合成生物学

合成生物学（synthetic biology）是以生物学、化学工程、电子工程、信息学、计算科学等相关学科发展为基础的一门新兴多学科交叉会聚的工程学科。以工程化的设计理念，对生物系统进行有目标的设计、改造乃至重新合成，突破了生命发生与进化的自然法则，促进了对生物密码从“读”到“写”的质变，实现了由传统的“格物致知”向“建物致知”转化。基于工程学理念的合成生物学，采用标准化的生物元件和基因线路，在理性设计原则指导下组装并合成新的、具有特定功能的生物系统。

合成生物学的概念与定义经历了三个典型的认识阶段。

1911年分别发表在“Science”和“Lancet”杂志的三篇文章中出现synthetic biology（合成生物学）一词，那时是合成化学发展的黄金时期，但化学家们一直很欣赏生物体合成各种化合物的能力，尤其是结构复杂、多手性的天然产物和药物分子。这个时期提出的synthetic biology（合成生物学）仅仅是探秘生物体合成化合物的强大能力，这应该是合成生物学概念发展的个认识阶段，是挖掘自然界已存在的生物系统和功能。

随着生物中心法则的奠定，以DNA重组技术为标志的基因工程技术的快速发展，深刻地改变着我们的生活方式和质量。1980年在德文刊物上次以《基因外科术：合成生物学的开始》为题阐述了基因工程在医学领域的突破与重大贡献，体现了人类通过基因的剪裁和重组以解决生存和健康问题，实现了生物体局部相关性能的改进与优化，这应该是合成生物学概念发展的第二个认识阶段，实现了从分子基因层面上改良现有生物系统和功能。

自2000年以来，synthetic biology（合成生物学）一词在学术刊物及互联网上逐渐大量出现，其内涵也发生了质的变化。美国加州大学伯克利分校化学工程系教授Jay D. Keasling认为合成生物学是用“生物学”进行工程化，就如用“物理学”进行电子工程、用“化学”进行化学工程一样，是典型的以工程化理念思考与设计生物系统。哈佛大学医学院教授George Church认为合成生物学是利用确定的“零件”进行新生物系统的工程设计与组装。维基百科关于合成生物学的解释为：合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、生产能源、提供食物、保持和增强人类健康以及改善我们的环境。总之，在工程化理念的指导下，围绕构建生物元件和基因线路库，设计、构建、验证和再学习过程以创造新的生物系统和功能是合成生物学的核心所在，也是合成生物学概念发展的第三个认识阶段，强调“设计”和“重设计”，模拟预测和人工合成以创造新的生物系统和功能。

2004年美国麻省理工学院（MIT）出版的“Technology Review”将合成生物学评为将改变世界的10大新出现的技术之一（10 Emerging Technologies That Will Change Your World）。合成生物学的发展还要感谢MIT的一群睿智、大胆、充满好奇想象的学习化学工程、电子工程和生命科学的大学生，他们的头脑风暴和变革生命研究过程的冲劲，启动并推进了以合成生物学为理念的“国际遗传工程机器竞赛”（International Genetically Engineered Machine Competition, iGEM）的发展和成熟，目前这项国际赛事每年都有超过50个国家的400多支队伍的6000多人采用竞赛的形式试图回答合成生物学中的核心问题——能否通过顶层设计在活细胞中使用可互换的标准化元件、基因线路来构建新的生物系统，并且加以操纵拼装、预测和测量，从而尝试解决人类面临的健康、资源、能源、环境和安全领域的棘手问题。

目前，我国正处于建设创新型国家的决定性阶段，同时面对人口老龄化、粮食安全、资源环境约束等严峻挑战。转变发展方式、走新型工业化道路，迫切需要新型生物技术以支撑工业、农业、医药等领域的产业变革。开展合成生物学的教学和人才培养，促进生物技术颠覆性创新，是我国经济社会可持续发展的重大战略需求，并将使我国在新一轮生物科技革命与国际竞争中赢得先机。基于多学科交叉融合与大数据利用，合成生物学已成为可预测、可工程化的科学，使设计生物系统为人类服务成为可能，在生物技术颠覆式创新方面展现了无限的潜力，有望为破解人类面临的资源、能源、健康、环境、国防等领域重大挑战提供新的解决方案，对于保障经济社会可持续发展、支撑国家建设与国家安全具有重大战略意义。

