合成生物学（李春）

《合成生物学》内容涉及合成生物学概述、合成生物学原理、合成生物系统的基因线路、合成生物系统的设计与组装、合成生物系统的调控与优化、无细胞合成生物系统、合成生物学建模与计算机辅助工具、合成生物学的应用、合成生物学引发的新浪潮与颠覆九部分。附录部分还收入了合成生物学专用名词、重要合成生物学会议和科学家、经典的合成生物学技术、主要的合成生物学网站和资源等重要信息。
本书编者大都在各自大学里开设合成生物学课程并开展相关领域的人才培养工作，组建并指导了大学生参加iGEM竞赛，教材中也融入了编者多年从事合成生物学的教学内容、科研成果和体验。
作为一本系统性总结和阐述合成生物学理念、理论、方法和工程应用的教材，本书适用于生物类、化工类、环境类、医药类专业的高年级本科生和研究生教学，相信对从事生物、医药、化工、能源、资源和环境等领域的科技工作者也有裨益。

李春，北京理工大学生命科学与技术学院教授，生物工程学专家，生物转化与合成生物系统研究团队带头人，国家杰出青年科学基金获得者，享受政府特殊津贴。主要从事合成生物学与代谢工程、生物催化与酶工程、空间微生物技术等领域的研究，在微生物的抗逆免疫生物转化系统的构建与应用、天然产物和药物的微生物合成与生物改性、农用解盐促生菌剂创制等方面取得了系列研究成果。发表学术论文240余篇，其中SCI收录期刊发表论文110多篇，EI收录论文100多篇，申请国家发明专利46项，已授权国家发明专利26项，完成了2项生物技术和生物产品产业化应用，获省部级科技奖励5项，2017年获“侯德榜化工科技创新奖”。主持完成十几项国家科研项目，包括国家863计划、973计划和国家自然科学基金。主编和副主编国家规划教材5部，其中《生物工程与技术导论》获部级教材一等奖。指导本科生参加由美国麻省理工学院（MIT）主办的国际遗传工程机器竞赛连续四年（2013-2016年）获得金奖，其中2015年还获得了“New Best Application”提名奖。
目前担任中国工业生化与分子生物学分会副理事长，中国生物工程学会工业生物技术专委会副主任，中国化工学会生物化工专委会青年工作委员会副主任。还担任多个国内外学术期刊编委，包括《Frontiers in Biotechnology and Bioengineering》副主编，《Synthetic and System Biotechnology》、《Applied Microbiology and Biotechnology 》、《化工进展》、《过程工程学报》、《农业工程学报》和《生物加工过程》编委，《中国生物工程杂志》理事。数十次担任重要国际学术会议委员会分会主席或委员。

第1章合成生物学概述001
1.1合成生物学的起源与发展002
1.1.1合成生物学的诞生与历史002
1.1.2发展中的重要科学发现和重要节点003
1.1.3合成生物学的定义与研究策略003
1.1.4合成生物学的发展趋势预测003
1.2合成生物学的产生过程005
1.2.1与遗传学和分子生物学的交叉005
1.2.2与系统生物学和生物信息学的交叉005
1.2.3与基因工程和代谢工程的交叉006
1.3合成生物学的工程化特质与研究范畴008
1.3.1合成生物学的工程化特质008
1.3.2合成生物学的研究范畴009
参考文献012

第2章合成生物学原理014
2.1合成生物学解析的思路014
2.1.1生物系统的解耦015
2.1.2生物系统的抽提015
2.1.3生物系统的标准化015
2.2生物积块的标准化及定量化016
2.2.1生物积块的通用符号和功能描述017
2.2.2生物积块的标准连接方法017
2.2.3生物积块标准的定量机制018
2.3合成生物系统的层级化结构020
2.3.1生物元件020
2.3.2生物装置021
2.3.3生物系统022
2.3.4多细胞交互与群体感应023
2.4合成生物系统的逻辑结构024
2.4.1合成生物系统的基本逻辑结构025
2.4.2合成生物系统的组合逻辑结构030
2.4.3合成生物系统逻辑结构分析的重要性031
2.5合成生物系统定量研究方法032
2.5.1合成生物学设计方法概述032
2.5.2合成生物学计算模型概述033
2.6合成生物系统的设计原理与简约性036
2.6.1合成生物系统的设计原理036
2.6.2合成生物系统的简约性038
2.7合成新反应与网络的设计原理039
2.7.1合成基因网络的工程化设计原理039
2.7.2新反应途径的开发040
2.7.3定向进化基因网络设计原理040
2.7.4组合同源代谢网络041
2.7.5组合异源代谢网络043
参考文献043

