本書對材料合成生物學(xué)這一蓬勃發(fā)展的新興交叉領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理和介紹。首先對可作為構(gòu)筑單元的生物源材料進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，隨后對"活"材料的設(shè)計與應(yīng)用展開了詳盡論述。具體而言，第1章闡述了材料合成生物學(xué)的核心理念與基礎(chǔ)概念，為后續(xù)章節(jié)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。緊接著，第2和3章聚焦于聚乳酸與聚羥基脂肪酸酯這兩大生物可降解材料的生產(chǎn)和應(yīng)用；第4～13章深入探討蛋白質(zhì)、多糖及核酸等生物大分子材料的設(shè)計原理與實踐應(yīng)用；第14～19章對工程活體材料的設(shè)計理念、從實際應(yīng)用到加工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，全方位展示了其在智能響應(yīng)、自我修復(fù)及環(huán)境適應(yīng)性等方面的應(yīng)用，為材料的未來發(fā)展開辟了全新的路徑。第20章探討了材料合成生物學(xué)領(lǐng)域可能的發(fā)展方向與趨勢。
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2004.9—2009.8 美國康奈爾大學(xué) 博士
2001.9—2004.6 北京化工大學(xué) 碩士
1997.9—2001.6 天津大學(xué) 學(xué)士2020.2—至今 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 研究員、博導(dǎo)，材料合成生物學(xué)中心主任，合成所副所長
2014.7—2020.2 上�？萍即髮W(xué) 課題組長、博導(dǎo)，常聘教授
2012.1—2014.6 麻省理工學(xué)院 博士后
2009.8—2011.12 華盛頓大學(xué)（西雅圖）博士后材料科學(xué)與工程/材料合成生物學(xué)受邀在國際活體功能材料會議、國際生物材料協(xié)會年會、亞洲合成生物學(xué)會議等國際會議及世界名校做學(xué)術(shù)報告26次。擔(dān)任ACS Synthetic Biology 雜志主題編輯、Materials Today Bio編委、《合成生物學(xué)》編委等國內(nèi)外知名學(xué)術(shù)期刊編委。
目錄
第1章 材料合成生物學(xué)概述 1
1.1 材料合成生物學(xué)的發(fā)展和概念 1
1.2 材料合成生物學(xué)研究范疇 3
1.3 材料合成生物學(xué)全球布局 5
1.3.1 美國：戰(zhàn)略引領(lǐng)與系統(tǒng)性投入 5
1.3.2 歐盟：政策驅(qū)動與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型 6
1.3.3 德國：基礎(chǔ)研究與應(yīng)用轉(zhuǎn)化并重 7
1.3.4 中國：國家戰(zhàn)略持續(xù)布局 8
1.4 全書脈絡(luò) 8
參考文獻(xiàn) 8
第2章 聚乳酸材料 10
2.1 聚乳酸的材料特性 10
2.1.1 熱性能與機械性能 10
2.1.2 影響材料性能的因素 11
2.1.3 綠色特性 12
2.2 聚乳酸的應(yīng)用領(lǐng)域 12
2.2.1 包裝材料 12
2.2.2 醫(yī)療材料 13
2.2.3 農(nóng)業(yè)材料 14
2.2.4 紡織品和服裝材料 14
2.2.5 3D打印材料 14
2.3 聚乳酸的胞外合成 15
2.3.1 乳酸單體的生物合成途徑 16
2.3.2 化學(xué)催化乳酸聚合成聚乳酸 21
2.4 聚乳酸的胞內(nèi)合成 22
2.4.1 聚乳酸的胞內(nèi)合成途徑和代謝途徑優(yōu)化 22