鉴于合成生物学的快速发展与应用需求，北京理工大学的李春教授邀请了来自北京理工大学、清华大学、天津大学、中国科学院深圳先进技术研究院和北京化工大学等相关高校教师组织编写了这本《合成生物学》教材，内容涉及：合成生物学概述、合成生物学原理、合成生物系统的基因线路、合成生物系统的设计与组装、合成生物系统的调控与优化、无细胞合成生物系统、合成生物学建模与计算机辅助工具、合成生物学的应用、合成生物学引发的新浪潮与颠覆共九章。编者大都在各自大学里开设合成生物学课程并开展相关领域的人才培养工作，组建并指导了大学生参加iGEM竞赛，教材中也融入了编者多年从事合成生物学的教学内容、科研成果和体验。

作为一本系统性总结和阐述合成生物学理念、理论、方法和工程应用的教材，本书适用于生物类、化工类、环境类、医药类专业的高年级本科生和研究生的教学，相信对从事生物、医药、化工、能源、资源和环境等领域的科技工作者也有裨益。

尽管本教材经历了三年多的筹划组织、编写研讨、校稿提升等环节，得到了很多合成生物学领域同行的大力支持，但由于该领域发展迅猛，编者的视野、水平有限，教材中难免有疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正！我们会在后续的更新完善中不断提高。

编者

2019年6月

   《合成生物学》内容涉及合成生物学概述、合成生物学原理、合成生物系统的基因线路、合成生物系统的设计与组装、合成生物系统的调控与优化、无细胞合成生物系统、合成生物学建模与计算机辅助工具、合成生物学的应用、合成生物学引发的新浪潮与颠覆九部分。附录部分还收入了合成生物学专用名词、重要合成生物学会议和科学家、经典的合成生物学技术、主要的合成生物学网站和资源等重要信息。

   本书编者大都在各自大学里开设合成生物学课程并开展相关领域的人才培养工作，组建并指导了大学生参加iGEM竞赛，教材中也融入了编者多年从事合成生物学的教学内容、科研成果和体验。

   作为一本系统性总结和阐述合成生物学理念、理论、方法和工程应用的教材，本书适用于生物类、化工类、环境类、医药类专业的高年级本科生和研究生教学，相信对从事生物、医药、化工、能源、资源和环境等领域的科技工作者也有裨益。

李春，北京理工大学生命科学与技术学院教授，生物工程学专家，生物转化与合成生物系统研究团队带头人，国家杰出青年科学基金获得者，享受政府特殊津贴。主要从事合成生物学与代谢工程、生物催化与酶工程、空间微生物技术等领域的研究，在微生物的抗逆免疫生物转化系统的构建与应用、天然产物和药物的微生物合成与生物改性、农用解盐促生菌剂创制等方面取得了系列研究成果。发表学术论文240余篇，其中SCI收录期刊发表论文110多篇，EI收录论文100多篇，申请国家发明专利46项，已授权国家发明专利26项，完成了2项生物技术和生物产品产业化应用，获省部级科技奖励5项，2017年获“侯德榜化工科技创新奖”。主持完成十几项国家科研项目，包括国家863计划、973计划和国家自然科学基金。主编和副主编国家规划教材5部，其中《生物工程与技术导论》获部级教材一等奖。指导本科生参加由美国麻省理工学院（MIT）主办的国际遗传工程机器竞赛连续四年（2013-2016年）获得金奖，其中2015年还获得了“New Best Application”提名奖。

