學合成生物學 3.0 公司空間公司空間極大，可以給極大，可以給予平臺化的估值。當然平臺化技術難度要求更高，但投資角度賠率極大予平臺化的估值。當然平臺化技術難度要求更高，但投資角度賠率極大，合成生物學 3.0 公司將是行業產業向前發展的大動力。以合成生物學思維構建平臺的合成生物學 3.0 公司有在海外的 Ginkgo Bioworks。由復合計算機背景的 5 個創始人聯合創立的 Ginkgo Bioworks 在創立之初的目標即是“使細胞更容易編程”，而不是集中

22、于某個產品的討論，并在技術上搭建了“Biology+Robots+Software”的技術平臺。我們認為當平臺性得到驗證后，將會打開預期空間。圖圖5：Ginkgo Bioworks 構建的技術平臺構建的技術平臺 資料來源：Ginkgo Bioworks 官網、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 7 行業深度報告 二、二、如何實現向合成生物學如何實現向合成生物學 3.0 的跨越：從第一性原理出發的跨越：從第一性原理出發 合成生物學公司從 2.0 向 3.0 的跨越將極大的打開行業下游應用空間，真正實現合成生物學平臺性價值。當前時點的合成生物學 3.0 實現仍在進程當中，我們將從企業發展的指導思想思

23、路指導思想思路與具體技術路徑與具體技術路徑分別討論什么樣的合成生物學分別討論什么樣的合成生物學公司能夠完成向公司能夠完成向 3.0 的跨越。的跨越。我們認為，必要條件，在項目立意上，需要合成生物學企業從“第一性原理”出發去指需要合成生物學企業從“第一性原理”出發去指導完成項目全過程。導完成項目全過程。從“第一性原理”出發，在最初的代謝通路的選擇構造上，即需要思考通過合成生物學方式生產的產品真正需要解決的問題是什么，而不是盲目借鑒天然細胞或菌株在進化過程中已經實現的代謝路徑。天然細胞或菌株在自然進化過程中的方向并不是朝向人類需求，因此借鑒天然路徑雖然能降低菌株構造難度，但極有可能不是針對人類需求

24、的最優解決方案，甚至難以達到商業化的要求。因此，需要回到解決問題的根本上出發，下面將以合成生物學生產方式體現成成本優勢本優勢為例，展開以成本為考量的“第一性原理”是什么，以及如何指導 PHA 的合成生物學菌株改造與生產的合成生物學菌株改造與生產。2.1 以成本優勢為導向，以成本優勢為導向，合成生物學合成生物學第一性原理為“第一性原理為“原子原子經濟性經濟性”“原子“原子經濟性經濟性”為成本角度的第一性原理，提高原子利用率可以直接降低原料成本?！睘槌杀窘嵌鹊牡谝恍栽?，提高原子利用率可以直接降低原料成本。合成生物學過程需要通過系列酶催化反應實現，原子守恒是需要遵循的根本物理規律，原子守恒下的原子

25、經濟性直接決定原料成本，從“成本優勢”角度考慮合成生物學的第一性原理即為原子經濟性，因此要以盡可能提高原子利用率為方向去開發合成生物學菌株。以以 PHA 合成合成為例，以油脂為原料走“為例，以油脂為原料走“-氧化”途徑相較于以葡萄糖為原料走“糖酵解”可以實現氧化”途徑相較于以葡萄糖為原料走“糖酵解”可以實現 100%的碳原子轉的碳原子轉化率化率，質量轉化率理論上限由葡萄糖路徑的，質量轉化率理論上限由葡萄糖路徑的 47.7%提升至提升至油脂路徑的油脂路徑的 134%。PHA 生物體內合成需要將不同碳源轉化為各種羥?；o酶 A，再通過 PHAs 聚合酶催化羥?；o酶 A 的聚合反應合成各種 PHA