2.4.2 聚乳酸胞內(nèi)合成的關(guān)鍵酶 24
2.4.3 聚乳酸胞內(nèi)合成的碳源選擇 27
2.4.4 胞內(nèi)聚乳酸產(chǎn)物的分離純化與檢測 28
2.4.5 聚乳酸胞內(nèi)合成的主要挑戰(zhàn)和研究方向 30
2.5 聚乳酸的改性賦能 31
2.5.1 微生物法合成聚（乳酸-co-3-羥基丁酸酯） 31
2.5.2 其他單體與乳酸共聚 36
2.6 聚乳酸材料的挑戰(zhàn)和限制 37
2.6.1 生產(chǎn)成本和經(jīng)濟可行性 38
2.6.2 性能和應(yīng)用范圍的限制 38
2.6.3 市場接受度和消費者意識 39
2.7 聚乳酸材料的創(chuàng)新和發(fā)展 40
2.7.1 生物聚合技術(shù)的進(jìn)步 40
2.7.2 未來的潛在應(yīng)用 41
2.8 總結(jié)與展望 43
參考文獻(xiàn) 43
第3章 聚羥基脂肪酸酯（PHA）材料 52
3.1 PHA概述 52
3.1.1 PHA的組成和結(jié)構(gòu) 53
3.1.2 PHA的性質(zhì) 54
3.1.3 PHA的應(yīng)用 55
3.2 PHA的生產(chǎn) 58
3.2.1 PHA的生物合成途徑 58
3.2.2 PHA的生產(chǎn)工藝 60
3.3 PHA材料的定制化合成 61
3.3.1 基于假單胞菌的中長鏈/功能化PHA的定制化合成 61
3.3.2 短鏈PHA的定制化合成 64
3.4 PHA材料的低成本生產(chǎn) 69
3.4.1 傳統(tǒng)工業(yè)生物技術(shù)與下一代工業(yè)生物技術(shù) 69
3.4.2 基于嗜鹽微生物的下一代工業(yè)生物技術(shù) 70
3.4.3 嗜鹽微生物的合成生物學(xué)改造以實現(xiàn)多種PHA的高效生產(chǎn) 73
3.5 PHA材料的低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 76
3.6 總結(jié)與展望 78
參考文獻(xiàn) 79
第4章 重組膠原蛋白材料 87
4.1 膠原蛋白概述 87
4.1.1 膠原蛋白的結(jié)構(gòu) 87
4.1.2 膠原蛋白的類型 89
4.1.3 膠原蛋白的合成與降解 90
4.2 重組膠原蛋白概述 92
4.2.1 重組膠原蛋白的發(fā)展 93
4.2.2 重組膠原蛋白的特點 94
4.2.3 重組膠原蛋白的分類 95
4.3 重組膠原蛋白的生物制造 95
4.3.1 重組膠原蛋白表達(dá)體系的構(gòu)建 95
4.3.2 重組膠原蛋白生產(chǎn)菌株的發(fā)酵調(diào)控 98
4.3.3 重組膠原蛋白的分離純化 101
4.4 重組膠原蛋白的應(yīng)用 102
4.4.1 骨修復(fù)材料 103
4.4.2 創(chuàng)面修復(fù)敷料 103
4.4.3 角膜基質(zhì)再生材料 104
4.4.3 藥物輸送 105
4.4.4 蛋白質(zhì)替代療法 105
4.4.5 皮膚醫(yī)學(xué) 106
4.5 總結(jié)與展望 107
參考文獻(xiàn) 108
第5章 絲蛋白材料 113
5.1 絲蛋白概述 113
5.2 蛛絲蛋白分類與結(jié)構(gòu)特性 115
5.3 蛛絲蛋白的異源合成 119
5.3.1 蛛絲蛋白異源合成的技術(shù)挑戰(zhàn) 119
5.3.2 絲蛋白的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系 120
5.3.3 絲蛋白合成的細(xì)胞工廠構(gòu)建 123
5.3.4 重組絲蛋白的性能提升 127
5.4 重組絲蛋白的體外組裝形式 131
5.4.1 絲蛋白纖維 131
5.4.2 絲蛋白凝膠 134
5.4.3 絲蛋白3D支架 135
5.4.4 絲蛋白靜電紡絲納米纖維 136
5.4.5 絲蛋白活體材料 137
5.4.6 絲蛋白其他組裝形式 138
5.5 絲蛋白潛在應(yīng)用領(lǐng)域 139
5.5.1 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 139
