合成生物學

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

第2章合成生物學原理014
2.1合成生物學解析的思路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)的標準化015
2.2生物積塊的標準化及定量化016
2.2.1生物積塊的通用符號和功能描述017
2.2.2生物積塊的標準連接方法017
2.2.3生物積塊標準的定量機制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合成生物學設(shè)計方法概述032
2.5.2合成生物學計算模型概述033
2.6合成生物系統(tǒng)的設(shè)計原理與簡約性036
2.6.1合成生物系統(tǒng)的設(shè)計原理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)計原理039
2.7.1合成基因網(wǎng)絡(luò)的工程化設(shè)計原理039
2.7.2新反應(yīng)途徑的開發(fā)040
2.7.3定向進化基因網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原理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基因線路實例063
3.6.1振蕩器與生物節(jié)律063
3.6.2細胞記憶基因線路064
3.6.3光控開關(guān)與生物成像064
參考文獻065

第4章合成生物系統(tǒng)的設(shè)計與組裝068
4.1合成生物系統(tǒng)的設(shè)計070
4.1.1合成生物系統(tǒng)底盤細胞的選擇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)的計算機輔助設(shè)計與分析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構(gòu)建檢驗重設(shè)計”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094
4.5.2人工體系運行效率的最優(yōu)化095
4.5.3快速檢測技術(shù)對合成生物系統(tǒng)重設(shè)計的影響095
4.5.4合成生物系統(tǒng)的系統(tǒng)性進化096
4.6合成生物系統(tǒng)中的細菌間相互作用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)）在合成生物學中的應(yīng)用100
參考文獻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宏基因組學和比較基因組學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)與隨機調(diào)節(jié)128
5.3.1合成生物系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學水平的調(diào)控129
5.3.2合成生物系統(tǒng)在代謝組學水平的調(diào)控134
5.3.3合成生物系統(tǒng)在功能基因組學水平的調(diào)控137
5.3.4組學的未來139
參考文獻140

第6章無細胞合成生物系統(tǒng)143
6.1無細胞合成生物學理念與設(shè)計原理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-構(gòu)建-測試”周期147
6.1.4毒性物質(zhì)忍耐性148
6.1.5擴展生命化學148
6.1.6經(jīng)濟性148
6.1.7效率148
6.2無細胞合成生物系統(tǒng)的分類148
6.2.1基于細胞提取物體系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人工細胞157
6.4無細胞合成生物系統(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162

第7章合成生物學建模與計算機輔助工具167
7.1概述168
7.1.1合成生物學建模目的及模型特點168
7.1.2計算機技術(shù)對于合成生物學研究的重要性169
7.2合成生物系統(tǒng)數(shù)學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模型拓撲結(jié)構(gòu)的分析與確定172
7.2.3模型動力學參數(shù)的確定175
7.3合成生物系統(tǒng)數(shù)學模型的分析與評價177
7.3.1穩(wěn)定性分析與評價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)學模型181
7.4.1基本蛋白質(zhì)表達模型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)時代的文庫構(gòu)建與建模189
7.5.1合成生物學模型與文庫在大數(shù)據(jù)時代的特點189
7.5.2大數(shù)據(jù)時代下合成生物系統(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)時代的發(fā)展方向191
7.6計算機技術(shù)在合成生物學研究中的運用192
7.6.1生物小分子的計算機輔助設(shè)計與改造192
7.6.2基因線路的計算機輔助設(shè)計與分析194
7.6.3合成路徑和反應(yīng)過程的計算機輔助設(shè)計195
參考文獻197

第8章合成生物學的應(yīng)用200
8.1綠色化工方面的應(yīng)用201
8.1.1化學品的綠色制造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理229
8.5.2構(gòu)建大腸桿菌條件反射回路230
參考文獻232

第9章合成生物學引發(fā)的新浪潮與顛覆235
9.1合成生物學的全球戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟效益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研究中心與熱點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247
9.3.4研究前景與展望247
9.4合成生物學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倫理研究的指導意義249
9.4.4倫理相關(guān)政策的完善249
參考文獻251

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