26、s。轉化成羥?；o酶 A 的過程有幾種途徑可供選擇：1）以糖為原料，通過糖酵解過程生成丙酮酸后轉化為乙酰輔酶 A，再通過乙酰輔酶 A 還原酶催化立體選擇性反應生成羥基?；o酶 A，最終轉化成 PHA，此路徑是多種自然菌株的發生的反應路徑。2）以油脂為原料，可以通過-氧化途徑或脂肪酸從頭生物合成途徑合成 PHAs。以油脂為原料和以葡萄糖為原料最大的區別首先是天然轉化率的差異，通過糖酵解途徑，輸入端 1 摩爾的葡萄糖（C6H12O6）分子不考慮細胞生長所需理論最高可轉化為 1 摩爾 PHA（C4H6O2），對應的質量轉化率為 47.7%。而通過-氧化途徑，輸入端 1 摩爾的軟脂酸（C16H32O2

27、），可以轉化為 4 摩爾 PHA（C4H6O2），對應的質量轉化率134%。更進一步，-氧化可以實現下游旁支代謝的完全阻斷，使碳原子 100%流向 PHA。而以葡萄糖為原料合成PHA，碳原子則需要流向三羧酸循環過程，碳原子轉換效率存在上限。以葡萄糖價格 4000 元/噸計，以葡萄糖為原料合成 PHAs 碳原子轉化率按照上限 47.7%，理論最高轉化率下單噸原料成本 8400 元/噸。棕櫚油價格 8000/噸計，以棕櫚油為原料合成 PHAs 質量轉化率 134%，理論最高轉化率下生產 1噸 PHA 大約需要 5900 元棕櫚油。按照以上計算過程，以油脂為原料合成 PHA 比以葡萄糖為原料合成 P

28、HA 的理論單噸原料成本低 30%。若考慮維持菌株正常生長以及通路阻斷的問題，差距可能進一步拉大。圖圖 6：不同原料合成：不同原料合成 PHA 成本對比成本對比 資料來源：Wind、招商證券 備注：以上為理論計算過程，不代表真實生產成本 敬請閱讀末頁的重要說明 8 行業深度報告 圖圖 7：以葡萄糖為原料或以脂肪酸為原料合成：以葡萄糖為原料或以脂肪酸為原料合成 PHAs 的差異的差異 資料來源：Advanced Materials、綠色塑料聚羥基脂肪酸酯生物合成研究進展、招商證券 2.2 從第一性原理出發設計反應路徑從第一性原理出發設計反應路徑藍晶微生物藍晶微生物 PHA 生產過程生產過程 藍晶

29、微生物選擇從底層原子守恒藍晶微生物選擇從底層原子守恒/轉換效率出發，以油脂為原料生產轉換效率出發，以油脂為原料生產 PHAs，在江蘇鹽城落實建設一期，在江蘇鹽城落實建設一期 5000 噸產能。噸產能。當前時點已經有多家企業計劃進行 PHAs 的商業化生產，PHAs 在可降解塑料領域內性能與可降解性均優于其他材料，成本是關乎推廣規模的重要決定因素。在以降低成本為目標的過程中，底層思路選擇上各企業顯示出絕對的差異。藍晶微生物即選擇從“第一性原理出發”，構建以油脂為生產原料的菌株。并在江蘇鹽城落實建設一期 5000 噸產能。從“第一性原理從“第一性原理”出發的思維方式與立意出發的思維方式與立意，我們

30、認為在我們認為在構建構建合成生物學合成生物學 3.0 平臺性公司平臺性公司中十分重要，多品類合成生物中十分重要，多品類合成生物學菌株構建過程相互之間會有很大差異，但能夠跨品類推進成功的商業化落地，我們認為需要學菌株構建過程相互之間會有很大差異，但能夠跨品類推進成功的商業化落地，我們認為需要一致的基本一致的基本指導思想指導思想和和出發點出發點。因此我們看好藍晶微生物成為平臺公司的潛力。圖圖 8：藍晶微生物：藍晶微生物 PHA 生產過程原理生產過程原理 資料來源：濱?？h人民政府年產 5000 噸 PHA 項目環評公示、招商證券 nOOHnOSCoAnOSCoAnOSCoAnOSCoAOOHOSCo