目前担任中国工业生化与分子生物学分会副理事长，中国生物工程学会工业生物技术专委会副主任，中国化工学会生物化工专委会青年工作委员会副主任。还担任多个国内外学术期刊编委，包括《Frontiers in Biotechnology and Bioengineering》副主编，《Synthetic and System Biotechnology》、《Applied Microbiology and Biotechnology 》、《化工进展》、《过程工程学报》、《农业工程学报》和《生物加工过程》编委，《中国生物工程杂志》理事。数十次担任重要国际学术会议委员会分会主席或委员。

第1章合成生物学概述001

1.1合成生物学的起源与发展002

1.1.1合成生物学的诞生与历史002

1.1.2发展中的重要科学发现和重要节点003

1.1.3合成生物学的定义与研究策略003

1.1.4合成生物学的发展趋势预测003

1.2合成生物学的产生过程005

1.2.1与遗传学和分子生物学的交叉005

1.2.2与系统生物学和生物信息学的交叉005

1.2.3与基因工程和代谢工程的交叉006

1.3合成生物学的工程化特质与研究范畴008

1.3.1合成生物学的工程化特质008

1.3.2合成生物学的研究范畴009

参考文献012

第2章合成生物学原理014

2.1合成生物学解析的思路014

2.1.1生物系统的解耦015

2.1.2生物系统的抽提015

2.1.3生物系统的标准化015

2.2生物积块的标准化及定量化016

2.2.1生物积块的通用符号和功能描述017

2.2.2生物积块的标准连接方法017

2.2.3生物积块标准的定量机制018

2.3合成生物系统的层级化结构020

2.3.1生物元件020

2.3.2生物装置021

2.3.3生物系统022

2.3.4多细胞交互与群体感应023

2.4合成生物系统的逻辑结构024

2.4.1合成生物系统的基本逻辑结构025

2.4.2合成生物系统的组合逻辑结构030

2.4.3合成生物系统逻辑结构分析的重要性031

2.5合成生物系统定量研究方法032

2.5.1合成生物学设计方法概述032

2.5.2合成生物学计算模型概述033

2.6合成生物系统的设计原理与简约性036

2.6.1合成生物系统的设计原理036

2.6.2合成生物系统的简约性038

2.7合成新反应与网络的设计原理039

2.7.1合成基因网络的工程化设计原理039

2.7.2新反应途径的开发040

2.7.3定向进化基因网络设计原理040

2.7.4组合同源代谢网络041

2.7.5组合异源代谢网络043

参考文献043

第3章合成生物系统的基因线路047

3.1基因线路概述048

3.1.1基因线路的起源048

3.1.2基因线路的类型049

3.2基因线路调控元件049

3.2.1启动子049

3.2.2终止子050

3.2.3弱化子051

3.2.4增强子052

3.2.5阻遏子053

3.2.6绝缘子054

3.2.7核糖体结合位点054

3.2.8转录因子055

3.3逻辑门基因线路055

3.3.1“与”门基因线路056

3.3.2“或”门基因线路056

3.3.3“非”门基因线路057

3.3.4“与非”门基因线路057

3.3.5“或非”门基因线路058

3.4开关基因线路059

3.4.1转换开关059

3.4.2双相开关059

3.4.3核糖开关060

3.4.4RNA开关060

3.4.5双稳态开关061

3.5基因线路调控方式062

3.5.1基因线路纠错062

3.5.2基因线路放大063

3.6基因线路实例063

3.6.1振荡器与生物节律063

3.6.2细胞记忆基因线路064

3.6.3光控开关与生物成像064

参考文献065

第4章合成生物系统的设计与组装068

4.1合成生物系统的设计070

4.1.1合成生物系统底盘细胞的选择070

4.1.2合成生物系统所需元件和途径挖掘072

4.1.3合成生物系统的计算机辅助设计与分析074

4.2合成生物系统的组装与构建075

4.2.1转录单元的合成组装075

4.2.2多基因代谢途径的构建077

4.2.3染色体和基因组的组装077

4.2.4合成生物系统的构建080

