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產業技術評析

合成生物學 Synthetic Biology 市場應用概況
發表日期:2017-12-13
作者:林怡欣(工研院IEK)
摘要:
隨著基因定序新技術開發、AI Technology & IT技術發展與基因編輯技術應用拓展,引領生物科技產業創造新契機。

全文:

一、前言
 

隨著基因定序新技術開發、AI Technology & IT技術發展與基因編輯技術應用拓展,引領生物科技產業創造新契機。其中,在基因編輯技術領域中CRISPR的突破性發展,大大加速DNA合成與合成生物學的進展。合成生物學,是一種將生物工程應用於生物系統的方法與工具,不僅僅修改單一或數個基因,而是以系統生物學的架構,從基因組成、基因調控、信息傳導至細胞設計等整體生物系統的改造,大幅提升生物技術開發能力。
 

二、合成生物學市場快速增長
 

根據BCC Research市場資料顯示,2016年合成生物學估計可達到38.98億美元,其中以利用合成生物技術所生產之產物占比最大,占整體市場規模的71.8%,其次為開發合成生物學技術與其工具(合成基因與生物體),各占整體市場的20.2%與8%。其主要市場在藥物、疫苗、生物化學品、基改作物和再生燃料等領域,產品包含高價值性能化學品、香精/香料、藥物/療法和新的作物,均是推動合成生物學市場增長,預估至2021年將可達到114.1億美元,2016~2022之CAGR為24%。觀看2014~2016年合成生物學產業動態,許多策略聯盟逐漸形成,像是藉由工作流程中之價值鏈與終端客戶建立聯盟關係,如製藥、能源與農業產業等,將可加速合成生物學之實際應用拓展。
 

圖1 合成生物學市場概況

資料來源:BCC Research;ITIS研究團隊IEK整理(2017年/10月)
圖1 合成生物學市場概況
 

三、合成生物學應用廣泛
 

回顧過去合成生物學應用案例,在醫療方面,過去是利用黃花蒿樹中萃取其青蒿素來治療瘧疾,目前則可以使用合成的酵母菌將大量化學物質轉化成青蒿素,進而達到快速獲得原料並加以製造以將低成本;在能源方面,借重藻類能將光能轉為化學能之特性,再結合合成生物學讓藻類用光能將二氧化碳轉成其他替代燃料;在環保方面,利用基因植入細菌中讓廢棄的農作物發酵產生柴油,將廢物轉化為具效益的產物,並可減少溫室氣體的排放,對於環境永續發展均有助益。
 

觀看CB Insights對於2012~2017年合成生物學應用產業投資分析,合成生物學將不僅僅由上述應用快速擴展至其他產業,如農業、工業、大眾消費品、藥物治療、食品&飲品等(如表一)。而在2017年亦有多家新創公司獲得融資,如Novome Biotechnologies公司利用微生物工程技術改善胃腸道條件,並提供治療方法與相關藥物;AgriMetis公司則是研發植物自然產生的可對抗害蟲之合成分子,由於一些作物在受到外界刺激時,會釋放這種天然生物活性分子,防止受到侵害,AgriMetis便利用植物這樣特性開發農作物保護產品;Synthego則是開發用於CRISPR基因編輯和研究之RNA合成產品。
 

