共分5章。第1章介紹合成生物學的基本概念和內(nèi)容，使讀者對合成生物學有一個全面的了解。第2章和第3章介紹合成生物學設計和分析的基本方法、合成生物學的層次化結(jié)構(gòu)和概念及合成生物學中的常用算法。第4章和第5章介紹合成生物學在基礎和實際應用方面的研究內(nèi)容、成果和進展，包括經(jīng)典的雙穩(wěn)態(tài)開關、大腸桿菌成像系統(tǒng)、微生物計算機、合成青蒿酸的微生物工廠等。
合成生物學是21世紀的新興交叉科學，強調(diào)“設計”和“重設計”，其目的是通過人工設計和構(gòu)建自然界中不存在的生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。合成生物學的發(fā)展要以生物學、化學、物理學、數(shù)學、信息科學、工程科學、計算機科學等相關學科的發(fā)展為基礎。
《合成生物學導論》可作為具有一定生物學基礎的本科生和研究生教材，也可作為相關領域的學者和研究人員的參考書。
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合成生物學是21世紀初出現(xiàn)的一門新興交叉學科，在這里，生物學、工程學和數(shù)學緊密地結(jié)合在一起。合成生物學的出現(xiàn)是分子生物學經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，特別是人類基因組和模式生物基因組計劃實施以來，伴隨著生物信息學和系統(tǒng)生物學迅速發(fā)展的一個合乎邏輯的結(jié)果。在人類深入認識生命現(xiàn)象的基礎上，合成生物學旨在設計和構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng)，使其能夠處理信息、操作化合物、制造材料、生產(chǎn)能源、提供食物、保持和增強人類的健康和改善我們的環(huán)境。因此，合成生物學既是一門科學，也是一門技術，它是繼遺傳工程之后出現(xiàn)的新一代生物技術，代表了生物技術發(fā)展的一個新的制高點。2004年美國麻省理工學院主辦的世界著名科技雜志TechnologReview，曾將合成生物學列為將改變世界的十大新出現(xiàn)技術之一。在2008年以合成生物學為主題的第322次香山科學會議上，與會專家一致肯定了合成生物學對我國未來國民經(jīng)濟發(fā)展的重大意義。
無論是我國制定的中長期科技發(fā)展規(guī)劃，或者是國務院頒發(fā)的《促進生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》，都對生物技術給予極為充分的重視。在中國科學院最近出版的《創(chuàng)新2050：科學技術與中國的未來》系列叢書之一——《科技革命與中國的現(xiàn)代化——關于中國面向2050年科技發(fā)展戰(zhàn)略的思考》一書中，將人造生命和合成生物學列為22個戰(zhàn)略性科技問題之一；同時又將人造生命和合成生物學預測為“可能出現(xiàn)革命性突破的4個基本科學問題”之一。
目錄
序一
序二
前言
專有名詞英漢對照表 xi
第1章 緒論 1
第一部分 合成生物學概述 1
1.1 合成生物學的誕生 2
1.2 合成生物學的定義 4
1.3 合成生物學的研究內(nèi)容 4
1.3.1 生物大分子的合成與模塊化 5
1.3.2 生物基因組的合成、簡化與重構(gòu) 7
1.3.3 合成代謝網(wǎng)絡 8
1.3.4 遺傳/基因線路的設計與構(gòu)建 8
1.3.5 細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)研究 9
1.3.6 數(shù)學模擬和功能預測 9
1.4 合成生物學的意義 10
1.4.1 加速合成生物系統(tǒng)工程化的進程 10
1.4.2 驗證和深化對于生物現(xiàn)象的理解 10
1.5 合成生物學的工程本質(zhì) 11
1.6 合成生物學與相關生物學科 13
1.6.1 與遺傳工程的關系 13
1.6.2 與分子生物學和細胞生物學的關系 14
1.6.3 與系統(tǒng)生物學和功能基因組學的關系 l4
1.6.4 與生物信息學的關系 15
1.7 合成生物學國際會議及國際遺傳機器大賽 16
1.7.1 合成生物學國際會議(Synthetic Biology x.0) 16
1.7.2 國際遺傳機器大賽 16
第二部分 合成生物學引發(fā)的思考 17
1.8 人類*造物主 1 7
1.8.1 道德規(guī)范 17
1.8.2 對環(huán)境無控制地排放 18
1.8.3 生物武器的濫用 l9
1.8.4 對生物的專利與壟斷 20
1.8.5 創(chuàng)造人工生命？ 21
1.8.6 究竟該如何應對？ 22
第2章 合成生物系統(tǒng)的設計 25
第一部分 合成生物系統(tǒng)的模塊化與層次化結(jié)構(gòu) 25
2.1 合成生物學的模塊化設計 26
2.1.1 模塊設計的三個特征因素 26
2.1.2 細胞本底環(huán)境對模塊化設計的影響 27
2.1.3 無細胞合成生物系統(tǒng) 28
2.2 標準化生物模塊——生物積塊 28
2.2.1 BioBrick命名規(guī)則 29
2.2.2 BioBrick的連接 30
2.3 標準定量機制 33
2.3.1 PoPS 33
2.3.2 RIPS 34
2.4 生物系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu) 34