第3章合成生物系统的基因线路047
3.1基因线路概述048
3.1.1基因线路的起源048
3.1.2基因线路的类型049
3.2基因线路调控元件049
3.2.1启动子049
3.2.2终止子050
3.2.3弱化子051
3.2.4增强子052
3.2.5阻遏子053
3.2.6绝缘子054
3.2.7核糖体结合位点054
3.2.8转录因子055
3.3逻辑门基因线路055
3.3.1“与”门基因线路056
3.3.2“或”门基因线路056
3.3.3“非”门基因线路057
3.3.4“与非”门基因线路057
3.3.5“或非”门基因线路058
3.4开关基因线路059
3.4.1转换开关059
3.4.2双相开关059
3.4.3核糖开关060
3.4.4RNA开关060
3.4.5双稳态开关061
3.5基因线路调控方式062
3.5.1基因线路纠错062
3.5.2基因线路放大063
3.6基因线路实例063
3.6.1振荡器与生物节律063
3.6.2细胞记忆基因线路064
3.6.3光控开关与生物成像064
参考文献065

第4章合成生物系统的设计与组装068
4.1合成生物系统的设计070
4.1.1合成生物系统底盘细胞的选择070
4.1.2合成生物系统所需元件和途径挖掘072
4.1.3合成生物系统的计算机辅助设计与分析074
4.2合成生物系统的组装与构建075
4.2.1转录单元的合成组装075
4.2.2多基因代谢途径的构建077
4.2.3染色体和基因组的组装077
4.2.4合成生物系统的构建080
4.3合成生物系统的优化082
4.3.1单一基因的优化082
4.3.2多基因途径的组合优化085
4.3.3基因组简化和重构086
4.4合成生物系统的分析与筛选087
4.4.1合成生物系统分析技术088
4.4.2合成生物系统筛选技术090
4.5“设计构建检验重设计”的特征循环093
4.5.1功能模块与底盘适配性分析与评价094
4.5.2人工体系运行效率的最优化095
4.5.3快速检测技术对合成生物系统重设计的影响095
4.5.4合成生物系统的系统性进化096
4.6合成生物系统中的细菌间相互作用097
4.6.1典型的群体感应系统098
4.6.2混菌系统（群体感应）在合成生物学中的应用100
参考文献105

第5章合成生物系统的调控与优化108
5.1合成生物系统的单点调控与优化109
5.1.1合成生物系统在DNA水平的调控与优化109
5.1.2合成生物系统在RNA水平的调控与优化110
5.1.3合成生物系统在蛋白质水平的调控与优化113
5.1.4合成生物系统在XNA以及XNAzymes的调控与优化116
5.1.5合成生物系统的全局调控与优化118
5.2合成生物系统在基因组水平的全局调控与优化119
5.2.1传统的基因打靶技术119
5.2.2Fok Ⅰ介导的合成生物系统基因组编辑技术（ZFN与TALEN）120
5.2.3CRISPR-Cas9系统介导的合成生物系统基因组编辑技术122
5.2.4基因组大片段的插入、删除和剪切-粘贴127
5.2.5宏基因组学和比较基因组学127
5.2.6总结与展望128
5.3合成生物系统的理性调节与随机调节128
5.3.1合成生物系统在转录组学和蛋白质组学水平的调控129
5.3.2合成生物系统在代谢组学水平的调控134
5.3.3合成生物系统在功能基因组学水平的调控137
5.3.4组学的未来139
参考文献140

