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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 Registry119

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