5.5.2 軍事與航空領(lǐng)域 142
5.5.3 紡織領(lǐng)域 143
5.5.4 其他領(lǐng)域 144
5.6 絲蛋白產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 145
5.7 總結(jié)與展望 147
參考文獻(xiàn) 147
第6章 抗凍蛋白材料 158
6.1 抗凍蛋白 158
6.1.1 抗凍蛋白的來源 159
6.1.2 抗凍蛋白的功能 160
6.1.3 抗凍蛋白的結(jié)構(gòu) 161
6.2 抗凍機理 167
6.2.1 抗凍蛋白擾動水分子 168
6.2.2 抗凍蛋白與冰晶結(jié)合 169
6.3 抗凍蛋白模擬物 172
6.3.1 功能仿抗凍蛋白材料 173
6.3.2 結(jié)構(gòu)仿抗凍蛋白材料 175
6.4 抗凍（糖）蛋白的應(yīng)用 178
6.4.1 抗凍（糖）蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用 178
6.4.2 抗凍（糖）蛋白在細(xì)胞冷凍保存中的應(yīng)用 179
6.4.3 抗凍（糖）蛋白在涂層方面的應(yīng)用 180
6.4.4 抗凍（糖）蛋白在冰純化方面的應(yīng)用 181
6.5 總結(jié)與展望 182
參考文獻(xiàn) 182
第7章 模塊化的重組蛋白質(zhì)材料 191
7.1 蛋白質(zhì)材料概述 191
7.2 天然蛋白質(zhì)材料 193
7.2.1 自然界中的蛋白質(zhì)材料 193
7.2.2 天然蛋白質(zhì)材料的局限性 195
7.3 蛋白質(zhì)材料構(gòu)建基元的設(shè)計 196
7.3.1 定向進(jìn)化策略 196
7.3.2 理性設(shè)計 200
7.3.3 模塊化設(shè)計與重組蛋白技術(shù) 205
7.4 蛋白質(zhì)材料的組裝技術(shù) 210
7.4.1 蛋白質(zhì)的分級組裝與自組裝 211
7.4.2 蛋白質(zhì)組裝中的相互作用 216
7.4.3 人工智能輔助蛋白質(zhì)材料設(shè)計 222
7.5 總結(jié)與展望 223
參考文獻(xiàn) 224
第8章 蛋白質(zhì)水凝膠材料 233
8.1 蛋白質(zhì)水凝膠概述 234
8.1.1 蛋白質(zhì)水凝膠的種類 234
8.1.2 不同種類蛋白質(zhì)特性對水凝膠性質(zhì)的影響 236
8.2 蛋白質(zhì)水凝膠的交聯(lián)方法及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)象 237
8.2.1 化學(xué)交聯(lián)方法 237
8.2.2 物理交聯(lián)方法 240
8.2.3 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)象變化與環(huán)境響應(yīng) 241
8.3 蛋白質(zhì)水凝膠的物理力學(xué)特性 244
8.3.1 水凝膠的物理特性 244
8.3.2 水凝膠的機械性能 245
8.3.3 影響水凝膠物理力學(xué)特性的因素 246
8.4 蛋白質(zhì)水凝膠在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用 249
8.4.1 藥物遞送 249
8.4.2 細(xì)胞培養(yǎng) 252
8.4.3 組織工程 256
8.4.4 其他應(yīng)用 260
8.5 總結(jié)與展望 264
參考文獻(xiàn) 266
第9章 可控分子量透明質(zhì)酸材料 277
9.1 透明質(zhì)酸概述 277
9.2 透明質(zhì)酸的合成 278
9.2.1 透明質(zhì)酸的合成途徑 278
9.2.2 透明質(zhì)酸合酶與透明質(zhì)酸糖鏈聚合 279
9.3 透明質(zhì)酸的酶法降解 281
9.3.1 透明質(zhì)酸的降解 281
