《合成生物學》內(nèi)容涉及合成生物學概述、合成生物學原理、合成生物系統(tǒng)的基因線路、合成生物系統(tǒng)的設(shè)計與組裝、合成生物系統(tǒng)的調(diào)控與優(yōu)化、無細胞合成生物系統(tǒng)、合成生物學建模與計算機輔助工具、合成生物學的應(yīng)用、合成生物學引發(fā)的新浪潮與顛覆九部分。附錄部分還收入了合成生物學專用名詞、重要合成生物學會議和科學家、經(jīng)典的合成生物學技術(shù)、主要的合成生物學網(wǎng)站和資源等重要信息。
本書編者大都在各自大學里開設(shè)合成生物學課程并開展相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)工作，組建并指導了大學生參加iGEM競賽，教材中也融入了編者多年從事合成生物學的教學內(nèi)容、科研成果和體驗。
作為一本系統(tǒng)性總結(jié)和闡述合成生物學理念、理論、方法和工程應(yīng)用的教材，本書適用于生物類、化工類、環(huán)境類、醫(yī)藥類專業(yè)的高年級本科生和研究生教學，相信對從事生物、醫(yī)藥、化工、能源、資源和環(huán)境等領(lǐng)域的科技工作者也有裨益。
合成生物學（synthetic biology）是以生物學、化學工程、電子工程、信息學、計算科學等相關(guān)學科發(fā)展為基礎(chǔ)的一門新興多學科交叉會聚的工程學科。以工程化的設(shè)計理念，對生物系統(tǒng)進行有目標的設(shè)計、改造乃至重新合成，突破了生命發(fā)生與進化的自然法則，促進了對生物密碼從讀到寫的質(zhì)變，實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的格物致知向建物致知轉(zhuǎn)化�；诠こ虒W理念的合成生物學，采用標準化的生物元件和基因線路，在理性設(shè)計原則指導下組裝并合成新的、具有特定功能的生物系統(tǒng)。
合成生物學的概念與定義經(jīng)歷了三個典型的認識階段。
1911年分別發(fā)表在Science和Lancet雜志的三篇文章中出現(xiàn)synthetic biology（合成生物學）一詞，那時是合成化學發(fā)展的黃金時期，但化學家們一直很欣賞生物體合成各種化合物的能力，尤其是結(jié)構(gòu)復雜、多手性的天然產(chǎn)物和藥物分子。這個時期提出的synthetic biology（合成生物學）僅僅是探秘生物體合成化合物的強大能力，這應(yīng)該是合成生物學概念發(fā)展的第一個認識階段，是挖掘自然界已存在的生物系統(tǒng)和功能。
隨著生物中心法則的奠定，以DNA重組技術(shù)為標志的基因工程技術(shù)的快速發(fā)展，深刻地改變著我們的生活方式和質(zhì)量。1980年在德文刊物上第一次以《基因外科術(shù)：合成生物學的開始》為題闡述了基因工程在醫(yī)學領(lǐng)域的突破與重大貢獻，體現(xiàn)了人類通過基因的剪裁和重組以解決生存和健康問題，實現(xiàn)了生物體局部相關(guān)性能的改進與優(yōu)化，這應(yīng)該是合成生物學概念發(fā)展的第二個認識階段，實現(xiàn)了從分子基因?qū)用嫔细牧棘F(xiàn)有生物系統(tǒng)和功能。
自2000年以來，synthetic biology（合成生物學）一詞在學術(shù)刊物及互聯(lián)網(wǎng)上逐漸大量出現(xiàn)，其內(nèi)涵也發(fā)生了質(zhì)的變化。美國加州大學伯克利分�；瘜W工程系教授Jay D. Keasling認為合成生物學是用生物學進行工程化，就如用物理學進行電子工程、用化學進行化學工程一樣，是典型的以工程化理念思考與設(shè)計生物系統(tǒng)。哈佛大學醫(yī)學院教授George Church認為合成生物學是利用確定的零件進行新生物系統(tǒng)的工程設(shè)計與組裝。維基百科關(guān)于合成生物學的解釋為：合成生物學旨在設(shè)計和構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng)，使其能夠處理信息、操作化合物、制造材料、生產(chǎn)能源、提供食物、保持和增強人類健康以及改善我們的環(huán)境。總之，在工程化理念的指導下，圍繞構(gòu)建生物元件和基因線路庫，設(shè)計、構(gòu)建、驗證和再學習過程以創(chuàng)造新的生物系統(tǒng)和功能是合成生物學的核心所在，也是合成生物學概念發(fā)展的第三個認識階段，強調(diào)設(shè)計和重設(shè)計，模擬預(yù)測和人工合成以創(chuàng)造新的生物系統(tǒng)和功能。
2004年美國麻省理工學院（MIT）出版的Technology Review將合成生物學評為將改變世界的10大新出現(xiàn)的技術(shù)之一（10 Emerging Technologies That Will Change Your World）。合成生物學的發(fā)展還要感謝MIT的一群睿智、大膽、充滿好奇想象的學習化學工程、電子工程和生命科學的大學生，他們的頭腦風暴和變革生命研究過程的沖勁，啟動并推進了以合成生物學為理念的國際遺傳工程機器競賽（International Genetically Engineered Machine Competition, iGEM）的發(fā)展和成熟，目前這項國際賽事每年都有超過50個國家的400多支隊伍的6000多人采用競賽的形式試圖回答合成生物學中的核心問題能否通過頂層設(shè)計在活細胞中使用可互換的標準化元件、基因線路來構(gòu)建新的生物系統(tǒng)，并且加以操縱拼裝、預(yù)測和測量，從而嘗試解決人類面臨的健康、資源、能源、環(huán)境和安全領(lǐng)域的棘手問題。
