合成生物学与合成酶学 [Synthetic Biology and Synthetic Enzymology] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张今，施维，李桂英，盛永杰，姜大志 等 著

图书标签:

• 合成生物学
• 合成酶学
• 生物工程
• 酶工程
• 基因工程
• 代谢工程
• 生物技术
• 系统生物学
• 蛋白质工程
• 生物催化

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030339881

版次：1

商品编码：12128126

包装：平装

丛书名： 生命科学前沿

外文名称：Synthetic Biology and Synthetic Enzymology

开本：16开

出版时间：2012-04-01

用纸：胶版纸

页数：288

字数：440000

正文

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。

图书简介： 《生物材料科学与工程：从分子设计到宏观应用》 本书概述： 《生物材料科学与工程：从分子设计到宏观应用》深入探讨了生物材料领域的跨学科前沿，旨在为读者构建一个从基础理论到前沿应用的完整知识体系。本书聚焦于如何利用生物学原理和工程学方法设计、合成、表征和应用具有特定功能的生物相容性材料。内容涵盖了聚合物科学、纳米技术、细胞生物学以及组织工程学的核心概念，旨在阐明如何通过精准的分子调控实现宏观材料性能的优化。 第一部分：生物材料的分子基础与设计原理 本部分首先奠定了生物材料科学的理论基础。我们将从生物大分子的结构与功能出发，详细解析天然生物材料（如蛋白质、多糖、核酸）的分子构象、自组装行为及其在生物环境中的物理化学特性。 第1章：生物相容性与生物降解性 本章详细阐述了生物材料在活体环境中的响应机制。我们将讨论生物相容性的多层次评估方法，包括细胞毒性测试、炎症反应调控以及长期植入后的组织整合。此外，对生物降解路径的深入分析至关重要，涵盖了水解、酶促降解以及材料在体内代谢的动力学模型。重点讨论了如何通过调控材料的化学结构来精确控制降解速率，以适应特定的治疗窗口。 第2章：聚合物合成与结构控制 聚合物是生物材料的核心骨架。本章聚焦于合成生物可降解聚合物，如聚酯类（PLA, PGA, PCL）和聚氨酯的合成方法。我们将详细介绍可控/“活性”自由基聚合（如ATRP、RAFT）在构建具有窄分子量分布和精确链末端官能团的生物材料中的应用。讨论了共聚物设计策略，以平衡材料的力学性能、亲疏水性以及药物递送潜力。 第3章：纳米尺度下的材料构建 生物系统在纳米尺度上运作，因此生物材料的设计也必须关注纳米结构。本部分深入探讨了纳米粒子、纳米纤维和水凝胶的构建技术。内容包括静电纺丝技术（Electrospinning）在制备仿生支架中的应用、微乳液法在合成纳米球中的精确控制，以及基于DNA折纸术（DNA Origami）构建超分子纳米结构的方法。强调了表面积体积比对细胞粘附和信号转导的影响。 第二部分：功能化与智能响应性 本部分转向如何赋予生物材料特定的生物活性和环境响应性，使其能够与复杂的生物系统进行精准交互。 第4章：表面化学与生物分子固定化 材料的表面性质决定了其与生物界面的最初接触。本章系统介绍了表面改性技术，包括等离子体处理、化学接枝（Grafting）和表面印迹（Imprinting）。重点阐述了如何利用点击化学（Click Chemistry）等高效、高选择性的偶联反应，将生长因子、细胞粘附肽段（如RGD序列）或抗体共价固定到材料表面，以引导细胞的命运（如增殖、分化）。 第5章：刺激响应性（智能）生物材料 智能材料能够感知并响应环境中的特定刺激（如pH、温度、光照、电场或酶浓度）。本章详细分析了热敏水凝胶（如PNIPAM）的相变行为，以及pH敏感聚合物在肿瘤微环境（酸性）中触发药物释放的机制。此外，还探讨了光响应性材料在光动力/光热疗法中的应用，以及如何设计材料以实现“按需”释放活性因子。 第6章：用于分子传感与诊断的生物材料 生物材料在体外诊断（IVD）和体内监测中扮演关键角色。本章讨论了如何将识别元件（如抗体、核酸适配体）集成到纳米载体或微流控器件中，以实现对特定生物标志物的高灵敏度检测。重点介绍了基于表面等离子体共振（SPR）或荧光淬灭机制的生物传感器设计。 第三部分：前沿应用与工程化实践 本书最后一部分将理论和分子设计转化为实际的工程应用，涵盖了当前生物材料研究的热点领域。 第7章：药物与基因递送系统 本章聚焦于先进的纳米载体在精准治疗中的作用。详细解析了脂质体、聚合物胶束和无机纳米粒子的构建与优化，以实现药物在体内的长循环和靶向递送。深入讨论了基因递送载体（如阳离子脂质体、聚乙烯亚胺）的载核酸机制、细胞内吞过程以及核酸的逃逸（Endosomal Escape）策略，以确保有效转染。 第8章：组织工程支架与再生医学 组织工程的核心在于构建三维支架，以模拟天然细胞外基质（ECM）。