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内容简介

　　合成生物学的兴起是21世纪生命科学领域的大事件。合成生物学的快速发展为其他学科注入了新的研究理念，提供了强有力的工具。分子酶学工程与合成生物学的交叉和整合出现了新的研究领域——合成酶学。《合成生物学与合成酶学》共分7章。第1章合成生物学概述，使读者对合成生物学有一个全面的认识；第2章分子酶学工程概要，使读者对分子酶学工程与合成生物学的关系有基本的了解；第3章、第4章和第5章详细介绍了合成生物元件、装置、基因网路和系统；第6章介绍合成代谢途径；第7章介绍合成酶学。
　　《合成生物学与合成酶学》可供从事生命科学研究与教学的人员参考，也可用作生命科学学科专业高年级本科生及研究生的教材和参考用书。

内页插图

目录

前言
第1章 合成生物学概述
1．1 合成生物学概念
1．2 合成生物学研究的核心内容
1．2．1 生物成分标准模块化设计和构建
1．2．2 中心法则的再设计和构建
1．2．3 生物网络的设计和构建
1．2．4 底盘基因组的设计和构建
1．2．5 基因组合成
1．3 合成生物学的研究策略和方法
1．3．1 合成策略和方法
1．3．2 分析策略和方法
1．4 合成生物学的应用研究
1．4．1 设计和构建新的生物大分子
1．4．2 设计和构建新的途径／网络
1．4．3 合成传感器
1．4．4 合成生物学用于药物发现、生产和治疗
1．4．5 合成生物学用于控制代谢流量
1．4．6 工程细胞
1．4．7 合成生态系统
1．5 设计与构建新的遗传系统
1．6 合成生物学面临的问题和挑战
1．6．1 表征、标准化和模块化
1．6．2 噪声的处理
1．6．3 表观遗传
1．6．4 计算工具
1．6．5 程序化抽提
1．6．6 合成生物学结果处理
1．6．7 元件不相容问题
1．7 社会及伦理问题
1．8 结束语
参考文献

第2章 分子酶学工程概要
2．1 引言
2．2 酶分子进化工程
2．2．1 酶定向进化
2．2．2 酶的混杂性和多专一性的进化及新酶设计
2．3 蛋白酶分子工程
2．3．1 DNA加工酶分子工程
2．3．2 结构域和模块工程
2．3．3 程序化合成酶和合成催化
2．4 核酸酶分子工程
2．4．1 基于基序体外选择核酶
2．4．2 DNAzyme——“生物学意义”的合成酶
2．5 酶分子的计算设计
2．5．1 酶活性部位的计算设计
2．5．2 配体进出路径的计算设计
2．5．3 蛋白质间相互作用界面的计算设计
2．5．4 正、负及中性突变的计算分析
2．5．5 酶稳定性的计算设计
2．5．6 展望
2．6 酶分子的从头设计
2．6．1 Kemp消除酶的从头设计
2．6．2 逆醇醛缩合酶的从头设计
2．6．3 Diels-Alder（狄尔斯·阿尔德）酶的从头设计
2．7 从工程酶到工程酶系统再到工程生命
参考文献

第3章 合成生物元件、装置和生物模块
3．1 引言
3．2 合成生物元件、装置、系统和模块的定义
3．2．1 元件
3．2．2 装置
3．2．3 系统
3．2．4 生物模块
3．2．5 生物骨架
3．3 合成蛋白质元件
3．3．1 蛋白质合成生物学基础
3．3．2 合成非天然蛋白质元件
3．3．3 基于基序合成蛋白质元件
3．4 合成蛋白质装置
3．4．1 基于分子相互作用合成蛋白质装置
3．4．2 基于结构域合成蛋白质装置
3．5 合成对RNA元件
3．5．1 RNA传感器
3．5．2 RNA调节器
3．6 合成RNA装置
3．6．1 传感器和调节器元件直接偶联的RNA装置
3．6．2 不同信息传递功能整合的RNA装置
3．6．3 功能组成骨架结构——模块组装装置
3．6．4 天然核开关
3．6．5 设计核酶和RNA逻辑装置
3．6．6 合成RNA装置的各种技术
3．6．7 合成RNA元件和装置的应用研究
3．7 合成DNA元件和装置
3．7．1 合成DNA元件库——iGEM Registry
3．7．2 合成启动子
3．7．3 合成动态DNA装置
3．8 结束语
参考文献