31、AOSCoAOSCoAOOSCoAOHOSCoAOH脂肪酸棕櫚油有機化合物-輔酶A酯烯酰水合酶酮酯酰輔酶A烯酰水合酶羥酰輔酶A乙酰輔酶A乙酰乙酰輔酶A還原酶*O*OO*Onm菌體胞PHA 敬請閱讀末頁的重要說明 9 行業深度報告 三、三、向向 3.0 出發過程中技術路徑討論：數字化加速出發過程中技術路徑討論：數字化加速 DBTL 循環循環 向合成生物學 3.0 進發過程中，明確從“第一性原理”出發的指導思想后，接下來會進行具體實現的技術路徑討論。生命系統本身的復雜性以及人類基礎研究認知的有限使在菌株內部完全實現可理論指導的菌株改造十分困難，同時從“第一性原理”出發，而不是參考自然界中原有通路的

32、思路更進一步加大了菌株改造難度。在具體實踐過程中，無法實現可理論指導的菌株改造過程，是通過 Design-Build-Test-Learn（DBTL）循環來完成的循環優化過程。技術的應用目的是盡可能的提升 DBTL 循環的效率，無論是 Ginkgo Bioworks 的“生物鑄造廠“生物鑄造廠（Foundry）”，抑或是藍晶微生物的工業工業 4.0合成生物學合成生物學研發平臺，都在強調自動化，高通量改造以及數據的積累。我們認為自動化的背后實際上是在構筑數字化的平臺，只有越來越多的有效數據的讀出，才能不斷的加速 DBTL 循環，數字化數字化是向合成生物學3.0 出發過程中必要技術儲備。以下將以

33、Ginkgo Bioworks 的生物鑄造廠技術平臺為例，具體展開如何在平臺上完成菌株改造以及有哪些關鍵技術環節。3.1 Ginkgo Bioworks 生物鑄造廠生物鑄造廠（Foundry）平臺上菌株改造流程平臺上菌株改造流程 Ginkgo Bioworks 生物鑄造廠上的項目流程如下：1）首先應合作方的項目要求，與合作方共同選定或合作方委托Ginkgo Bioworks 選擇開發方向；項目開發組會參考“代碼庫”中的數據或其他自然界中的數據設計序列，并做標準化的輸出，輸出內容是 DNA 序列，以上過程為 Design 過程。2）輸出 DNA 序列會交由 DNA 合成/構建團隊首先完成按要求的

34、 DNA 合成，并將合成出的 DNA 編入細胞/菌株的基因組，在編寫進入細胞/菌株的基因組后進行基因測序，以確保設計好的序列被正確編入細胞/菌株，以上過程為 Build 過程。3）將編程過的細胞/菌株進行功能測試，以檢測是否符合最初要求，以上過程為 Test 過程。4）讀取以上過程中的所有數據，反饋給代碼庫，迭代優化改造方案，并指導未來的 DBTL 過程。DBTL 過程的加速與通量的提高依賴自動化實驗流程，軟件適配自動化實驗流程，軟件適配與數據基礎設施支持數據基礎設施支持。圖圖 9：Ginkgo Bioworks 項目實現流程項目實現流程 資料來源：Ginkgo Bioworks Invest

35、or Day 2021、招商證券 自動化貫穿全流程實驗過程，以機器人、機械臂與導軌等代替實驗操作人員操作過程，提高自動化貫穿全流程實驗過程，以機器人、機械臂與導軌等代替實驗操作人員操作過程，提高 Build 和和 Test 過程效率，過程效率，并讀出更多有效數據用于并讀出更多有效數據用于 Learn 過程過程的反饋的反饋。Ginkgo Bioworks 自動化重點實現 1）對實驗室中傳統手操的替代，2）反應的微型化。在此基礎上，強調數據的讀出以用來迭代更新下一次的設計，因此會加入大量的傳感器裝置以捕捉信息。Ginkgo Bioworks 已經實現對多個實驗操作單元的自動化替代（例如移液、樣品轉

