共分5章。第1章介紹合成生物學(xué)的基本概念和內(nèi)容，使讀者對(duì)合成生物學(xué)有一個(gè)全面的了解。第2章和第3章介紹合成生物學(xué)設(shè)計(jì)和分析的基本方法、合成生物學(xué)的層次化結(jié)構(gòu)和概念及合成生物學(xué)中的常用算法。第4章和第5章介紹合成生物學(xué)在基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用方面的研究?jī)?nèi)容、成果和進(jìn)展，包括經(jīng)典的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)、大腸桿菌成像系統(tǒng)、微生物計(jì)算機(jī)、合成青蒿酸的微生物工廠等。
合成生物學(xué)是21世紀(jì)的新興交叉科學(xué)，強(qiáng)調(diào)“設(shè)計(jì)”和“重設(shè)計(jì)”，其目的是通過人工設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。合成生物學(xué)的發(fā)展要以生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、工程科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展為基礎(chǔ)。
《合成生物學(xué)導(dǎo)論》可作為具有一定生物學(xué)基礎(chǔ)的本科生和研究生教材，也可作為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和研究人員的參考書。
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合成生物學(xué)是21世紀(jì)初出現(xiàn)的一門新興交叉學(xué)科，在這里，生物學(xué)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)緊密地結(jié)合在一起。合成生物學(xué)的出現(xiàn)是分子生物學(xué)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，特別是人類基因組和模式生物基因組計(jì)劃實(shí)施以來，伴隨著生物信息學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)迅速發(fā)展的一個(gè)合乎邏輯的結(jié)果。在人類深入認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，合成生物學(xué)旨在設(shè)計(jì)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(qiáng)人類的健康和改善我們的環(huán)境。因此，合成生物學(xué)既是一門科學(xué)，也是一門技術(shù)，它是繼遺傳工程之后出現(xiàn)的新一代生物技術(shù)，代表了生物技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的制高點(diǎn)。2004年美國麻省理工學(xué)院主辦的世界著名科技雜志TechnologReview，曾將合成生物學(xué)列為將改變世界的十大新出現(xiàn)技術(shù)之一。在2008年以合成生物學(xué)為主題的第322次香山科學(xué)會(huì)議上，與會(huì)專家一致肯定了合成生物學(xué)對(duì)我國未來國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大意義。
無論是我國制定的中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，或者是國務(wù)院頒發(fā)的《促進(jìn)生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》，都對(duì)生物技術(shù)給予極為充分的重視。在中國科學(xué)院最近出版的《創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國的未來》系列叢書之一——《科技革命與中國的現(xiàn)代化——關(guān)于中國面向2050年科技發(fā)展戰(zhàn)略的思考》一書中，將人造生命和合成生物學(xué)列為22個(gè)戰(zhàn)略性科技問題之一；同時(shí)又將人造生命和合成生物學(xué)預(yù)測(cè)為“可能出現(xiàn)革命性突破的4個(gè)基本科學(xué)問題”之一。
目錄
序一
序二
前言
專有名詞英漢對(duì)照表 xi
第1章 緒論 1
第一部分 合成生物學(xué)概述 1
1.1 合成生物學(xué)的誕生 2
1.2 合成生物學(xué)的定義 4
