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第一章 绪论1

引言1

知识网络1

第一节 生物技术的发展2

一、早期的生物技术与人类生存2

二、传统生物过程与经验技能2

三、现代生物技术的形成与发展3

第二节 生物工程、生物技术专业的演变4

一、生物技术的知识体系与生命科学4

二、生物工程的知识体系与化学工程4

三、生物工程／生物技术专业的成熟与发展5

第三节 生物工程中的学科交叉6

一、生物中的化学——生物化学、生物检测7

二、生物中的物理 生物物理7

三、生物中的全局优化——系统生物学8

四、新生命与新生物功能的创造——合成生物学8

第四节 生物工程与技术的应用9

一、优化与集成是生物工程的灵魂9

二、生物工程与人类健康14

三、生物工程与能源14

四、生物工程与环境16

五、生物工程与材料17

六、生物工程与安全17

七、生物工程与农业19

思考题20

参考文献21

第二章 碳代谢与代谢工程23

引言23

知识网络23

第一节 糖与糖代谢24

一、糖的获取——光合作用24

二、单糖与多糖26

三、糖代谢28

第二节 脂类与脂代谢32

一、脂类简介32

二、脂肪的分解代谢33

三、脂肪酸的合成代谢34

第三节 碳代谢与其他代谢的关联36

一、糖代谢与脂代谢的关系36

二、碳代谢与蛋白质代谢的关系37

三、核酸与其他代谢的关系37

第四节 代谢工程基本理论37

一、基本概念37

二、代谢通量及其分析38

三、代谢网络及其分析39

四、代谢途径设计与优化40

第五节 代谢途径的调控40

一、酶水平的代谢调控41

二、转录水平的代谢调控42

三、细胞水平的代谢调控43

第六节 代谢工程的应用44

一、葡萄糖发酵生产乙醇的代谢优化45

二、甘油代谢最大理论得率预测47

思考题49

参考文献49

第三章 蛋白质与蛋白质工程51

引言51

知识网络51

第一节 蛋白质结构基础52

一、蛋白质结构的基本组件52

二、蛋白质结构的组织和主要类型55

三、蛋白质结构的形成与功能56

第二节 蛋白质分子设计与预测58

一、蛋白质常用数据库58

二、蛋白质结构与功能预测59

三、蛋白质分子设计的原理与原则60

四、基于天然蛋白质结构的分子设计61

五、全新蛋白质设计62

第三节 蛋白质的修饰和表达63

一、蛋白质工程新技术策略63

二、蛋白质修饰的分子生物学途径64

三、蛋白质修饰的化学途径66

四、重组蛋白质表达的典型宿主67

第四节 蛋白质的物理化学性质68

一、热力学函数与蛋白质构象68

二、蛋白质突变、稳定性与折叠70

第五节 蛋白质结构解析72

一、X射线晶体结构分析72

二、核磁共振波谱的溶液结构解析73

三、蛋白质结构解析其他技术74

第六节 蛋白质工程的应用76

一、研究蛋白质结构与功能的关系76

二、改变蛋白质的特性76

三、生产蛋白质和多肽类活性物质76

四、设计合成酶绞手架控制代谢流77

五、设计合成全新蛋白质77

思考题78

参考文献78

第四章 酶与酶工程79

引言79

知识网络79

第一节 酶学基础80

一、酶与酶工程发展简史80

二、酶的分类与命名81

三、酶的结构与作用特点82

四、酶的作用机制85

五、酶促反应动力学87

第二节 酶的固定化90

一、酶的固定化策略90

二、辅酶的固定化93

三、固定化酶的表征94

第三节 非水相酶催化94

一、非水相酶催化概述94

二、非水相酶催化的反应类型98

三、非水相酶催化的影响因素98

第四节 酶与酶工程的应用101

一、酶与酶工程的应用概况101

二、酶与酶工程的应用进展102

思考题108

参考文献108

第五章 核酸与基因重组技术111

引言111

知识网络111

第一节 核酸112

一、核酸承载遗传信息112

二、核酸的结构114

三、基因117

第二节 基因重组技术118

一、重组技术的发明118

二、重组工具酶与载体118

三、重组核酸转化与筛选120

四、PCR技术122

五、如何克隆目标基因124

第三节 基因重组技术前沿126

一、基因砖技术126

二、无缝重组技术127

第四节 基因重组技术的应用130

思考题133

参考文献134

第六章 基因线路与合成生物学135

引言135

知识网络135

第一节 合成生物学基础136

一、合成生物学的概念与发展136

二、合成生物学的层次化结构设计137

三、生物模块的标准化139

四、合成生物系统的逻辑拓扑结构139

第二节 元件与基因线路142

一、RNA元件与装置142

二、DNA元件与装置144

三、蛋白质元件与装置146

第三节 合成生物学工具147

一、DNA测序148

二、DNA合成149

三、生物区域化150

