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合成生物學(簡體書)
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本書內容涉及合成生物學概述、合成生物學原理、合成生物系統的基因線路、合成生物系統的設計與組裝、合成生物系統的調控與優化、無細胞合成生物系統、合成生物學建模與計算機輔助工具、合成生物學的應用、合成生物學引發的新浪潮與顛覆共九章。
作為一本系統性總結和闡述合成生物學理念、理論、方法和工程應用的教材,本書適用於生物類、化工類、環境類、醫藥類專業的高年級本科生和研究生的教學,對從事生物、醫藥、化工、能源、資源和環境等領域的科技工作者也有裨益。

作者簡介

李春,北京理工大學生命科學與技術學院教授,生物工程學專家,生物轉化與合成生物系統研究團隊帶頭人,國家傑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、空間微生物技術等領域的研究,在微生物的抗逆免疫生物轉化系統的構建與應用、天然產物和藥物的微生物合成與生物改性、農用解鹽促生菌劑創制等方面取得了系列研究成果。發表學術論文240餘篇,其中SCI收錄期刊發表論文110多篇,EI收錄論文100多篇,申請國家發明專利46項,已授權國家發明專利26項,完成了2項生物技術和生物產品產業化應用,獲省部級科技獎勵5項,2017年獲“侯德榜化工科技創新獎”。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劃教材5部,其中《生物工程與技術導論》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。
目前擔任中國工業生化與分子生物學分會副理事長,中國生物工程學會工業生物技術專委會副主任,中國化工學會生物化工專委會青年工作委員會副主任。還擔任多個國內外學術期刊編委,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》、《農業工程學報》和《生物加工過程》編委,《中國生物工程雜誌》理事。數十次擔任重要國際學術會議委員會分會主席或委員。