2.4.1 生物部件“Part” 34
2.4.2 生物裝置“Device” 36
2.4.3 生物系統(tǒng)“System” 36
2.4.4 細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng) 37
第二部分 合成生物系統(tǒng)的邏輯拓撲結(jié)構(gòu) 39
2.5 串聯(lián) 39
2.6 單輸入 40
2.7 多輸入 41
2.8 反饋 42
2.9 前饋 44
第3章 合成生物系統(tǒng)酌數(shù)學模擬與性能分析 49
第一部分 生物系統(tǒng)的數(shù)學模擬 49
3.1 常微分方程 49
3.1.1 質(zhì)量作用定律 50
3.1.2 米氏方程 51
3.1.3 希爾方程 52
3.2 Logistic模型 53
3.2.1 單種群細胞自由生長的Logistic模型 53
3.2.2 兩種細胞自由生長的Logistic模型 54
3.3 主方程 56
3.4 隨機微分方程 57
3.5 模式識別 57
3.5.1 聚類分析 58
3.5.2 分類分析 60
3.6 小結(jié) 64
第二部分 合成生物系統(tǒng)性能分析 64
3.7 常用性能指標 65
3.7.1 穩(wěn)定性 65
3.7.2 魯棒性 65
3.7.3 響應快速性 65
3.8 穩(wěn)定性分析 65
3.9 魯棒性分析/敏感性分析 66
3.10 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的機制 67
3.10.1 冗余 68
3.10.2 反饋控制 68
3.10.3 特異性和保真度 68
第4章 合成生物學的基礎研究 71
第一部分 模擬邏輯功能的基礎研究 71
4.1 邏輯門功能遺傳線路 72
4.2 基因調(diào)控開關 74
4.2.1 轉(zhuǎn)換開關 74
4.2.2 雙相開關 75
4.2.3 Riboswitch 75
4.2.4 雙穩(wěn)態(tài)開關 77
4.3 Repressilator 83
4.4 細胞群體系統(tǒng)脈沖發(fā)生器 88
第二部分 其他方面的合成生物學基礎研究 92
4.5 控制群體數(shù)量的基因線路 92
4.6 人工細胞群體圖案系統(tǒng) 95
4.7 人工轉(zhuǎn)錄級聯(lián)線路 99
4.8 工程化的支架蛋白 100
4.9 重構(gòu)T7噬菌體基因組 105
第5章 合成生物學的應用研究 111
5.1 合成生物學應用于維護人類健康 111
5.1.1 環(huán)境控制的大腸桿菌對癌細胞的侵入系統(tǒng) 113
5.1.2 合成青蒿素的微生物工廠 117
5.2 合成生物學應用于牛產(chǎn)牛物能源 121
利用工程化的大腸桿菌非發(fā)酵代謝途徑生物合成高級醇 123
5.3 合成生物學應用于環(huán)境治理 126
砷離子的檢測 126
5.4 合成生物學應用于其他方面 128
5.4.1 大腸桿菌成像系統(tǒng) 128
5.4.2 微生物計算系統(tǒng) 131
參考文獻 137
主要網(wǎng)站 148
附錄A 名詞解釋 150
附錄B iGEM參賽項目選介 157
1. 幽門螺桿菌疫苗 157
2. 艾滋病的治療 161
3. 芳香烴類污染物的檢測 164
4. 丁醇的生物合成 165
5. 基因反饋調(diào)節(jié)治療膿毒癥 167
6. 大腸桿菌香味劑 169
名詞索引 171
人名索引 173
根據(jù)分子生物學的“中心法則”，生物遺傳信息的主要傳遞過程是以DNA為模板指導RNA的合成并由mRNA指導蛋白質(zhì)的合成。DNA測序技術、遺傳工程技術、聚合酶鏈反應技術（PCR技術）、蛋白質(zhì)晶體學技術等一系列生物技術的發(fā)展，使人類理論上可以進行任何蛋白質(zhì)從氨基酸序列到局部超二級結(jié)構(gòu)（模體，motif）的改造和組合。
合成生物學設計功能相對獨立、可以被組裝的蛋白模塊以探索生物的可塑性和構(gòu)建嶄新的生物系統(tǒng)，因此對基本組分“工具箱”中蛋白質(zhì)的需求遠比自然界能夠提供的種類多得多。例如，目前通過聚合酶鏈反應實現(xiàn)的基因擴增等生物過程主要是由自然界提取的酶（限制性內(nèi)切核酸酶、連接酶、聚合酶）來執(zhí)行的，這些酶受到底物和環(huán)境等的限制，在模塊化和功能性方面無法完全滿足人工生物系統(tǒng)的要求，因此需要開發(fā)模塊化、標準化的人工蛋白模塊。
這些蛋白模塊可以通過蛋白自身域結(jié)構(gòu)的重新組合來巧妙地實現(xiàn)——生物體中有兩類DNA結(jié)合蛋白具有功能相對獨立的鋅指（zincfinger）結(jié)構(gòu)，一類是鋅指蛋白，另一類是甾類受體。蛋白質(zhì)中的鋅指結(jié)構(gòu)由一組保守的氨基酸殘基（半胱氨酸和組氨酸）的側(cè)鏈和鋅離子以配位鍵結(jié)合，在蛋白質(zhì)中形成了相對獨立的超二級結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)與DNA特異序列結(jié)合，像一根根手指伸向DNA的大溝。巧妙地利用這種結(jié)構(gòu)，可以人工設計多鋅指DNA結(jié)合蛋白，進而重組蛋白模塊獲得嶄新的蛋白質(zhì)功能，如嶄新的酶底物結(jié)合特異性等。
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