本章着重于支架的设计原则，包括多孔结构、机械性能与组织匹配性。探讨了不同的支架制造技术，包括3D打印（增材制造）在构建具有复杂微结构和生物梯度功能性器官模型中的潜力。针对骨组织、软骨和血管的再生需求，分别介绍了相应的材料选择和生物学考量。 第9章：生物电子学与植入式器件 随着生物材料与电子元件的融合，生物电子学领域正在快速发展。本章讨论了用于神经接口、生物传感器和可穿戴医疗设备的柔性电子材料。重点分析了导电聚合物和碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）在保持生物相容性的同时，如何实现高效的电荷传输和信号采集。同时，讨论了植入式器件的长期稳定性与生物反应界面调控问题。 结语 《生物材料科学与工程：从分子设计到宏观应用》为材料科学家、生物工程师、化学家和临床医生提供了一个全面且深入的参考平台。本书的结构旨在培养读者跨学科的思维模式，驱动材料创新以解决当代医学和生物技术面临的复杂挑战。读者将掌握从基础分子结构到复杂系统集成的全链条设计与评估能力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出版，对于推动合成生物学和合成酶学领域的研究和普及无疑具有积极意义。它提供了关于这两个交叉学科领域的一些基础概念和前沿进展。我注意到书中对一些重要合成生物学工具，如CRISPR-Cas9基因编辑技术、合成DNA合成技术等，都有所提及。这些技术是构建人工生命系统的重要基石，它们的出现极大地加速了合成生物学的发展。然而，我在阅读过程中，感觉书中对这些工具的应用和局限性的讨论，似乎还不够深入。例如，在讨论基因编辑技术的应用时，书中更多的是展示其潜力，而对于其在复杂生物系统中可能产生的脱靶效应、递送效率等问题，则涉及较少。同样，在合成酶学的部分，虽然提到了酶的催化效率和选择性的提升，但对于如何构建能够执行复杂多步反应的“酶级联”系统，以及如何克服中间产物的累积和副反应的发生等问题，并没有进行更详细的阐述。我更期待的是，这本书能够为读者提供更具操作性的指导，例如，在设计一个合成生物系统时，应该考虑哪些关键因素？在改造一个酶以适应特定反应时，有哪些经典的策略和需要注意的陷阱？这本书更像是提供了一张宏观的地图，而我则需要一份更详细的导航指南，才能真正踏上探索合成生物学的旅程。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，以一种既现代又略带艺术感的方式，将DNA的螺旋结构与一个复杂的分子模型巧妙地融合在一起，初见之下便吸引了我。我通常对科普类读物抱有一定期待，希望它们能在复杂的科学概念中找到一条清晰的路径，让非专业人士也能窥探到前沿的奥秘。然而，当我翻开《合成生物学与合成酶学》时，我并没有立即找到预期的那种“引人入胜”的叙述。书中的例子，比如对于改造细菌代谢途径以生产特定化合物的描述，虽然在理论上令人振奋，但缺乏更具象化的阐释。例如，书中提及了利用工程化的酵母生产抗疟疾药物青蒿素，这无疑是一个里程碑式的成就，但具体的“如何”——例如，是如何设计和插入基因，如何优化发酵条件，以及在这个过程中可能遇到的工程挑战——并没有得到深入浅出的剖析。我更期待的是，作者能够像一位经验丰富的向导，带领读者穿越迷宫般的基因组，揭示每一个关键节点的决策过程，而非仅仅展示最终的地图。对于“合成生物学”这个概念，书中的定义和应用场景的罗列，虽然全面，但总感觉缺少了那种“触碰得到”的生动感。我希望看到更多关于研究人员如何从零开始“创造”生命系统，或者如何“重写”生命代码的实际案例，以及这些研究在伦理、安全和社会层面上引发的思考。这本书更像是一份严谨的学术报告，而非一次轻松的知识漫游，对于初学者来说，可能需要付出更多的努力才能真正理解其核心思想。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计，散发着一种严谨而沉静的学术气息，让我对内容本身充满了敬意。我通常会在阅读一本新书之前，先浏览一下目录和序言，以期对书籍的整体结构和作者的写作意图有一个大致的把握。在翻阅《合成生物学与合成酶学》时，我注意到书中对一些基础理论的阐述，如DNA复制、转录、翻译等，虽然是必不可少的背景知识，但似乎占据了相当大的篇幅。这对于已经对这些概念有所了解的读者来说，可能会觉得有些冗余。我更希望看到的是，作者能够直接切入合成生物学和合成酶学的前沿话题，并在此基础上进行深入的探讨。例如，书中提及了利用定向进化和理性设计来改造酶的催化性能，这无疑是合成酶学的重要分支。然而，对于这些方法的具体实施细节，以及在实际操作中可能遇到的技术瓶颈，并没有进行深入的分析。我希望书中能包含更多具体的案例研究，详细介绍研究人员是如何一步步地设计、构建和优化合成生物系统或合成酶的，以及在这个过程中所经历的失败和启示。从读者的角度来看，我更希望这本书能够提供一种“启发式”的学习体验，引导我去思考，去探索，而不是仅仅停留在知识的罗列。