第4章 合成基因（或蛋白质）网络
4．1 引言
4．2 合成基因（或蛋白质）线路
4．2．1 逻辑基因线路
4．2．2 功能基因线路
4．3 合成基因（或蛋白质）网络
4．3．1 合成转录基因网络
4．3．2 合成转录后基因网络
4．3．3 合成信号转导网络
4．3．4 合成宿主界面基因网络
4．3．5 合成跨细胞基因网络
4．4 定向进化基因线路与网络
4．4．1 合成生物学与基因表达的进化
4．4．2 合成基因线路与网络的重构、工程化
4．4．3 组合合成与基因网络的定向进化
4．4．4 工程化基因网络的机遇与挑战
4．5 合成基因线路与网络的应用
4．5．1合成基因线路与网络在医药工业领域中的应用
4．5．2 合成基因线路与网络在生物能源领域中的应用
4．5．3合成基因线路与网络用于构建生物传感系统
4．6 结束语
参考文献

第5章 合成生物系统
5．1 引言
5．2 从头合成基因组
5．2．1 从头合成基因组的相关概念
5．2．2 合成基因组的基本路线
5．2．3 合成基因和基因组的方法
5．3合成简化的生物系统
5．3．1 最小基因组和必需基因
5．3．2 人工合成脊髓灰质炎病毒
5．3．3 合成基因组控制的φX174噬菌体
5．3．4 重构T7噬菌体
5．3．5 重构1918年西班牙流感病毒
5．3．6 嵌合基因组细胞
5．3．7 重组有活性的蝙蝠SARS样冠状病毒
5．3．8 转化生殖支原体
5．3．9 人造基因组控制的活细胞
5．4 合成多细胞系统
5．4．1 概述
5．4．2 合成多细胞系统的基础研究
5．4．3 合成多细胞系统的一些应用
5．5 无细胞合成生物系统
5．5．1 概述
5．5．2 无细胞合成生物系统中蛋白质合成的机制和优越性
5．5．3 主要的无细胞合成生物系统
5．5．4 无细胞合成生物系统的主要应用
5．5．5 前景展望
参考文献

第6章 合成代谢途径
6．1 引言
6．2 合成代谢途径的定向进化
6．2．1 合成代谢途径定向进化策略
6．2．2 类胡萝卜素生物合成途径定向进化
6．3 合成代谢途径的构建与最佳化
6．3．1 合成代谢途径的构建
6．3．2 合成代谢途径的最佳化
6．4 合成代谢途径中关键酶分子工程
6．4．1 酶水平的合成生物学
6．4．2 途径水平的合成生物学
6．5 合成代谢途径的设计
6．5．1 现有代谢途径的再设计
6．5．2 从头合成代谢途径
6．6 合成代谢途径的调控
6．6．1 通过操纵子调控合成代谢途径
6．6．2 多基因表达调控
6．7 结束语
参考文献

第7章 合成酶学
7．1 引言
7．2 合成药物
7．2．1 青蒿素
7．2．2 聚酮化合物
7．3 合成能源
7．3．1 合成氢
7．3．2 醇
7．3．3 生物柴油
7．4 合成生物质产品或材料
7．4．1 葡萄糖二酸
7．4．2 聚乳酸
7．5 结束语
参考文献