9.3.2 水蛭透明質(zhì)酸酶基因的序列鑒定及在畢赤酵母中的重組表達(dá) 282
9.4 低分子量透明質(zhì)酸的酶催化生產(chǎn) 284
9.4.1 低分子量透明質(zhì)酸的生產(chǎn)方法 284
9.4.2 水蛭透明質(zhì)酸酶酶解制備低分子量透明質(zhì)酸與寡聚糖 285
9.5 透明質(zhì)酸可控分子量生物合成 293
9.5.1 超高分子量透明質(zhì)酸的生物合成 293
9.5.2 中高分子量透明質(zhì)酸的發(fā)酵生產(chǎn) 298
9.5.3 低分子量透明質(zhì)酸的一步發(fā)酵生產(chǎn) 300
9.6 總結(jié)與展望 311
參考文獻(xiàn) 312
第10章 細(xì)菌纖維素材料 315
10.1 細(xì)菌纖維素的來源與合成 315
10.1.1 細(xì)菌纖維素的來源 315
10.1.2 細(xì)菌纖維素的合成 316
10.2 細(xì)菌纖維素的發(fā)酵工藝 320
10.2.1 微環(huán)境對細(xì)菌纖維素合成的影響 320
10.2.2 發(fā)酵方式對細(xì)菌纖維素合成的影響 322
10.3 細(xì)菌纖維素的代謝工程改造 324
10.3.1 細(xì)菌纖維素的代謝通路 324
10.3.2 調(diào)控細(xì)菌纖維素合成的遺傳工具 326
10.3.3 定向改造細(xì)菌纖維素的合成 328
10.4 細(xì)菌纖維素功能復(fù)合材料的改性方式 331
10.4.1 非原位改性 332
10.4.2 原位改性 333
10.5 細(xì)菌纖維素功能復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域 338
10.5.1 油水分離領(lǐng)域 338
10.5.2 傷口敷料領(lǐng)域 339
10.5.3 生物傳感領(lǐng)域 340
10.6 總結(jié)與展望 342
參考文獻(xiàn) 342
第11章 核酸材料 349
11.1 核酸分子與核酸材料 349
11.1.1 核酸分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 349
11.1.2 核酸分子生物活性 352
11.1.3 核酸材料的優(yōu)勢 354
11.2 核酸材料構(gòu)建策略 354
11.2.1 基于DNA單鏈的模塊組裝 355
11.2.2 基于DNA納米結(jié)構(gòu)的模塊組裝 356
11.2.3 熱穩(wěn)定聚合酶鏈反應(yīng) 357
11.2.4 滾環(huán)擴增 358
11.2.5 雜交鏈反應(yīng) 360
11.2.6 雜化組裝 361
11.2.7 DNA折紙技術(shù) 362
11.3 核酸材料的種類 362
11.3.1 核酸水凝膠 362
11.3.2 納米核酸材料 367
11.3.3 雜化納米核酸材料 369
11.4 核酸材料的應(yīng)用 371
11.4.1 細(xì)胞和外泌體的特異分離 371
11.4.2 生物信號檢測 372
11.4.3 細(xì)胞調(diào)控 374
11.4.4 生物成像 375
11.4.5 疾病治療 377
11.5 總結(jié)與展望 383
參考文獻(xiàn) 384
第12章 細(xì)菌合成納米材料及半人工光合作用 387
12.1 細(xì)菌合成納米材料概述 387
12.1.1 細(xì)菌合成磁小體 388
12.1.2 細(xì)菌合成量子點 393
12.1.3 細(xì)菌合成其他無機納米材料 401
12.1.4 潛在挑戰(zhàn) 405
12.2 半人工光合作用 407
12.2.1 半人工光合作用概述 407
12.2.2 半人工光合體系構(gòu)建 409
12.2.3 半人工光合體系優(yōu)化與應(yīng)用的潛在挑戰(zhàn) 414
12.2.4 系統(tǒng)性優(yōu)化半人工光合體系 423
12.3 總結(jié)與展望 426
參考文獻(xiàn) 427
第13章 生物納米傳感材料 440
13.1 一維生物納米傳感材料 441
