合成生物學(xué)

第1章合成生物學(xué)概述001
1.1合成生物學(xué)的起源與發(fā)展002
1.1.1合成生物學(xué)的誕生與歷史002
1.1.2發(fā)展中的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)和重要節(jié)點(diǎn)003
1.1.3合成生物學(xué)的定義與研究策略003
1.1.4合成生物學(xué)的發(fā)展趨勢預(yù)測003
1.2合成生物學(xué)的產(chǎn)生過程005
1.2.1與遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的交叉005
1.2.2與系統(tǒng)生物學(xué)和生物信息學(xué)的交叉005
1.2.3與基因工程和代謝工程的交叉006
1.3合成生物學(xué)的工程化特質(zhì)與研究范疇008
1.3.1合成生物學(xué)的工程化特質(zhì)008
1.3.2合成生物學(xué)的研究范疇009
參考文獻(xiàn)012

第2章合成生物學(xué)原理014
2.1合成生物學(xué)解析的思路014
2.1.1生物系統(tǒng)的解耦015
2.1.2生物系統(tǒng)的抽提015
2.1.3生物系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化015
2.2生物積塊的標(biāo)準(zhǔn)化及定量化016
2.2.1生物積塊的通用符號和功能描述017
2.2.2生物積塊的標(biāo)準(zhǔn)連接方法017
2.2.3生物積塊標(biāo)準(zhǔn)的定量機(jī)制018
2.3合成生物系統(tǒng)的層級化結(jié)構(gòu)020
2.3.1生物元件020
2.3.2生物裝置021
2.3.3生物系統(tǒng)022
2.3.4多細(xì)胞交互與群體感應(yīng)023
2.4合成生物系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)024
2.4.1合成生物系統(tǒng)的基本邏輯結(jié)構(gòu)025
2.4.2合成生物系統(tǒng)的組合邏輯結(jié)構(gòu)030
2.4.3合成生物系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)分析的重要性031
2.5合成生物系統(tǒng)定量研究方法032
2.5.1合成生物學(xué)設(shè)計(jì)方法概述032
2.5.2合成生物學(xué)計(jì)算模型概述033
2.6合成生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與簡約性036
2.6.1合成生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理036
2.6.2合成生物系統(tǒng)的簡約性038
2.7合成新反應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原理039
2.7.1合成基因網(wǎng)絡(luò)的工程化設(shè)計(jì)原理039
2.7.2新反應(yīng)途徑的開發(fā)040
2.7.3定向進(jìn)化基因網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原理040
2.7.4組合同源代謝網(wǎng)絡(luò)041
2.7.5組合異源代謝網(wǎng)絡(luò)043
參考文獻(xiàn)043

第3章合成生物系統(tǒng)的基因線路047
3.1基因線路概述048
3.1.1基因線路的起源048
3.1.2基因線路的類型049
3.2基因線路調(diào)控元件049
3.2.1啟動子049
3.2.2終止子050
3.2.3弱化子051
3.2.4增強(qiáng)子052
3.2.5阻遏子053
3.2.6絕緣子054
3.2.7核糖體結(jié)合位點(diǎn)054
3.2.8轉(zhuǎn)錄因子055
3.3邏輯門基因線路055
3.3.1“與”門基因線路056
3.3.2“或”門基因線路056
3.3.3“非”門基因線路057
3.3.4“與非”門基因線路057
3.3.5“或非”門基因線路058
3.4開關(guān)基因線路059
3.4.1轉(zhuǎn)換開關(guān)059
3.4.2雙相開關(guān)059
3.4.3核糖開關(guān)060
3.4.4RNA開關(guān)060
3.4.5雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)061
3.5基因線路調(diào)控方式062
3.5.1基因線路糾錯062
3.5.2基因線路放大063
3.6基因線路實(shí)例063
3.6.1振蕩器與生物節(jié)律063
3.6.2細(xì)胞記憶基因線路064
3.6.3光控開關(guān)與生物成像064
參考文獻(xiàn)065