第四节 合成生物技术的应用152

一、合成生物途径生产药物与新能源152

二、合成生物系统154

三、无细胞合成生物技术生产化学品156

第五节 国际遗传工程机器竞赛158

一、iGEM简介158

二、部分获奖作品简介158

思考题160

参考文献160

第七章 微生物与发酵工程161

引言161

知识网络161

第一节 微生物基础163

一、微生物的特点163

二、微生物分类及主要类型163

三、微生物的纯化、退化、复壮与保藏165

四、微生物的营养168

五、影响微生物生长的因素171

六、微生物的培养方式172

第二节 发酵工程的概述176

一、发酵工程的产生与发展176

二、发酵工程的范围177

三、发酵工程的基本流程178

第三节 发酵过程优化182

一、发酵培养基优化182

二、培养环境优化183

三、发酵过程调控优化184

第四节 发酵过程的跨尺度调控策略187

一、发酵过程的多尺度188

二、代谢流为基础的多尺度研究方法188

第五节 发酵工程的应用191

思考题193

参考文献193

第八章 细胞与细胞工程195

引言195

知识网络195

第一节 细胞基础196

一、细胞的基本概念196

二、细胞的结构与功能197

三、细胞周期与细胞分裂199

四、细胞分化与细胞全能性202

第二节 细胞工程203

一、植物细胞工程203

二、动物细胞工程212

第三节 细胞工程的应用222

一、细胞工程在植物方面的应用222

二、细胞工程在动物方面的应用224

思考题226

参考文献227

第九章 生物反应器工程基础229

引言229

知识网络229

第一节 生物反应动力学230

一、细胞生长反应动力学230

二、固定化生物反应动力学233

第二节 生物反应器的设计与操作234

一、生物反应器的分类与选型234

二、生物反应器的设计要求237

三、生物反应器的操作模式238

第三节 生物反应器的传递和混合特性240

一、生物反应器的流体流动特性241

二、生物反应器的传质特性242

三、生物反应器的传热特性244

四、生物反应器的混合特性245

第四节 动植物细胞培养生物反应器247

一、动物细胞培养生物反应器247

二、植物细胞培养生物反应器249

第五节 生物反应器的放大251

一、经验放大法252

二、直接放大法254

三、其他放大方法256

思考题256

参考文献257

第十章 生物分离工程基础259

引言259

知识网络259

第一节 生物分离工程概述260

一、生物分离的特点260

二、生物分离的基本原理260

第二节 生物分离的一般过程260

一、发酵液的预处理260

二、产物的提取261

三、产物的纯化261

第三节 生物分离的主要技术261

一、萃取261

二、过滤与离心分离263

三、膜分离265

四、吸附与离子交换分离266

五、色谱分离269

六、电泳分离技术273

七、结晶274

第四节 生物分离工程应用276

一、双水相萃取分离生物工程产品276

二、反胶团萃取分离生物工程产品276

三、膜分离生物工程产品278

思考题278

参考文献278

第十一章 生物工程经济学279

引言279

知识网络279

第一节 生物工程产业的发展历史280

第二节 国内外生物工程产业的发展现状280

第三节 生物工程经济学的基本要素281

一、经济效益的概念281

二、投资282

三、现金流量及现金流量图282

四、固定资产的折旧283

五、成本和费用284

六、销售收入、税金和利润285

第四节 生物工程经济评价方法286

一、项目经济评价的概念286

二、项目经济评价的类别286

三、项目经济评价的方法286

第五节 生物工程项目经济分析与评价287

一、可行性研究287

二、盈亏平衡分析288

三、生物工程项目的财务性评价289

第六节 基因工程菌生产多聚阳离子抗菌肽经济学分析实例291

一、固定资产投资292

二、固定成本293

三、变动成本294

四、盈亏平衡分析295

五、利润分析295

思考题295

参考文献296

第十二章 生物技术伦理与知识产权297

引言297

知识网络297

第一节 生物安全298

一、生物安全概述298

二、生物安全工作中的基本原则299

三、我国生物安全工作涉及的主要事项299

四、我国对生物安全工作的基本要求299

第二节 生物技术伦理300

一、伦理概述300

二、生物技术与伦理的关系300

三、医学中不同生物技术的伦理问题301

四、生物技术应当承担的伦理义务304

第三节 生物技术的知识产权保护306

一、知识产权基本概述306

二、生物技术所涉及的知识产权307

三、侵犯知识产权的基本方式和保护途径310

四、知识产权的国际化保护311

思考题311

参考文献311