36、移等），同時完成了多個操作單元的自動化集成，可以更好的實現操作時間與精度的控制。不同板塊之間的順序操作同樣由機械導軌與機械臂完成銜接。敬請閱讀末頁的重要說明 10 行業深度報告 圖圖 10：Ginkgo Bioworks 鑄造廠中機械臂與導軌鑄造廠中機械臂與導軌 資料來源：Ginkgo Bioworks Investor Day 2021、招商證券 圖圖 11：Ginkgo Bioworks 鑄造廠中自動化移液裝置鑄造廠中自動化移液裝置 資料來源：Ginkgo Bioworks Investor Day 2021、招商證券 反應的微型化會極高的提高反應效率與通量，例如可以在納升維度對液體進行操

37、作，大大縮短將 DNA 編入菌株中或編入后菌株的測序的時間。Echo 聲波移液工作站的工作飽和度同樣是衡量一條 Foundry 條線利用率的重要指標。敬請閱讀末頁的重要說明 11 行業深度報告 圖圖 12：Ginkgo Bioworks 鑄造廠中鑄造廠中向向 Echo 聲波移液工作站進樣聲波移液工作站進樣 資料來源：Ginkgo Bioworks Investor Day 2021、招商證券 在菌株繁殖階段，通常在小型生物反應器或多孔板中進行，小型生物反應器需要滿足多個并行的發酵反應的實時監控以及數據讀出，過程同樣由自動化裝置完成，并需要加入多個傳感器。多孔板中進行的反應本身就接入自動化流程。

38、圖圖 13：菌株菌株繁殖過程中應用的小型生物反應器繁殖過程中應用的小型生物反應器 資料來源：Ginkgo Bioworks Investor Day 2021、招商證券 圖圖 14；菌株菌株繁殖過程中應用的多孔板繁殖過程中應用的多孔板 資料來源：Ginkgo Bioworks Investor Day 2021、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 12 行業深度報告 在測試階段，質譜、液相色譜，高通量熒光探針等非合成生物學專用技術均會有所應用，但同樣會進行自動化轉化與集成。圖圖 15：檢測過程及過程中所用儀器：檢測過程及過程中所用儀器 資料來源：Ginkgo Bioworks Investor

39、Day 2021、招商證券 在自動化硬件基礎上，需要在自動化硬件基礎上，需要自我開發的適配性軟件自我開發的適配性軟件共同行使功能。共同行使功能。合成生物學自動化系統的構建具備高度特異性，因此軟件特異性程度同樣很高，需要合成生物學企業自我開發。Ginkgo 有專門的軟件團隊，除具備在軟件編程方面的技術能力外還具備生物學的知識儲備，能夠理解軟件開發過程的需求。軟件不僅是能夠操作自動化系統行使功能，同時能夠自動存貯并解讀數據，最終完成“代碼庫”的構建，以指導未來的 DBTL 過程。數字基礎設施建設要求大容量，且足夠靈活。數字基礎設施建設要求大容量，且足夠靈活。大容量與靈活通常在數字基礎設計的構筑上相

40、互矛盾，但是在合成生物學所要求的數字基礎設施需要同時具備大容量與靈活程度。Ginkgo Bioworks 的數字基礎設施在基礎設施構建之初就明確合成生物學項目會涉及到大量的數據，且逐年遞增，因此需要按照未來的數據容量預期來設定。靈活程度在于會經常要求在現有的數字基礎設施上做拓展。3.2 藍晶微生物構筑藍晶微生物構筑工業工業 4.0合成生物學合成生物學 SynBio OS 技術平臺技術平臺 藍晶微生物在數字化平臺構筑上推出 Synbio OS（Synthetic Biology Operating System）平臺，已完成柔性自動化實驗平臺（BlueArk）、超高通量發酵平臺（AutoFarm