前言/序言

　　生命科学正处于从体外到体内，从静态到动态，从定性到定量，从组分到线路、网络或途径再到系统的转变期。对于生命过程，研究人员正在用新的理念进行再思考、再设计和再构建。由于有核酸科学和蛋白质科学等学科的一系列成就，越来越多的生物学家、化学家、物理学家、数学家和工程学家积极尝试整合各种科学技术的成果并予以标准化和模块化，于是诞生了多学科交叉、各种技术集成的工程学科——合成生物学（synthetic biology），这是21世纪生命科学领域的大事件。
　　习惯从分子角度观察生命过程的生物化学和分子生物学家似乎对合成生物学有些陌生，其实合成生物学也必须以分子水平为基础，这样才能构成可持续发展的科学体系。生物系统是由分子生物学所揭示和正在揭示的各种成分组成的，基于分子水平才能够真正了解生物系统。合成生物学代表了应用生物分子和分子生物学资料的范例。合成生物学可以说是在分子水平上“认识生物系统一改造生物系统一创造正交生物系统”的学科。
　　当前两个新兴学科一系统生物学和合成生物学的发展态势，犹如19世纪30年代的合成有机化学。“分析”与“合成”这两种方法不仅推动了化学科学的发展，而且也推动了生命科学技术的发展。“分析”是“合成”的前提条件，“合成”是“分析”的必然结果。合成生物学的关键在于合成，它是整合的合成、系统的合成、模块化的合成，如合成生物元件（part）、装置（device）和系统（system），合成其他工程难以甚至不能实现的目标，乃至合成生命体。
　　目前，合成生物学已从“声明”阶段进入研究和快速发展时期。由于其独特的研究理念、富有挑战性的目标和巨大的应用潜力，已成为科学界的焦点之一。然而，由于合成生物学建议者的多样化背景，合成生物学概念还处于开放、探索的阶段。我们应该从联系和发展的观点，以兼容并蓄的科学态度对待合成生物学。合成生物学应包括三个方面；①认识生命；②改造生命；③创造生命。具体地讲，合成生物学应以天然生物系统的结构（包括动态结构）与功能为基础，以工程生物系统为核心，以标准模块化为导向，研究生物元件、装置和系统的设计与构建的理论和技术，开发生物系统的新功能、新性质，进而重构生命，为人类造福。
　　生物技术无论如何发展都离不开酶，尤其是工程酶。合成生物学的诞生和发展更是如此。酶（包括蛋白酶和核酸酶）是最基础、最通用的生物元件。分子酶学工程的发展为合成生物元件、装置和系统提供了技术支持，同时，合成生物学的快速发展为分子酶学工程注入了新的研究理念，提供了强有力的工具。可以预见，在不久的将来，合成生物学的发展将使分子酶学工程以崭新的面貌出现在生命科学技术的“世界”。要想使分子酶学工程茁壮地发展，就要借鉴合成生物学的研究理念和方法。上述两个学科交叉和整合将出现新的研究领域——合成酶学（synthetic enzymology）。由工程酶到工程酶系统再到工程生命，这是合成酶学的目标。
　　本书共分7章。第1章和第2章由张今教授和姜大志副教授编写；第3章由张今教授和盛永杰副教授编写；第4章由施维教授和李全顺博士编写；第5章由李桂英教授编写；第6章由盛永杰副教授编写；第7章由姜大志副教授编写。本书成稿后由张今教授和姜大志副教授统编，孙妍红高级工程师完成书稿的计算机输入、图表制作、初稿校对和排版。
　　本书引用了国内外有关分子酶学工程和合成生物学的文献资料，在此对这些参考文献的作者致以衷心的感谢。科学出版社编辑为本书的出版付出了辛勤劳动，在此向他们表示诚挚的谢意。本书的出版得到吉林大学“985”工程整合生物学创新平台的资助及分子酶学工程教育部重点实验室、生命科学学院的支持，特此致谢。
　　由于作者学术水平有限，书中欠妥或不足之处在所难免，诚恳地希望广大读者批评指正，不胜企盼之至。
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