评分☆☆☆☆☆

这本书的学术严谨性毋庸置疑，对于那些已经具备一定生物学基础，并且对合成生物学和酶学有深入了解的读者来说，它无疑是一份宝贵的参考资料。书中对于各类酶催化反应机理的阐述，其深度和细节令人印象深刻。例如，在讨论特定合成酶的设计时，作者详细列举了不同氨基酸残基的功能，以及它们如何影响底物结合、催化活性和立体选择性。这种细致入微的分析，对于希望在酶工程领域进行研究或开发的学者而言，提供了坚实的基础。我尤其欣赏书中对复杂生物分子机器的建模和模拟技术的介绍，这些内容揭示了现代生物技术研究的计算维度。然而，对于我这样的普通读者，书中频繁出现的专业术语和复杂的化学结构式，构成了一道不小的门槛。虽然附录中可能提供了部分解释，但在主体内容中，这些元素往往需要读者具备相当的背景知识才能理解。这本书更适合作为一本工具书，在遇到具体问题时，从中查找相关的理论知识和方法论，而不是期望它能从宏观上引领读者领略合成生物学的魅力。书中对于“合成酶学”部分的论述，更多地聚焦于酶的结构、功能和改造，而非其在合成生物学整体框架下的应用。我希望看到更多将酶的“设计”与生物体的“构建”更紧密地联系起来的例子，例如，如何通过设计一系列协同工作的酶，来高效地完成复杂的生物合成任务。

评分☆☆☆☆☆

我一直在关注合成生物学的发展，被它能够“设计”和“建造”生命系统的潜力所吸引。当我找到《合成生物学与合成酶学》这本书时，我满怀期待地希望它能给我带来一些新的视角和深入的理解。书中确实涉及到了许多令人振奋的应用，比如利用合成生物学技术生产生物燃料、新型药物以及环境污染物降解剂。这些例子，在理论层面上，勾勒出了一个未来充满无限可能的图景。然而，我感觉这本书在“如何实现”这些目标上，似乎有所保留。它更侧重于介绍“是什么”和“为什么”，而对于“怎么做”的细节，则比较简略。例如，书中提到通过基因工程改造微生物来生产高价值化学品，但具体到基因编辑技术、代谢通路优化策略，以及大规模发酵的工程控制等方面，并没有进行详细的讲解。这让我在阅读时，总有一种隔靴搔痒的感觉。我希望看到更多关于研究过程中的实际挑战和解决方案，例如，在基因表达调控、蛋白稳定性提升、细胞毒性问题等方面，科研人员是如何克服困难的。另外，对于“合成酶学”这部分，虽然提到了酶的设计和改造，但其与整个合成生物学系统之间的协同作用，以及如何构建高效的酶促反应网络，似乎也没有得到足够充分的阐述。我更期待的是，这本书能够像一个经验丰富的技术导师，不仅展示最终的成果，更能耐心细致地讲解每一个步骤的原理和技巧。