表1 2012~2017年合成生物學應用產業投資分析
產業/應用公司類型 應用
農業/生產藥物、油或是作物保護方法的公司
  • 增強作物:改善作物,開發能夠生產化學品,生物燃料和營養產品的作物
  • 開發藻類作為生產生物燃料
  • 控制蟲害:生產天然害蟲殺蟲劑
食品&飲品/開發食品、飲料和食品保鮮產品公司
  • 研發:開發操作系統,可以提高生物技術研究的自動化和重複性
  • DNA合成與設計:開發軟體以提高DNA編輯和分析研究的速度
  • 數據管理:開發軟體提供DNA設計、可視化、數據管理和協同合作
治療/開發新藥物、醫材和藥物傳遞的公司
  • 腸胃道:將食物中常見的細菌如乳酸乳球菌進行重組,重新編輯生產抗炎劑,以治療潰瘍性結腸炎的疾病
  • 微生物:開發影響腸道微生物的藥物以進行治療功能
  • 腫瘤:通過設計的免疫細胞之ON-OFF開關和合成受體開發,提供癌症細胞辨識的能力
  • 遺傳疾病:使用CRISPR基因編輯技術來治療各種基因相關疾病
  • 大麻:利用微生物開發醫療級使用之大麻素
  • 傳染病:利用基因編輯系統開發目標導向脂藥物,以取替廣效性抗生素的使用
  • 多重適應症:開發應用於流感、癌症疫苗、腫瘤治療學和心血管疾病治療
  • 醫療器材:利用微生物發酵生產,產生聚合物並轉化成如縫線,薄膜和紡織品等之醫療器材
大眾消費品/將遺傳修飾技術帶入實驗室並開發至消費者手中的公司
  • 照明:利用改造細菌生物發光基因來產生生物照明
  • 材料:將可以產生絲蛋白的基因放入酵母菌中,以產生生產織物和衣服所需的物質
  • 植物:利用遺傳工程開發植物並進行銷售
工業/可再生化學品和生物燃料類別的公司
  • 油類:從植物開發可再生油用於汽車、工業等
  • 醣類:開發酵素提高目前食品與工業市場化學品生產速度
  • 生物燃料:利用酵母將玉米或甜菜的糖轉化為異丁醇,用於生產生物燃料
  • 矯正補救:合成細菌消耗有機物質如塑膠殘渣,並將其轉化為脂質
  • 可再生化學品:利用合成微生物以可重複、環保方式產生化學品,如燃料、異丙醇和乙酸
有機體設計與自動化服務/包括提供DNA合成,微生物設計和基因編輯等服務的公司
  • DNA合成:提供基因合成和DNA數據存儲服務
  • 微生物設計:遺傳工程設計微生物定制生產化學品,燃料,香料和其他產品
  • 多樣產品:為醫療、農業、食品、能源和消費行業設計和構建定制DNA
  • 基因編輯與識別:編輯或鑑定DNA
軟體/開發軟體平台的公司,以加速新生物或基因產物的生產
  • 研發:開發操作系統,可以提高生物技術研究的自動化和重複性
  • DNA合成與設計:開發軟體以提高DNA編輯和分析研究的速度
  • 數據管理:開發軟體提供DNA設計、可視化、數據管理和協同

資料來源:CB Insights;ITIS研究團隊IEK整理(2017/10)。
 

四、結論
 

受惠於DNA定序與DNA合成成本的下降,帶動合成生物學市場增長,而分子生物學的進展、電腦運算技術精進、互聯網應用與基礎設施的開發,將工程學、物理科學與生命科學之間的銜接,亦是合成生物領域發展的重要因素之一。再加上外在環境因素如海洋石油洩漏發生率有增無減、藥物開發研發資金擴增以及對可持續能源資源的需求激增等,均是促進合成生物學技術研究發展之重要推手。
 

雖然合成生物學技術發展可為各應用產業帶來新機會,但是隨之而來的風險也備受眾多科學家研議,像是惡意或意外釋放合成細菌進入環境是合成生物學技術最令人擔憂的風險,其合成創造之生物體也可能破壞環境和生物多樣性。而合成生物學技術面臨的主要挑戰包括:生物安全biosecurity和生物保全biosafety有關的問題、合成人造基因的複雜性與時間花費、先進設備與自動控裝置價格高昂以及缺乏完整監管框架等。為此,目前科學家同步推展生態風險研究議程,以推動合成生物學健康發展,避免產生嚴重的生態影響,並提出應針對合成生物學潛在影響開展風險研究。同時也呼籲科學家們在進行合成生物學研究的同時應與環境學家合作,彼此數據交流、建立模型,從而系統地探討合成生物學的潛在影響。
 

隨著大數據資料庫與AI技術推展,透過生物運算與模擬將在合成生物學實作扮演一個重要的角色。如何更精確進行電腦模型與模擬並容許合成基因迴路在實做前進行最佳化,是目前合成生物學應用於各產業亟待解決的問題,例如以最少的時間建立生物設計系統來完成基因設計模型、開發化學品生成平台、快速進行微生物編輯等。因此未來如何建構一個優良的設計與測試平台將是促使合成生物學應用快速拓展之關建之一。
 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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