41、）和智慧云端數據系統（CyberFarm）三個模塊的部署，覆蓋合成生物學 DBTL 四個環節的三個。BlueArk 與 AutoFarm 可以對標 Ginkgo Bioworks 鑄造廠中自動化的硬件、軟件數字基礎設施部分，智慧云端數據系統更類似于 Ginkgo Bioworks 的代碼庫。柔性自動化實驗平臺（柔性自動化實驗平臺（BlueArk）與超高通量發酵平臺（）與超高通量發酵平臺（AutoFarm）可以實現實驗過程速率）可以實現實驗過程速率/通量通量提升的同時，更深提升的同時，更深層同樣是為了構筑數字化的實驗流程，目標更多有效數據的讀出層同樣是為了構筑數字化的實驗流程，目標更多有效數據的

42、讀出。BlueArk 在實驗過程基本完成自動化操作，同時在軟件方面，藍晶微生物同樣完成完全自主研發的工業軟件設計，可以便捷地實現實驗流程的設計和多任務規劃。AutoFarm 是實現高通量設計構建菌株后能夠及時跟上，不成為限速步驟的保障，并行的自動化發酵罐中也會集成傳感器讀出大量數據，為后續發酵過程做指導。同時在未來有足夠的發酵數據的積累的基礎上，藍晶微生物希望可以通過計算機來有效模擬小試中試試驗過程。敬請閱讀末頁的重要說明 13 行業深度報告 圖圖 16：藍晶微生物：藍晶微生物 BlueArk 機械臂機械臂 資料來源：藍晶微生物官方公眾號、招商證券 圖圖 17：藍晶微生物操作系統界面：藍晶微生

43、物操作系統界面 資料來源：藍晶微生物官方公眾號、招商證券 圖圖18：藍晶微生物高通量發酵平臺：藍晶微生物高通量發酵平臺 AutoFarm 敬請閱讀末頁的重要說明 14 行業深度報告 資料來源：藍晶微生物官方公眾號、招商證券 3.3 數字化平臺的迭代優勢特點與合成生物學領域內的“摩爾定律”數字化平臺的迭代優勢特點與合成生物學領域內的“摩爾定律”合成生物學合成生物學 3.0 公司構建的數字化平臺具備迭代創新特點，能體現先發優勢。公司構建的數字化平臺具備迭代創新特點，能體現先發優勢。從自動化平臺的構建，軟件的編寫，數字基礎設施的固定資產投入，再到類似于“代碼庫”的數據庫的積累，均體現出迭代創新與先發

44、優勢的特點。自動化平臺從無到有的搭建需要兼容多種外部儀器，并且要完成端到端的連接。由于合成生物學實驗操作具備個性化，軟件需要根據自動化平臺從頭完成編寫。數字基礎設施的固定資產投入需要在開始構建平臺時即有明確的需求。自動化平臺硬件，軟件，數字基礎設施又是統一的整體，需要完成從菌株設計（Design），構建（Build），到并行高通量發酵，再到菌株性能測試（Test）完成通量的協同?！按a庫”的積累更是通過 DBTL 的不斷循環而完成，而 DBTL 循環效率的提高，又會加速“代碼庫”的積累，因此是具有“飛輪效應”“飛輪效應”的過程。而且自動化平臺的構建方式應該為漸進式投資，當最初通量沒有完全配合好

45、時，會顯示出“木桶效應”被限速步驟限制整體利用率，進而無法完成目標投資回報。數字化平臺對數字化平臺對人才要求高人才要求高，需要復合背景人才，需要復合背景人才。從 Ginkgo 研發部門可以看出，從前到后的菌株構建流程，“鑄造廠”與“代碼庫”需要涉及到生物專業、自動化專業、軟件專業、數據 IT、IP 專利等方方面面的人才，人才儲備和培養是合成生物學 3.0 公司的重要壁壘。對比芯片對比芯片制造領域“摩爾定律”，制造領域“摩爾定律”，Ginkgo Bioworks 正在驗證“合成生物學正在驗證“合成生物學 3.0 的摩爾定律”的摩爾定律”。對比芯片制造領域的摩爾定律：“集成電路芯片上所集成的電路的

