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第1章 合成生物学概述 1

1.1 合成生物学概念 2

1.2 合成生物学研究的核心内容 5

1.2.1 生物成分标准模块化设计和构建 7

1.2.2 中心法则的再设计和构建 8

1.2.3 生物网络的设计和构建 9

1.2.4 底盘基因组的设计和构建 14

1.2.5 基因组合成 16

1.3 合成生物学的研究策略和方法 18

1.3.1 合成策略和方法 18

1.3.2 分析策略和方法 25

1.4 合成生物学的应用研究 26

1.4.1 设计和构建新的生物大分子 26

1.4.2 设计和构建新的途径／网络 27

1.4.3 合成传感器 29

1.4.4 合成生物学用于药物发现、生产和治疗 31

1.4.5 合成生物学用于控制代谢流量 32

1.4.6 工程细胞 33

1.4.7 合成生态系统 34

1.5 设计与构建新的遗传系统 35

1.6 合成生物学面临的问题和挑战 36

1.6.1 表征、标准化和模块化 36

1.6.2 噪声的处理 36

1.6.3 表观遗传 37

1.6.4 计算工具 37

1.6.5 程序化抽提 37

1.6.6 合成生物学结果处理 38

1.6.7 元件不相容问题 38

1.7 社会及伦理问题 38

1.8 结束语 38

参考文献 39

第2章 分子酶学工程概要 41

2.1 引言 42

2.2 酶分子进化工程 43

2.2.1 酶定向进化 43

2.2.2 酶的混杂性和多专一性的进化及新酶设计 46

2.3 蛋白酶分子工程 55

2.3.1 DNA加工酶分子工程 55

2.3.2 结构域和模块工程 58

2.3.3 程序化合成酶和合成催化 61

2.4 核酸酶分子工程 65

2.4.1 基于基序体外选择核酶 65

2.4.2 DNAzyme——“生物学意义”的合成酶 67

2.5 酶分子的计算设计 69

2.5.1 酶活性部位的计算设计 70

2.5.2 配体进出路径的计算设计 71

2.5.3 蛋白质间相互作用界面的计算设计 73

2.5.4 正、负及中性突变的计算分析 73

2.5.5 酶稳定性的计算设计 75

2.5.6 展望 75

2.6 酶分子的从头设计 76

2.6.1 Kemp消除酶的从头设计 76

2.6.2 逆醇醛缩合酶的从头设计 78

2.6.3 Diels-Alder（狄尔斯-阿尔德）酶的从头设计 82

2.7 从工程酶到工程酶系统再到工程生命 84

参考文献 86

第3章 合成生物元件、装置和生物模块 87

3.1 引言 88

3.2 合成生物元件、装置、系统和模块的定义 89

3.2.1 元件 89

3.2.2 装置 89

3.2.3 系统 89

3.2.4 生物模块 90

3.2.5 生物骨架 91

3.3 合成蛋白质元件 92

3.3.1 蛋白质合成生物学基础 92

3.3.2 合成非天然蛋白质元件 93

3.3.3 基于基序合成蛋白质元件 96

3.4 合成蛋白质装置 101

3.4.1 基于分子相互作用合成蛋白质装置 101

3.4.2 基于结构域合成蛋白质装置 103

3.5 合成RNA元件 107

3.5.1 RNA传感器 108

3.5.2 RNA调节器 108

3.6 合成RNA装置 112

3.6.1 传感器和调节器元件直接偶联的RNA装置 112

3.6.2 不同信息传递功能整合的RNA装置 112

3.6.3 功能组成骨架结构——模块组装装置 113

3.6.4 天然核开关 115

3.6.5 设计核酶和RNA逻辑装置 115

3.6.6 合成RNA装置的各种技术 117

3.6.7 合成RNA元件和装置的应用研究 118

3.7 合成DNA元件和装置 119

3.7.1 合成DNA元件库——iGEM Registry 119

3.7.2 合成启动子 120

3.7.3 合成动态DNA装置 120

3.8 结束语 123

参考文献 124

第4章 合成基因（或蛋白质）网络 127

4.1 引言 128

4.2 合成基因（或蛋白质）线路 129

4.2.1 逻辑基因线路 129

4.2.2 功能基因线路 133

4.3 合成基因（或蛋白质）网络 136

4.3.1 合成转录基因网络 137

4.3.2 合成转录后基因网络 140

4.3.3 合成信号转导网络 142

4.3.4 合成宿主界面基因网络 143

4.3.5 合成跨细胞基因网络 144

4.4 定向进化基因线路与网络 146

4.4.1 合成生物学与基因表达的进化 146

4.4.2 合成基因线路与网络的重构、工程化 148

4.4.3 组合合成与基因网络的定向进化 152

4.4.4 工程化基因网络的机遇与挑战 154

4.5 合成基因线路与网络的应用 155

4.5.1 合成基因线路与网络在医药工业领域中的应用 155

4.5.2 合成基因线路与网络在生物能源领域中的应用 156

4.5.3 合成基因线路与网络用于构建生物传感系统 156

4.6 结束语 157

参考文献 158

第5章 合成生物系统 161

5.1 引言 162

5.2 从头合成基因组 162

5.2.1 从头合成基因组的相关概念 163

5.2.2 合成基因组的基本路线 164

5.2.3 合成基因和基因组的方法 164

5.3 合成简化的生物系统 174

5.3.1 最小基因组和必需基因 174

5.3.2 人工合成脊髓灰质炎病毒 175

5.3.3 合成基因组控制的φX174噬菌体 176

5.3.4 重构T7噬菌体 177

5.3.5 重构1918年西班牙流感病毒 177

5.3.6 嵌合基因组细胞 178

5.3.7 重组有活性的蝙蝠SARS样冠状病毒 178

5.3.8 转化生殖支原体 179

5.3.9 人造基因组控制的活细胞 180

5.4 合成多细胞系统 181

5.4.1 概述 181

5.4.2 合成多细胞系统的基础研究 182

5.4.3 合成多细胞系统的一些应用 191

5.5 无细胞合成生物系统 194

5.5.1 概述 194

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 195

5.5.3 主要的无细胞合成生物系统 196

5.5.4 无细胞合成生物系统的主要应用 197

5.5.5 前景展望 199

参考文献 199

第6章 合成代谢途径 205

6.1 引言 206

6.2 合成代谢途径的定向进化 207

6.2.1 合成代谢途径定向进化策略 207

6.2.2 类胡萝卜素生物合成途径定向进化 210

6.3 合成代谢途径的构建与最佳化 214

6.3.1 合成代谢途径的构建 214

6.3.2 合成代谢途径的最佳化 216

6.4 合成代谢途径中关键酶分子工程 217

6.4.1 酶水平的合成生物学 218

6.4.2 途径水平的合成生物学 221

6.5 合成代谢途径的设计 226

6.5.1 现有代谢途径的再设计 228

6.5.2 从头合成代谢途径 231

6.6 合成代谢途径的调控 234

6.6.1 通过操纵子调控合成代谢途径 235

6.6.2 多基因表达调控 235

6.7 结束语 237

参考文献 237

第7章 合成酶学 241

7.1 引言 242

7.2 合成药物 242

7.2.1 青蒿素 243

7.2.2 聚酮化合物 248

7.3 合成能源 252

7.3.1 合成氢 252

7.3.2 醇 264

7.3.3 生物柴油 277

7.4 合成生物质产品或材料 281

7.4.1 葡萄糖二酸 281

7.4.2 聚乳酸 283

7.5 结束语 284

参考文献 285