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第1章 绪论 1

第一部分 合成生物学概述 1

1.1 合成生物学的诞生 2

1.2 合成生物学的定义 4

1.3 合成生物学的研究内容 4

1.3.1 生物大分子的合成与模块化 5

1.3.2 生物基因组的合成、简化与重构 7

1.3.3 合成代谢网络 8

1.3.4 遗传／基因线路的设计与构建 8

1.3.5 细胞群体系统及多细胞系统研究 9

1.3.6 数学模拟和功能预测 9

1.4 合成生物学的意义 10

1.4.1 加速合成生物系统工程化的进程 10

1.4.2 验证和深化对于生物现象的理解 10

1.5 合成生物学的工程本质 11

1.6 合成生物学与相关生物学科 13

1.6.1 与遗传工程的关系 13

1.6.2 与分子生物学和细胞生物学的关系 14

1.6.3 与系统生物学和功能基因组学的关系 14

1.6.4 与生物信息学的关系 15

1.7 合成生物学国际会议及国际遗传机器大赛 16

1.7.1 合成生物学国际会议（Synthetic Biology x.0） 16

1.7.2 国际遗传机器大赛 16

第二部分 合成生物学引发的思考 17

1.8 人类造物主 17

1.8.1 道德规范 17

1.8.2 对环境无控制地排放 18

1.8.3 生物武器的滥用 19

1.8.4 对生物的专利与垄断 20

1.8.5 创造人工生命？ 21

1.8.6 究竟该如何应对？ 22

第2章 合成生物系统的设计 25

第一部分 合成生物系统的模块化与层次化结构 25

2.1 合成生物学的模块化设计 26

2.1.1 模块设计的三个特征因素 26

2.1.2 细胞本底环境对模块化设计的影响 27

2.1.3 无细胞合成生物系统 28

2.2 标准化生物模块——生物积块 28

2.2.1 BioBrick命名规则 29

2.2.2 BioBrick的连接 30

2.3 标准定量机制 33

2.3.1 PoPS 33

2.3.2 RIPS 34

2.4 生物系统的层次化结构 34

2.4.1 生物部件“Part” 34

2.4.2 生物装置“Device” 36

2.4.3 生物系统“System” 36

2.4.4 细胞群体系统及多细胞系统 37

第二部分 合成生物系统的逻辑拓扑结构 39

2.5 串联 39

2.6 单输入 40

2.7 多输入 41

2.8 反馈 42

2.9 前馈 44

第3章 合成生物系统的数学模拟与性能分析 49

第一部分 生物系统的数学模拟 49

3.1 常微分方程 49

3.1.1 质量作用定律 50

3.1.2 米氏方程 51

3.1.3 希尔方程 52

3.2 Logistic模型 53

3.2.1 单种群细胞自由生长的Logistic模型 53

3.2.2 两种细胞自由生长的Logistic模型 54

3.3 主方程 56

3.4 随机微分方程 57

3.5 模式识别 57

3.5.1 聚类分析 58

3.5.2 分类分析 60

3.6 小结 64

第二部分 合成生物系统性能分析 64

3.7 常用性能指标 65

3.7.1 稳定性 65

3.7.2 鲁棒性 65

3.7.3 响应快速性 65

3.8 稳定性分析 65

3.9 鲁棒性分析／敏感性分析 66

3.10 提高系统稳定性和鲁棒性的机制 67

3.10.1 冗余 68

3.10.2 反馈控制 68

3.10.3 特异性和保真度 68

第4章 合成生物学的基础研究 71

第一部分 模拟逻辑功能的基础研究 71

4.1 逻辑门功能遗传线路 72

4.2 基因调控开关 74

4.2.1 转换开关 74

4.2.2 双相开关 75

4.2.3 Riboswitch 75

4.2.4 双稳态开关 77

4.3 Repressilator 83

4.4 细胞群体系统脉冲发生器 88

第二部分 其他方面的合成生物学基础研究 92

4.5 控制群体数量的基因线路 92

4.6 人工细胞群体图案系统 95

4.7 人工转录级联线路 99

4.8 工程化的支架蛋白 100

4.9 重构T7噬菌体基因组 105

第5章 合成生物学的应用研究 111

5.1 合成生物学应用于维护人类健康 111

5.1.1 环境控制的大肠杆菌对癌细胞的侵入系统 113

5.1.2 合成青蒿素的微生物工厂 117

5.2 合成生物学应用于生产生物能源 121

利用工程化的大肠杆菌非发酵代谢途径生物合成高级醇 123

5.3 合成生物学应用于环境治理 126

砷离子的检测 126

5.4 合成生物学应用于其他方面 128

5.4.1 大肠杆菌成像系统 128

5.4.2 微生物计算系统 131

参考文献 137

主要网站 148

附录A 名词解释 150

附录B iGEM参赛项目选介 157

1．幽门螺杆菌疫苗 157

2．艾滋病的治疗 161

3．芳香烃类污染物的检测 164

4．丁醇的生物合成 165

5．基因反馈调节治疗脓毒症 167

6．大肠杆菌香味剂 169

名词索引 171

人名索引 173