46、數目，每隔 18 個月就翻一倍”，在合成生物學領域，Ginkgo Bioworks正在驗證其合成生物學的摩爾定律，Ginkgo 將其稱為“Knights Law”，為了紀念 Ginkgo Bioworks 的聯合創始人之一Tom Knight?！癒nights Law”具體指在鑄造廠 Foundry 中單位時間運行測試數量每年翻三倍，每年的單位研發/運營成本降低 50%，扣除 2020 年新冠疫情影響，已經得到連續 5 年驗證。圖圖 19：鑄造廠中：鑄造廠中單位時間運行測試數量每年翻三倍單位時間運行測試數量每年翻三倍 資料來源：Ginkgo Bioworks 年報、招商證券 敬請閱讀末頁的重要

47、說明 15 行業深度報告 圖圖 20：鑄造廠單位研發：鑄造廠單位研發/運營成本每年降低運營成本每年降低 50%資料來源：Ginkgo Bioworks 年報、招商證券 合成生物學合成生物學 3.0 具備具備飛輪效應飛輪效應。合成生物學 3.0 公司，無論選擇做產品抑或是提供解決方案，由于先發優勢、類摩爾定律的特點均具備飛輪效應。當自動化平臺上不斷積累項目，會使單個項目的成本降低，進一步使客戶價值得到提升（做產品公司使產品成本降低提高競爭力），進一步可以拿到更多的項目，更多的項目會促進優化代碼庫/數據庫，進一步提高項目的成功率，從而使客戶價值得到進一步提升（做產品公司總體產品競爭力進一步加強），

48、最終使飛輪完成完整循環。圖圖 21：Ginkgo Bioworks 飛輪效應飛輪效應 資料來源：Ginkgo Bioworks 年報、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 16 行業深度報告 四、四、投資建議：投資建議：發掘向合成生物學發掘向合成生物學 3.0 進發過程中的投資機會進發過程中的投資機會 合成生物學 1.0 公司的投資應該回到產品本身邏輯（如是否為周期底部，產品能否開拓新的應用場景等）；合成生物學 2.0 公司通過合成生物學生產方式體現競爭優勢的確定性投資機會一定要把握；而向合成生物學 3.0 進發過程中，則有大量的投資機會有待發掘。我們認為向合成生物學向合成生物學 3.0 進發過程

49、中的投資機會共有進發過程中的投資機會共有兩兩大大類：類：1）合成生物學合成生物學 3.0 公司本身公司本身或有潛力成為合成生物學或有潛力成為合成生物學 3.0 的企業的企業；2）合成合成生物學“生物學“賣水人賣水人”：產業鏈上可以為合成生物學產業鏈上可以為合成生物學 3.0 公司提供服務的企業，如公司提供服務的企業，如 DNA 合成合成等等服務的公司服務的公司；或或合合成生物學成生物學 3.0 公司的設備儀器耗材供應商。公司的設備儀器耗材供應商。圖圖22：合成生物學：合成生物學 3.0 系列投資機會與標的系列投資機會與標的 資料來源：公司官網、公司公告、招商證券 4.1 合成生物學合成生物學

50、3.0 公司公司本身本身：向“創造萬物”愿景出發，向“創造萬物”愿景出發，未來空間極大未來空間極大 合成生物合成生物學學 3.0 公司本身是我們認為可能完成“創造萬物”愿景的企業，空間極大。而對公司本身是我們認為可能完成“創造萬物”愿景的企業，空間極大。而對合成生物學合成生物學 3.0 公司潛力的公司潛力的判斷判斷需要從公司立意與技術路徑兩方面出發。需要從公司立意與技術路徑兩方面出發。成為合成生物學 3.0 企業首先要求公司從第一性原理立意，然后關注其數字化平臺建設與人才儲備。合成生物學 3.0 公司我們認為可以以 Ginkgo Bioworks 為對標，在其擬收購 Zymergen后會進一步