1.3 合成生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容 4
1.3.1 生物大分子的合成與模塊化 5
1.3.2 生物基因組的合成、簡(jiǎn)化與重構(gòu) 7
1.3.3 合成代謝網(wǎng)絡(luò) 8
1.3.4 遺傳/基因線路的設(shè)計(jì)與構(gòu)建 8
1.3.5 細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)研究 9
1.3.6 數(shù)學(xué)模擬和功能預(yù)測(cè) 9
1.4 合成生物學(xué)的意義 10
1.4.1 加速合成生物系統(tǒng)工程化的進(jìn)程 10
1.4.2 驗(yàn)證和深化對(duì)于生物現(xiàn)象的理解 10
1.5 合成生物學(xué)的工程本質(zhì) 11
1.6 合成生物學(xué)與相關(guān)生物學(xué)科 13
1.6.1 與遺傳工程的關(guān)系 13
1.6.2 與分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的關(guān)系 14
1.6.3 與系統(tǒng)生物學(xué)和功能基因組學(xué)的關(guān)系 l4
1.6.4 與生物信息學(xué)的關(guān)系 15
1.7 合成生物學(xué)國際會(huì)議及國際遺傳機(jī)器大賽 16
1.7.1 合成生物學(xué)國際會(huì)議(Synthetic Biology x.0) 16
1.7.2 國際遺傳機(jī)器大賽 16
第二部分 合成生物學(xué)引發(fā)的思考 17
1.8 人類*造物主 1 7
1.8.1 道德規(guī)范 17
1.8.2 對(duì)環(huán)境無控制地排放 18
1.8.3 生物武器的濫用 l9
1.8.4 對(duì)生物的專利與壟斷 20
1.8.5 創(chuàng)造人工生命？ 21
1.8.6 究竟該如何應(yīng)對(duì)？ 22
第2章 合成生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25
第一部分 合成生物系統(tǒng)的模塊化與層次化結(jié)構(gòu) 25
2.1 合成生物學(xué)的模塊化設(shè)計(jì) 26
2.1.1 模塊設(shè)計(jì)的三個(gè)特征因素 26
2.1.2 細(xì)胞本底環(huán)境對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的影響 27
2.1.3 無細(xì)胞合成生物系統(tǒng) 28
2.2 標(biāo)準(zhǔn)化生物模塊——生物積塊 28
2.2.1 BioBrick命名規(guī)則 29
2.2.2 BioBrick的連接 30
2.3 標(biāo)準(zhǔn)定量機(jī)制 33
2.3.1 PoPS 33
2.3.2 RIPS 34
2.4 生物系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu) 34
2.4.1 生物部件“Part” 34
2.4.2 生物裝置“Device” 36
2.4.3 生物系統(tǒng)“System” 36
2.4.4 細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng) 37
第二部分 合成生物系統(tǒng)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 39
2.5 串聯(lián) 39
2.6 單輸入 40
2.7 多輸入 41
2.8 反饋 42
2.9 前饋 44
第3章 合成生物系統(tǒng)酌數(shù)學(xué)模擬與性能分析 49
第一部分 生物系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬 49
3.1 常微分方程 49
3.1.1 質(zhì)量作用定律 50
3.1.2 米氏方程 51
3.1.3 希爾方程 52
3.2 Logistic模型 53
3.2.1 單種群細(xì)胞自由生長(zhǎng)的Logistic模型 53
3.2.2 兩種細(xì)胞自由生長(zhǎng)的Logistic模型 54
3.3 主方程 56
3.4 隨機(jī)微分方程 57
3.5 模式識(shí)別 57
3.5.1 聚類分析 58
3.5.2 分類分析 60
3.6 小結(jié) 64
第二部分 合成生物系統(tǒng)性能分析 64
3.7 常用性能指標(biāo) 65
3.7.1 穩(wěn)定性 65
3.7.2 魯棒性 65
3.7.3 響應(yīng)快速性 65
3.8 穩(wěn)定性分析 65
3.9 魯棒性分析/敏感性分析 66
3.10 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的機(jī)制 67
3.10.1 冗余 68
3.10.2 反饋控制 68