13.1.1 多肽及蛋白質(zhì)納米線的制備 441
13.1.2 多肽及蛋白質(zhì)納米線的功能化 443
13.1.3 多肽及蛋白質(zhì)類納米線與生物傳感 444
13.2 二維生物納米傳感材料 446
13.2.1 細(xì)菌S層簡介 446
13.2.2 S-層的功能化 447
13.2.3 S層與生物傳感 448
13.3 三維生物納米傳感材料 451
13.3.1 蛋白納米籠 451
13.3.2 生物納米囊泡 459
13.4 總結(jié)與展望 466
參考文獻(xiàn) 468
第14章 運用合成生物技術(shù)開發(fā)活體材料 476
14.1 自然界中的活體材料 478
14.1.1 病毒中的活體材料體系 479
14.1.2 微生物中的活體材料體系 480
14.1.3 植物中的活體材料體系 485
14.1.4 動物中的活體材料體系 487
14.2 工程活體材料設(shè)計中的合成生物學(xué)要素 488
14.2.1 基因元件與線路 488
14.2.2 功能模塊 490
14.2.3 底盤細(xì)胞 492
14.3 工程活體材料的合成生物技術(shù)設(shè)計 493
14.3.1 重構(gòu)材料模塊以定制活體材料功能 493
14.3.2 通過整合基因線路設(shè)計響應(yīng)型活體材料 501
14.3.3 通過多細(xì)胞協(xié)作制備活體材料 507
14.4 先進(jìn)合成生物技術(shù)在未來活體材料開發(fā)中的潛力 511
14.4.1 基因編輯技術(shù) 511
14.4.2 定向進(jìn)化技術(shù) 512
14.4.3 定量合成技術(shù) 513
14.4.4 合成細(xì)胞技術(shù) 513
14.5 總結(jié)與展望 513
參考文獻(xiàn) 514
第15章 工程活體治療材料 523
15.1 工程活體治療材料簡介 523
15.2 工程活體治療材料組分選擇與設(shè)計 523
15.2.1 活體治療材料中的非活體組分的功能性設(shè)計 523
15.2.2 活體治療材料的生物制造 524
15.3 工程活體治療材料前沿應(yīng)用 527
15.3.1 活體治療材料在代謝疾病中的應(yīng)用 527
15.3.2 活體治療材料在炎癥性腸病中的應(yīng)用 528
15.3.3 活體治療材料在腫瘤治療中的應(yīng)用 530
15.3.4 活體治療材料在組織器官修復(fù)中的應(yīng)用 531
15.4 總結(jié)與展望 533
參考文獻(xiàn) 535
第16章 活體雜化材料 539
16.1 活體雜化材料的制備策略 540
16.1.1 化學(xué)工程技術(shù) 540
16.1.2 物理工程技術(shù) 543
16.1.3 生物工程技術(shù) 545
16.1.4 其他新興工程技術(shù) 546
16.2 活體雜化材料的功能特性 548
16.2.1 自修復(fù)與功能再生 548
16.2.2 動態(tài)組裝結(jié)構(gòu) 548
16.2.3 界面催化作用 550
16.2.4 數(shù)據(jù)保存及應(yīng)用 551
16.2.5 磁電效應(yīng) 553
16.2.6 群體組織與調(diào)控 554
16.2.7 環(huán)境感知及響應(yīng) 556
16.2.8 生物降解 558
16.2.9 其他 559
16.3 活體雜化材料的應(yīng)用領(lǐng)域 561
16.3.1 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 561
16.3.2 環(huán)保與生態(tài)領(lǐng)域 562
16.3.3 活性結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域 563
16.3.4 其他領(lǐng)域 563
16.4 總結(jié)與展望 565
參考文獻(xiàn) 566
第17章 工程活體建筑材料 573
17.1 工程活體建筑材料概述 573