51、擴大本身的數字化平臺能力。在國內創業公司中能尋找到從 3.0 公司例如藍晶微生物等。同時注意跟蹤合成生物學 2.0 公司向 3.0 轉化的過程，例如華恒生物在內部成立的合成生物研究院。4.2 合成生物學合成生物學 3.0 公司公司“賣水人賣水人”：服務服務商與商與儀器設備儀器設備供應商供應商的的投資機會投資機會 合成生物學合成生物學 3.0 公司公司所需服務或儀器設備以高通量和微型化為方向，其中所需服務或儀器設備以高通量和微型化為方向，其中所需的所需的服務服務主要有主要有 DNA 合成合成、單細胞、單細胞多組多組學學表征服務等。表征服務等。例如 Ginkgo Bioworks 從戰略合作伙伴

52、Twist Bioscience 采購 DNA 合成服務。合成生物學 3.0 公司所需的 DNA 合成數量要遠超于傳統領域例如制藥，因此對通量與降低成本要求更高。Twist Bioscience 2022 年預計來源于合成生物學領域的營業收入將在 7000-7200 萬美元，占比其總收入比重 37%。DNA 合成本身在進行技術迭代，敬請閱讀末頁的重要說明 17 行業深度報告 Twist Bioscience 使噴墨打印技術的代表，新一代 DNA 合成技術也有在進行酶促法的嘗試，代表公司有 Ansa Biotechnologies、Molecular Assemblies、DNA Script

53、等。同時國內有 DNA 合成公司如金斯瑞、迪贏生物、泓迅生物等。Ginkgo Bioworks 另一位戰略合作伙伴是 Berkeley Lights，核心技術是通過光流控平臺 Beacon 對細胞進行分選，將單細胞分選至以千萬計數的“小房間”內進行培養與多組學表型或基因型的表征，通過光學信號的采集和智能算法的分析，Beacon 平臺可以檢測到一系列細胞的參數，比如每個“房間”內的細胞個數，大小，生長速率等等。在完成培養和分析后，平臺還可以對指定細胞進行回收，以供下游實驗的進一步展開。超低體積的反應體系，使得細胞的培養和分析效率更高，靈敏度更高。國內有初創公司彩科生物在做單細胞多組學布局。圖圖

54、23：Ginkgo Bioworks 鑄造廠平臺上接入鑄造廠平臺上接入 Beacon 系統系統 資料來源：Ginkgo Bioworks Investor Day 2021、招商證券 合成生物學合成生物學 3.0 公司的設備儀器耗材供應商與生命科學領域多有重疊，公司的設備儀器耗材供應商與生命科學領域多有重疊，合成生物學可以進一步打開其應用空間。合成生物學可以進一步打開其應用空間。Ginkgo 體系中應用到的設備儀器耗材與供應商有 PacBio（測序儀）、LABCYTE（納升級別聲波移液系統）、HAMILTON（色譜柱）等等。生命科學服務巨頭 Thermo Fisher 與 Danaher 現已

55、經提出“合成生物學一站式解決方案”，涵蓋生物反應器，過濾系統，發酵耗材等等產品。測序儀方面，國內有公司華大智造重點布局；色譜柱有納微科技、博格隆、千純生物、賽分科技、藍曉科技在其他領域的應用；生物反應器領域內有上市公司有森松國際、東富龍、楚天科技等布局，小型自動化生物反應器且有明確合成生物學客戶的有創業企業迪必爾生物等。五、五、風險提示風險提示 研發不及預期風險：研發不及預期風險：合成生物學為新興發展學科，若研發不及預期，將對相關企業造成一定風險。產業化進程不及預期風險：產業化進程不及預期風險：在完成合成生物學基礎開發后，若產業化進程不及預期，則將對企業造成一定風險。生物安全風險：生物安全風險