目次

第1章合成生物學概述0011.1合成生物學的起源與發展0021.1.1合成生物學的誕生與歷史0021.1.2發展中的重要科學發現和重要節點0031.1.3合成生物學的定義與研究策略0031.1.4合成生物學的發展趨勢預測0031.2合成生物學的產生過程0051.2.1與遺傳學和分子生物學的交叉0051.2.2與系統生物學和生物信息學的交叉0051.2.3與基因工程和代謝工程的交叉0061.3合成生物學的工程化特質與研究範疇0081.3.1合成生物學的工程化特質0081.3.2合成生物學的研究範疇009參考文獻012第2章合成生物學原理0142.1合成生物學解析的思路0142.1.1生物系統的解耦0152.1.2生物系統的抽提0152.1.3生物系統的標準化0152.2生物積塊的標準化及定量化0162.2.1生物積塊的通用符號和功能描述0172.2.2生物積塊的標準連接方法0172.2.3生物積塊標準的定量機制0182.3合成生物系統的層級化結構0202.3.1生物元件0202.3.2生物裝置0212.3.3生物系統0222.3.4多細胞交互與群體感應0232.4合成生物系統的邏輯結構0242.4.1合成生物系統的基本邏輯結構0252.4.2合成生物系統的組合邏輯結構0302.4.3合成生物系統邏輯結構分析的重要性0312.5合成生物系統定量研究方法0322.5.1合成生物學設計方法概述0322.5.2合成生物學計算模型概述0332.6合成生物系統的設計原理與簡約性0362.6.1合成生物系統的設計原理0362.6.2合成生物系統的簡約性0382.7合成新反應與網絡的設計原理0392.7.1合成基因網絡的工程化設計原理0392.7.2新反應途徑的開發0402.7.3定向進化基因網絡設計原理0402.7.4組合同源代謝網絡0412.7.5組合異源代謝網絡043參考文獻043第3章合成生物系統的基因線路0473.1基因線路概述0483.1.1基因線路的起源0483.1.2基因線路的類型0493.2基因線路調控元件0493.2.1啟動子0493.2.2終止子0503.2.3弱化子0513.2.4增強子0523.2.5阻遏子0533.2.6絕緣子0543.2.7核糖體結合位點0543.2.8轉錄因子0553.3邏輯門基因線路0553.3.1“與”門基因線路0563.3.2“或”門基因線路0563.3.3“非”門基因線路0573.3.4“與非”門基因線路0573.3.5“或非”門基因線路0583.4開關基因線路0593.4.1轉換開關0593.4.2雙相開關0593.4.3核糖開關0603.4.4RNA開關0603.4.5雙穩態開關0613.5基因線路調控方式0623.5.1基因線路糾錯0623.5.2基因線路放大0633.6基因線路實例0633.6.1振盪器與生物節律0633.6.2細胞記憶基因線路0643.6.3光控開關與生物成像064參考文獻065第4章合成生物系統的設計與組裝0684.1合成生物系統的設計0704.1.1合成生物系統底盤細胞的選擇0704.1.2合成生物系統所需元件和途徑挖掘0724.1.3合成生物系統的計算機輔助設計與分析0744.2合成生物系統的組裝與構建0754.2.1轉錄單元的合成組裝0754.2.2多基因代謝途徑的構建0774.2.3染色體和基因組的組裝0774.2.4合成生物系統的構建0804.3合成生物系統的優化0824.3.1單一基因的優化0824.3.2多基因途徑的組合優化0854.3.3基因組簡化和重構0864.4合成生物系統的分析與篩選0874.4.1合成生物系統分析技術0884.4.2合成生物系統篩選技術0904.5“設計構建檢驗重設計”的特徵循環0934.5.1功能模塊與底盤適配性分析與評價0944.5.2人工體系運行效率的最優化0954.5.3快速檢測技術對合成生物系統重設計的影響0954.5.4合成生物系統的系統性進化0964.6合成生物系統中的細菌間相互作用0974.6.1典型的群體感應系統0984.6.2混菌系統(群體感應)在合成生物學中的應用100參考文獻105第5章合成生物系統的調控與優化1085.1合成生物系統的單點調控與優化1095.1.1合成生物系統在DNA水平的調控與優化1095.1.2合成生物系統在RNA水平的調控與優化1105.1.3合成生物系統在蛋白質水平的調控與優化1135.1.4合成生物系統在XNA以及XNAzymes的調控與優化1165.1.5合成生物系統的全域調控與優化1185.2合成生物系統在基因組水平的全域調控與優化1195.2.1傳統的基因打靶技術1195.2.2Fok Ⅰ介導的合成生物系統基因組編輯技術(ZFN與TALEN)1205.2.3CRISPR-Cas9系統介導的合成生物系統基因組編輯技術1225.2.4基因組大片段的插入、刪除和剪切-粘貼1275.2.5宏基因組學和比較基因組學1275.2.6總結與展望1285.3合成生物系統的理性調節與隨機調節1285.3.1合成生物系統在轉錄組學和蛋白質組學水平的調控1295.3.2合成生物系統在代謝組學水平的調控1345.3.3合成生物系統在功能基因組學水平的調控1375.3.4組學的未來139參考文獻140第6章無細胞合成生物系統1436.1無細胞合成生物學理念與設計原理1446.1.1直接體系控制1456.1.2原位檢測和產品獲取1466.1.3加速“設計-構建-測試”週期1476.1.4毒性物質忍耐性1486.1.5擴展生命化學1486.1.6經濟性1486.1.7效率1486.2無細胞合成生物系統的分類1486.2.1基於細胞提取物體系1496.2.2純化體系1506.2.3多酶體系1516.3無細胞合成生物系統的工程改造1516.3.1系統優化1516.3.2基因模板1526.3.3蛋白質合成1536.3.4小分子合成1566.3.5人工細胞1576.4無細胞合成生物系統的工程應用1586.4.1結構生物學1586.4.2高通量篩選1596.4.3生物醫藥1596.4.4生物催化1616.4.5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1677.1概述1687.1.1合成生物學建模目的及模型特點1687.1.2計算機技術對於合成生物學研究的重要性1697.2合成生物系統數學建模的基本分析方法1717.2.1合成生物系統建模的基本分析流程1717.2.2模型拓撲結構的分析與確定1727.2.3模型動力學參數的確定1757.3合成生物系統數學模型的分析與評價1777.3.1穩定性分析與評價1777.3.2魯棒性和敏感性分析1797.4合成生物系統的基本數學模型1817.4.1基本蛋白質表達模型1817.4.2邏輯門模型1827.4.3雙穩態開關模型1857.4.4振盪器模型1867.4.5群體感應線路模型1877.5合成生物系統在大數據時代的文庫構建與建模1897.5.1合成生物學模型與文庫在大數據時代的特點1897.5.2大數據時代下合成生物系統建模與文庫構建的挑戰和問題1907.5.3合成生物系統建模在大數據時代的發展方向1917.6計算機技術在合成生物學研究中的運用1927.6.1生物小分子的計算機輔助設計與改造1927.6.2基因線路的計算機輔助設計與分析1947.6.3合成路徑和反應過程的計算機輔助設計195參考文獻197第8章合成生物學的應用2008.1綠色化工方面的應用2018.1.1化學品的綠色製造2018.1.2生物能源的綠色製造2108.2環境治理方面的應用2168.3醫藥方面的應用2188.3.1傳染疾病的防治2188.3.2癌症及其他疾病的治療2208.3.3藥物篩選2228.3.4生物醫藥的先進製造2248.4抗逆性改造方面的應用2278.4.1抗發酵抑制物2278.4.2抗毒性中間產物2288.4.3抗毒性終產物2298.5其他方面的應用2298.5.1解釋生物圖案形成機理2298.5.2構建大腸桿菌條件反射回路230參考文獻232第9章合成生物學引發的新浪潮與顛覆2359.1合成生物學的全球戰略地位和經濟效益2369.1.1全球佈局2369.1.2各國戰略投資分析2369.1.3軍事領域的應用2419.1.4民用市場前景分析2429.2合成生物學作為顛覆性新興技術的優勢2449.2.1與傳統農業、發酵產業的比較2449.2.2顛覆性技術和手段2459.2.3可持續性和潛力2469.3國際主要合成生物學研究中心與熱點2479.3.1全球公立研發中心佈局2479.3.2全球私立研發中心佈局2479.3.3全球研究熱點2479.3.4研究前景與展望2479.4合成生物學的安全與倫理探討及策略2489.4.1面臨的倫理爭議2489.4.2倫理研究的意義2499.4.3倫理研究的指導意義2499.4.4倫理相關政策的完善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大賽以及優秀作品簡介262附錄四經典的合成生物學技術270附錄五主要的合成生物學網站和資源271

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