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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 PoPS33

2.3.2 RIPS34

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 Riboswitch75

4.2.4 双稳态开关77

4.3 Repressilator83

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