第4章合成生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組裝068
4.1合成生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)070
4.1.1合成生物系統(tǒng)底盤細(xì)胞的選擇070
4.1.2合成生物系統(tǒng)所需元件和途徑挖掘072
4.1.3合成生物系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析074
4.2合成生物系統(tǒng)的組裝與構(gòu)建075
4.2.1轉(zhuǎn)錄單元的合成組裝075
4.2.2多基因代謝途徑的構(gòu)建077
4.2.3染色體和基因組的組裝077
4.2.4合成生物系統(tǒng)的構(gòu)建080
4.3合成生物系統(tǒng)的優(yōu)化082
4.3.1單一基因的優(yōu)化082
4.3.2多基因途徑的組合優(yōu)化085
4.3.3基因組簡化和重構(gòu)086
4.4合成生物系統(tǒng)的分析與篩選087
4.4.1合成生物系統(tǒng)分析技術(shù)088
4.4.2合成生物系統(tǒng)篩選技術(shù)090
4.5“設(shè)計(jì)構(gòu)建檢驗(yàn)重設(shè)計(jì)”的特征循環(huán)093
4.5.1功能模塊與底盤適配性分析與評價(jià)094
4.5.2人工體系運(yùn)行效率的最優(yōu)化095
4.5.3快速檢測技術(shù)對合成生物系統(tǒng)重設(shè)計(jì)的影響095
4.5.4合成生物系統(tǒng)的系統(tǒng)性進(jìn)化096
4.6合成生物系統(tǒng)中的細(xì)菌間相互作用097
4.6.1典型的群體感應(yīng)系統(tǒng)098
4.6.2混菌系統(tǒng)（群體感應(yīng)）在合成生物學(xué)中的應(yīng)用100
參考文獻(xiàn)105

第5章合成生物系統(tǒng)的調(diào)控與優(yōu)化108
5.1合成生物系統(tǒng)的單點(diǎn)調(diào)控與優(yōu)化109
5.1.1合成生物系統(tǒng)在DNA水平的調(diào)控與優(yōu)化109
5.1.2合成生物系統(tǒng)在RNA水平的調(diào)控與優(yōu)化110
5.1.3合成生物系統(tǒng)在蛋白質(zhì)水平的調(diào)控與優(yōu)化113
5.1.4合成生物系統(tǒng)在XNA以及XNAzymes的調(diào)控與優(yōu)化116
5.1.5合成生物系統(tǒng)的全局調(diào)控與優(yōu)化118
5.2合成生物系統(tǒng)在基因組水平的全局調(diào)控與優(yōu)化119
5.2.1傳統(tǒng)的基因打靶技術(shù)119
5.2.2Fok Ⅰ介導(dǎo)的合成生物系統(tǒng)基因組編輯技術(shù)（ZFN與TALEN）120
5.2.3CRISPR-Cas9系統(tǒng)介導(dǎo)的合成生物系統(tǒng)基因組編輯技術(shù)122
5.2.4基因組大片段的插入、刪除和剪切-粘貼127
5.2.5宏基因組學(xué)和比較基因組學(xué)127
5.2.6總結(jié)與展望128
5.3合成生物系統(tǒng)的理性調(diào)節(jié)與隨機(jī)調(diào)節(jié)128
5.3.1合成生物系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)水平的調(diào)控129
5.3.2合成生物系統(tǒng)在代謝組學(xué)水平的調(diào)控134
5.3.3合成生物系統(tǒng)在功能基因組學(xué)水平的調(diào)控137
5.3.4組學(xué)的未來139
參考文獻(xiàn)140

第6章無細(xì)胞合成生物系統(tǒng)143
6.1無細(xì)胞合成生物學(xué)理念與設(shè)計(jì)原理144
6.1.1直接體系控制145
6.1.2原位檢測和產(chǎn)品獲取146
6.1.3加速“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試”周期147
6.1.4毒性物質(zhì)忍耐性148
6.1.5擴(kuò)展生命化學(xué)148
6.1.6經(jīng)濟(jì)性148
6.1.7效率148
6.2無細(xì)胞合成生物系統(tǒng)的分類148
6.2.1基于細(xì)胞提取物體系149
6.2.2純化體系150
6.2.3多酶體系151
6.3無細(xì)胞合成生物系統(tǒng)的工程改造151
6.3.1系統(tǒng)優(yōu)化151
6.3.2基因模板152
6.3.3蛋白質(zhì)合成153
6.3.4小分子合成156
6.3.5人工細(xì)胞157
6.4無細(xì)胞合成生物系統(tǒng)的工程應(yīng)用158
6.4.1結(jié)構(gòu)生物學(xué)158
6.4.2高通量篩選159
6.4.3生物醫(yī)藥159
6.4.4生物催化161
6.4.5疾病診斷161
參考文獻(xiàn)162