3.10.3 特異性和保真度 68
第4章 合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究 71
第一部分 模擬邏輯功能的基礎(chǔ)研究 71
4.1 邏輯門功能遺傳線路 72
4.2 基因調(diào)控開關(guān) 74
4.2.1 轉(zhuǎn)換開關(guān) 74
4.2.2 雙相開關(guān) 75
4.2.3 Riboswitch 75
4.2.4 雙穩(wěn)態(tài)開關(guān) 77
4.3 Repressilator 83
4.4 細(xì)胞群體系統(tǒng)脈沖發(fā)生器 88
第二部分 其他方面的合成生物學(xué)基礎(chǔ)研究 92
4.5 控制群體數(shù)量的基因線路 92
4.6 人工細(xì)胞群體圖案系統(tǒng) 95
4.7 人工轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)線路 99
4.8 工程化的支架蛋白 100
4.9 重構(gòu)T7噬菌體基因組 105
第5章 合成生物學(xué)的應(yīng)用研究 111
5.1 合成生物學(xué)應(yīng)用于維護(hù)人類健康 111
5.1.1 環(huán)境控制的大腸桿菌對(duì)癌細(xì)胞的侵入系統(tǒng) 113
5.1.2 合成青蒿素的微生物工廠 117
5.2 合成生物學(xué)應(yīng)用于牛產(chǎn)牛物能源 121
利用工程化的大腸桿菌非發(fā)酵代謝途徑生物合成高級(jí)醇 123
5.3 合成生物學(xué)應(yīng)用于環(huán)境治理 126
砷離子的檢測(cè) 126
5.4 合成生物學(xué)應(yīng)用于其他方面 128
5.4.1 大腸桿菌成像系統(tǒng) 128
5.4.2 微生物計(jì)算系統(tǒng) 131
參考文獻(xiàn) 137
主要網(wǎng)站 148
附錄A 名詞解釋 150
附錄B iGEM參賽項(xiàng)目選介 157
1. 幽門螺桿菌疫苗 157
2. 艾滋病的治療 161
3. 芳香烴類污染物的檢測(cè) 164
4. 丁醇的生物合成 165
5. 基因反饋調(diào)節(jié)治療膿毒癥 167
6. 大腸桿菌香味劑 169
名詞索引 171
人名索引 173
根據(jù)分子生物學(xué)的“中心法則”，生物遺傳信息的主要傳遞過程是以DNA為模板指導(dǎo)RNA的合成并由mRNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。DNA測(cè)序技術(shù)、遺傳工程技術(shù)、聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)（PCR技術(shù)）、蛋白質(zhì)晶體學(xué)技術(shù)等一系列生物技術(shù)的發(fā)展，使人類理論上可以進(jìn)行任何蛋白質(zhì)從氨基酸序列到局部超二級(jí)結(jié)構(gòu)（模體，motif）的改造和組合。
合成生物學(xué)設(shè)計(jì)功能相對(duì)獨(dú)立、可以被組裝的蛋白模塊以探索生物的可塑性和構(gòu)建嶄新的生物系統(tǒng)，因此對(duì)基本組分“工具箱”中蛋白質(zhì)的需求遠(yuǎn)比自然界能夠提供的種類多得多。例如，目前通過聚合酶鏈反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基因擴(kuò)增等生物過程主要是由自然界提取的酶（限制性內(nèi)切核酸酶、連接酶、聚合酶）來執(zhí)行的，這些酶受到底物和環(huán)境等的限制，在模塊化和功能性方面無法完全滿足人工生物系統(tǒng)的要求，因此需要開發(fā)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的人工蛋白模塊。
這些蛋白模塊可以通過蛋白自身域結(jié)構(gòu)的重新組合來巧妙地實(shí)現(xiàn)——生物體中有兩類DNA結(jié)合蛋白具有功能相對(duì)獨(dú)立的鋅指（zincfinger）結(jié)構(gòu)，一類是鋅指蛋白，另一類是甾類受體。蛋白質(zhì)中的鋅指結(jié)構(gòu)由一組保守的氨基酸殘基（半胱氨酸和組氨酸）的側(cè)鏈和鋅離子以配位鍵結(jié)合，在蛋白質(zhì)中形成了相對(duì)獨(dú)立的超二級(jí)結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)與DNA特異序列結(jié)合，像一根根手指伸向DNA的大溝。巧妙地利用這種結(jié)構(gòu)，可以人工設(shè)計(jì)多鋅指DNA結(jié)合蛋白，進(jìn)而重組蛋白模塊獲得嶄新的蛋白質(zhì)功能，如嶄新的酶底物結(jié)合特異性等。
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