56、：合成生物學為生命系統工程化過程，因此存在生物安全風險。供應鏈風險：供應鏈風險：合成生物學 3.0 企業對儀器設備有較高要求，因此存在供應鏈風險。敬請閱讀末頁的重要說明 18 行業深度報告 招商醫藥合成生物學系列報告匯總招商醫藥合成生物學系列報告匯總：1、合成生物學行業深度顛覆傳統，造物致用，2021/12/27。我們在本篇報告中從四個維度闡述合成生物學對世界和中國的戰略意義，并分類討論不同類型合成生物學公司的投資要點。2、華恒生物深度_當以何種方式估值及當下合理估值幾何2022/2/17。我們在本篇報告中重點討論合成生物學企業可以用 DCF 方法估值，并就當前華恒生物合理價值給出結論。3、合

57、成生物學系列報告：產品專題之（一）1,3-丙二醇2022/1/18。我們重點分析的 1，3-丙二醇的應用空間，并得出結論：通過合成生物學降本是打開 1，3-丙二醇下游巨大空間的有效路徑。4、合成生物學系列報告：產品專題之（二）可降解塑料2022/8/16。我們重點梳理了合成生物學技術在可降解塑料領域的應用前景及技術關鍵。5、合成生物學系列報告：產品專題之（三）丁二酸2022/9/11。我們重點分析了丁二酸品種的需求與供給，并得出結論：丁二酸：未來將通過合成生物學生產方式滿足巨量的下游需求。敬請閱讀末頁的重要說明 19 行業深度報告 分析師分析師承諾承諾 負責本研究報告的每一位證券分析師，在此申

58、明，本報告清晰、準確地反映了分析師本人的研究觀點。本人薪酬的任何部分過去不曾與、現在不與，未來也將不會與本報告中的具體推薦或觀點直接或間接相關。許菲菲 生物醫藥行業分析師 復旦大學經濟學學士、哥倫比亞大學運籌學碩士，6 年賣方研究經驗，2020 年 4 月加入招商證券，此前就職于國金證券。焦玉鵬 生物醫藥行業研究助理 復旦大學理學學士，有機化學碩士，2021 年 7 月加入招商證券。評級評級說明說明 報告中所涉及的投資評級采用相對評級體系，基于報告發布日后 6-12 個月內公司股價（或行業指數）相對同期當地市場基準指數的市場表現預期。其中，A 股市場以滬深 300 指數為基準；香港市場以恒生指

59、數為基準；美國市場以標普 500 指數為基準。具體標準如下：股票股票評級評級 強烈推薦：預期公司股價漲幅超越基準指數 20%以上 增持：預期公司股價漲幅超越基準指數 5-20%之間 中性：預期公司股價變動幅度相對基準指數介于 5%之間 減持：預期公司股價表現弱于基準指數 5%以上 行業評級行業評級 推薦：行業基本面向好，預期行業指數超越基準指數 中性：行業基本面穩定，預期行業指數跟隨基準指數 回避：行業基本面轉弱，預期行業指數弱于基準指數 重要重要聲明聲明 本報告由招商證券股份有限公司（以下簡稱“本公司”）編制。本公司具有中國證監會許可的證券投資咨詢業務資格。本報告基于合法取得的信息，但本公司

60、對這些信息的準確性和完整性不作任何保證。本報告所包含的分析基于各種假設，不同假設可能導致分析結果出現重大不同。報告中的內容和意見僅供參考，并不構成對所述證券買賣的出價，在任何情況下，本報告中的信息或所表述的意見并不構成對任何人的投資建議。除法律或規則規定必須承擔的責任外，本公司及其雇員不對使用本報告及其內容所引發的任何直接或間接損失負任何責任。本公司或關聯機構可能會持有報告中所提到的公司所發行的證券頭寸并進行交易，還可能為這些公司提供或爭取提供投資銀行業務服務?？蛻魬斂紤]到本公司可能存在可能影響本報告客觀性的利益沖突。本報告版權歸本公司所有。本公司保留所有權利。未經本公司事先書面許可，任何機構和個人均不得以任何形式翻版、復制、引用或轉載，否則，本公司將保留隨時追究其法律責任的權利。