第6章无细胞合成生物系统143
6.1无细胞合成生物学理念与设计原理144
6.1.1直接体系控制145
6.1.2原位检测和产品获取146
6.1.3加速“设计-构建-测试”周期147
6.1.4毒性物质忍耐性148
6.1.5扩展生命化学148
6.1.6经济性148
6.1.7效率148
6.2无细胞合成生物系统的分类148
6.2.1基于细胞提取物体系149
6.2.2纯化体系150
6.2.3多酶体系151
6.3无细胞合成生物系统的工程改造151
6.3.1系统优化151
6.3.2基因模板152
6.3.3蛋白质合成153
6.3.4小分子合成156
6.3.5人工细胞157
6.4无细胞合成生物系统的工程应用158
6.4.1结构生物学158
6.4.2高通量筛选159
6.4.3生物医药159
6.4.4生物催化161
6.4.5疾病诊断161
参考文献162

第7章合成生物学建模与计算机辅助工具167
7.1概述168
7.1.1合成生物学建模目的及模型特点168
7.1.2计算机技术对于合成生物学研究的重要性169
7.2合成生物系统数学建模的基本分析方法171
7.2.1合成生物系统建模的基本分析流程171
7.2.2模型拓扑结构的分析与确定172
7.2.3模型动力学参数的确定175
7.3合成生物系统数学模型的分析与评价177
7.3.1稳定性分析与评价177
7.3.2鲁棒性和敏感性分析179
7.4合成生物系统的基本数学模型181
7.4.1基本蛋白质表达模型181
7.4.2逻辑门模型182
7.4.3双稳态开关模型185
7.4.4振荡器模型186
7.4.5群体感应线路模型187
7.5合成生物系统在大数据时代的文库构建与建模189
7.5.1合成生物学模型与文库在大数据时代的特点189
7.5.2大数据时代下合成生物系统建模与文库构建的挑战和问题190
7.5.3合成生物系统建模在大数据时代的发展方向191
7.6计算机技术在合成生物学研究中的运用192
7.6.1生物小分子的计算机辅助设计与改造192
7.6.2基因线路的计算机辅助设计与分析194
7.6.3合成路径和反应过程的计算机辅助设计195
参考文献197

第8章合成生物学的应用200
8.1绿色化工方面的应用201
8.1.1化学品的绿色制造201
8.1.2生物能源的绿色制造210
8.2环境治理方面的应用216
8.3医药方面的应用218
8.3.1传染疾病的防治218
8.3.2癌症及其他疾病的治疗220
8.3.3药物筛选222
8.3.4生物医药的先进制造224
8.4抗逆性改造方面的应用227
8.4.1抗发酵抑制物227
8.4.2抗毒性中间产物228
8.4.3抗毒性终产物229
8.5其他方面的应用229
8.5.1解释生物图案形成机理229
8.5.2构建大肠杆菌条件反射回路230
参考文献232

第9章合成生物学引发的新浪潮与颠覆235
9.1合成生物学的全球战略地位和经济效益236
9.1.1全球布局236
9.1.2各国战略投资分析236
9.1.3军事领域的应用241
9.1.4民用市场前景分析242
9.2合成生物学作为颠覆性新兴技术的优势244
9.2.1与传统农业、发酵产业的比较244
9.2.2颠覆性技术和手段245
9.2.3可持续性和潜力246
9.3国际主要合成生物学研究中心与热点247
9.3.1全球公立研发中心布局247
9.3.2全球私立研发中心布局247
9.3.3全球研究热点247
9.3.4研究前景与展望247
9.4合成生物学的安全与伦理探讨及策略248
9.4.1面临的伦理争议248
9.4.2伦理研究的意义249
9.4.3伦理研究的指导意义249
9.4.4伦理相关政策的完善249
参考文献251

附录252
附录一合成生物学专有名词英汉对照252
附录二国内外重要合成生物学会议及科学家简介257
附录三iGEM大赛以及优秀作品简介262
附录四经典的合成生物学技术270
附录五主要的合成生物学网站和资源271