17.1.1 歷史演變與當(dāng)代相關(guān)性 574
17.1.2 活體建筑材料的生物基礎(chǔ) 575
17.2 工程活體建筑材料類型 578
17.2.1 活體建筑材料常用生物細(xì)胞概述 578
17.2.2 活體建筑材料常用生物細(xì)胞的屬性和應(yīng)用 579
17.3 工程活體建筑材料生產(chǎn)與加工技術(shù) 582
17.3.1 活體建筑材料構(gòu)筑單元培養(yǎng) 583
17.3.2 提高強度和耐久性的處理方法 584
17.3.3 性能評估與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化 585
17.4 工程活體建筑材料可持續(xù)性與環(huán)境影響 586
17.4.1 對生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性、碳足跡和資源效率的影響 586
17.4.2 生命周期分析和循環(huán)經(jīng)濟 587
17.5 應(yīng)用案例研究 588
17.5.1 真菌磚 588
17.5.2 細(xì)菌混凝土 590
17.5.3 藻類活體磚塊 591
17.6 主要挑戰(zhàn)及解決方案 592
17.6.1 主要挑戰(zhàn) 592
17.6.2 解決方案 593
17.7 總結(jié)與展望 594
參考文獻(xiàn) 595
第18章 工程活體能源材料 598
18.1 工程活體能源材料概述 598
18.2 能量轉(zhuǎn)換生物模塊 600
18.2.1 能量轉(zhuǎn)換蛋白 600
18.2.2 能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞器 605
18.2.3 能量轉(zhuǎn)換生命體 608
18.3 工程活體能源材料應(yīng)用范疇 610
18.3.1 光能到電能轉(zhuǎn)換 610
18.3.2 光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換 612
18.3.3 光能到光能轉(zhuǎn)換 614
18.3.4 化學(xué)能到電能轉(zhuǎn)換 615
18.3.5 化學(xué)能到光能轉(zhuǎn)換 618
18.3.6 化學(xué)能到機械能轉(zhuǎn)換 619
18.3.7 電能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換 620
18.3.8 磁能到熱能轉(zhuǎn)換 621
18.3.9 磁能到機械能轉(zhuǎn)換 622
18.3.10 機械能到電能轉(zhuǎn)換 623
18.3.11 聲能到機械能轉(zhuǎn)換 624
18.3.12 可用于工程活體能源材料的基因線路 625
18.4 總結(jié)與展望 628
參考文獻(xiàn) 628
第19章 活體材料加工制造 633
19.1 活體材料的分類 634
19.2 活體材料加工制造的構(gòu)筑單元 635
19.2.1 生命組分的設(shè)計與選擇 635
19.2.2 非生命組分的設(shè)計與選擇 635
19.3 活體材料加工制造的方法學(xué) 641
19.3.1 原位反應(yīng) 641
19.3.2 自組裝 643
19.3.3 靜電紡絲 645
19.3.4 涂層法 646
19.3.5 封裝法 648
19.3.6 3D生物打印 650
19.4 活體材料加工制造的挑戰(zhàn)與展望 657
19.4.1 精準(zhǔn)的生物過程調(diào)控 657
19.4.2 集成和兼容性問題 657
19.4.3 規(guī)�；a(chǎn)與成本管理 658
19.4.4 生物安全與倫理 658
參考文獻(xiàn) 659
第20章 材料合成生物學(xué)的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢 663
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