目前，我國正處于建設(shè)創(chuàng)新型國家的決定性階段，同時面對人口老齡化、糧食安全、資源環(huán)境約束等嚴峻挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、走新型工業(yè)化道路，迫切需要新型生物技術(shù)以支撐工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)變革。開展合成生物學的教學和人才培養(yǎng)，促進生物技術(shù)顛覆性創(chuàng)新，是我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，并將使我國在新一輪生物科技革命與國際競爭中贏得先機�；诙鄬W科交叉融合與大數(shù)據(jù)利用，合成生物學已成為可預(yù)測、可工程化的科學，使設(shè)計生物系統(tǒng)為人類服務(wù)成為可能，在生物技術(shù)顛覆式創(chuàng)新方面展現(xiàn)了無限的潛力，有望為破解人類面臨的資源、能源、健康、環(huán)境、國防等領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)提供新的解決方案，對于保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、支撐國家建設(shè)與國家安全具有重大戰(zhàn)略意義。
鑒于合成生物學的快速發(fā)展與應(yīng)用需求，北京理工大學的李春教授邀請了來自北京理工大學、清華大學、天津大學、中國科學院深圳先進技術(shù)研究院和北京化工大學等相關(guān)高校教師組織編寫了這本《合成生物學》教材，內(nèi)容涉及：合成生物學概述、合成生物學原理、合成生物系統(tǒng)的基因線路、合成生物系統(tǒng)的設(shè)計與組裝、合成生物系統(tǒng)的調(diào)控與優(yōu)化、無細胞合成生物系統(tǒng)、合成生物學建模與計算機輔助工具、合成生物學的應(yīng)用、合成生物學引發(fā)的新浪潮與顛覆共九章。編者大都在各自大學里開設(shè)合成生物學課程并開展相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)工作，組建并指導了大學生參加iGEM競賽，教材中也融入了編者多年從事合成生物學的教學內(nèi)容、科研成果和體驗。
作為一本系統(tǒng)性總結(jié)和闡述合成生物學理念、理論、方法和工程應(yīng)用的教材，本書適用于生物類、化工類、環(huán)境類、醫(yī)藥類專業(yè)的高年級本科生和研究生的教學，相信對從事生物、醫(yī)藥、化工、能源、資源和環(huán)境等領(lǐng)域的科技工作者也有裨益。
盡管本教材經(jīng)歷了三年多的籌劃組織、編寫研討、校稿提升等環(huán)節(jié)，得到了很多合成生物學領(lǐng)域同行的大力支持，但由于該領(lǐng)域發(fā)展迅猛，編者的視野、水平有限，教材中難免有疏漏和不妥之處，敬請讀者批評指正！我們會在后續(xù)的更新完善中不斷提高。
編者
2019年6月
李春，北京理工大學生命科學與技術(shù)學院教授，生物工程學專家，生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)研究團隊帶頭人，國家杰出青年科學基金獲得者，享受政府特殊津貼。主要從事合成生物學與代謝工程、生物催化與酶工程、空間微生物技術(shù)等領(lǐng)域的研究，在微生物的抗逆免疫生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用、天然產(chǎn)物和藥物的微生物合成與生物改性、農(nóng)用解鹽促生菌劑創(chuàng)制等方面取得了系列研究成果。發(fā)表學術(shù)論文240余篇，其中SCI收錄期刊發(fā)表論文110多篇，EI收錄論文100多篇，申請國家發(fā)明專利46項，已授權(quán)國家發(fā)明專利26項，完成了2項生物技術(shù)和生物產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，獲省部級科技獎勵5項，2017年獲侯德榜化工科技創(chuàng)新獎。主持完成十幾項國家科研項目，包括國家863計劃、973計劃和國家自然科學基金。主編和副主編國家規(guī)劃教材5部，其中《生物工程與技術(shù)導論》獲部級教材一等獎。指導本科生參加由美國麻省理工學院（MIT）主辦的國際遺傳工程機器競賽連續(xù)四年（2013-2016年）獲得金獎，其中2015年還獲得了New Best Application提名獎。
目前擔任中國工業(yè)生化與分子生物學分會副理事長，中國生物工程學會工業(yè)生物技術(shù)專委會副主任，中國化工學會生物化工專委會青年工作委員會副主任。還擔任多個國內(nèi)外學術(shù)期刊編委，包括《Frontiers in Biotechnology and Bioengineering》副主編，《Synthetic and System Biotechnology》、《Applied Microbiology and Biotechnology 》、《化工進展》、《過程工程學報》、《農(nóng)業(yè)工程學報》和《生物加工過程》編委，《中國生物工程雜志》理事。數(shù)十次擔任重要國際學術(shù)會議委員會分會主席或委員。
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(yù)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
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