第7章合成生物學(xué)建模與計(jì)算機(jī)輔助工具167
7.1概述168
7.1.1合成生物學(xué)建模目的及模型特點(diǎn)168
7.1.2計(jì)算機(jī)技術(shù)對于合成生物學(xué)研究的重要性169
7.2合成生物系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的基本分析方法171
7.2.1合成生物系統(tǒng)建模的基本分析流程171
7.2.2模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析與確定172
7.2.3模型動力學(xué)參數(shù)的確定175
7.3合成生物系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的分析與評價(jià)177
7.3.1穩(wěn)定性分析與評價(jià)177
7.3.2魯棒性和敏感性分析179
7.4合成生物系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型181
7.4.1基本蛋白質(zhì)表達(dá)模型181
7.4.2邏輯門模型182
7.4.3雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)模型185
7.4.4振蕩器模型186
7.4.5群體感應(yīng)線路模型187
7.5合成生物系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)時(shí)代的文庫構(gòu)建與建模189
7.5.1合成生物學(xué)模型與文庫在大數(shù)據(jù)時(shí)代的特點(diǎn)189
7.5.2大數(shù)據(jù)時(shí)代下合成生物系統(tǒng)建模與文庫構(gòu)建的挑戰(zhàn)和問題190
7.5.3合成生物系統(tǒng)建模在大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展方向191
7.6計(jì)算機(jī)技術(shù)在合成生物學(xué)研究中的運(yùn)用192
7.6.1生物小分子的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與改造192
7.6.2基因線路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析194
7.6.3合成路徑和反應(yīng)過程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)195
參考文獻(xiàn)197

第8章合成生物學(xué)的應(yīng)用200
8.1綠色化工方面的應(yīng)用201
8.1.1化學(xué)品的綠色制造201
8.1.2生物能源的綠色制造210
8.2環(huán)境治理方面的應(yīng)用216
8.3醫(yī)藥方面的應(yīng)用218
8.3.1傳染疾病的防治218
8.3.2癌癥及其他疾病的治療220
8.3.3藥物篩選222
8.3.4生物醫(yī)藥的先進(jìn)制造224
8.4抗逆性改造方面的應(yīng)用227
8.4.1抗發(fā)酵抑制物227
8.4.2抗毒性中間產(chǎn)物228
8.4.3抗毒性終產(chǎn)物229
8.5其他方面的應(yīng)用229
8.5.1解釋生物圖案形成機(jī)理229
8.5.2構(gòu)建大腸桿菌條件反射回路230
參考文獻(xiàn)232

第9章合成生物學(xué)引發(fā)的新浪潮與顛覆235
9.1合成生物學(xué)的全球戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟(jì)效益236
9.1.1全球布局236
9.1.2各國戰(zhàn)略投資分析236
9.1.3軍事領(lǐng)域的應(yīng)用241
9.1.4民用市場前景分析242
9.2合成生物學(xué)作為顛覆性新興技術(shù)的優(yōu)勢244
9.2.1與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的比較244
9.2.2顛覆性技術(shù)和手段245
9.2.3可持續(xù)性和潛力246
9.3國際主要合成生物學(xué)研究中心與熱點(diǎn)247
9.3.1全球公立研發(fā)中心布局247
9.3.2全球私立研發(fā)中心布局247
9.3.3全球研究熱點(diǎn)247
9.3.4研究前景與展望247
9.4合成生物學(xué)的安全與倫理探討及策略248
9.4.1面臨的倫理爭議248
9.4.2倫理研究的意義249
9.4.3倫理研究的指導(dǎo)意義249
9.4.4倫理相關(guān)政策的完善249
參考文獻(xiàn)251

附錄252
附錄一合成生物學(xué)專有名詞英漢對照252
附錄二國內(nèi)外重要合成生物學(xué)會議及科學(xué)家簡介257
附錄三iGEM大賽以及優(yōu)秀作品簡介262
附錄四經(jīng)典的合成生物學(xué)技術(shù)270
附錄五主要的合成生物學(xué)網(wǎng)站和資源271