4.3合成生物系统的优化082

4.3.1单一基因的优化082

4.3.2多基因途径的组合优化085

4.3.3基因组简化和重构086

4.4合成生物系统的分析与筛选087

4.4.1合成生物系统分析技术088

4.4.2合成生物系统筛选技术090

4.5“设计构建检验重设计”的特征循环093

4.5.1功能模块与底盘适配性分析与评价094

4.5.2人工体系运行效率的化095

4.5.3快速检测技术对合成生物系统重设计的影响095

4.5.4合成生物系统的系统性进化096

4.6合成生物系统中的细菌间相互作用097

4.6.1典型的群体感应系统098

4.6.2混菌系统（群体感应）在合成生物学中的应用100

参考文献105

第5章合成生物系统的调控与优化108

5.1合成生物系统的单点调控与优化109

5.1.1合成生物系统在DNA水平的调控与优化109

5.1.2合成生物系统在RNA水平的调控与优化110

5.1.3合成生物系统在蛋白质水平的调控与优化113

5.1.4合成生物系统在XNA以及XNAzymes的调控与优化116

5.1.5合成生物系统的全局调控与优化118

5.2合成生物系统在基因组水平的全局调控与优化119

5.2.1传统的基因打靶技术119

5.2.2Fok Ⅰ介导的合成生物系统基因组编辑技术（ZFN与TALEN）120

5.2.3CRISPR-Cas9系统介导的合成生物系统基因组编辑技术122

5.2.4基因组大片段的插入、删除和剪切-粘贴127

5.2.5宏基因组学和比较基因组学127

5.2.6总结与展望128

5.3合成生物系统的理性调节与随机调节128

5.3.1合成生物系统在转录组学和蛋白质组学水平的调控129

5.3.2合成生物系统在代谢组学水平的调控134

5.3.3合成生物系统在功能基因组学水平的调控137

5.3.4组学的未来139

参考文献140

第6章无细胞合成生物系统143

6.1无细胞合成生物学理念与设计原理144

6.1.1直接体系控制145

6.1.2原位检测和产品获取146

6.1.3加速“设计-构建-测试”周期147

6.1.4毒性物质忍耐性148

6.1.5扩展生命化学148

6.1.6经济性148

6.1.7效率148

6.2无细胞合成生物系统的分类148

6.2.1基于细胞提取物体系149

6.2.2纯化体系150

6.2.3多酶体系151

6.3无细胞合成生物系统的工程改造151

6.3.1系统优化151

6.3.2基因模板152

6.3.3蛋白质合成153

6.3.4小分子合成156

6.3.5人工细胞157

6.4无细胞合成生物系统的工程应用158

6.4.1结构生物学158

6.4.2高通量筛选159

6.4.3生物医药159

6.4.4生物催化161

6.4.5疾病诊断161

参考文献162

第7章合成生物学建模与计算机辅助工具167

7.1概述168

7.1.1合成生物学建模目的及模型特点168

7.1.2计算机技术对于合成生物学研究的重要性169

7.2合成生物系统数学建模的基本分析方法171

7.2.1合成生物系统建模的基本分析流程171

7.2.2模型拓扑结构的分析与确定172

7.2.3模型动力学参数的确定175

7.3合成生物系统数学模型的分析与评价177

7.3.1稳定性分析与评价177

7.3.2鲁棒性和敏感性分析179

7.4合成生物系统的基本数学模型181

7.4.1基本蛋白质表达模型181

7.4.2逻辑门模型182

7.4.3双稳态开关模型185

7.4.4振荡器模型186

7.4.5群体感应线路模型187

7.5合成生物系统在大数据时代的文库构建与建模189

7.5.1合成生物学模型与文库在大数据时代的特点189

7.5.2大数据时代下合成生物系统建模与文库构建的挑战和问题190

7.5.3合成生物系统建模在大数据时代的发展方向191

7.6计算机技术在合成生物学研究中的运用192

7.6.1生物小分子的计算机辅助设计与改造192

7.6.2基因线路的计算机辅助设计与分析194

7.6.3合成路径和反应过程的计算机辅助设计195

参考文献197

第8章合成生物学的应用200

8.1绿色化工方面的应用201

8.1.1化学品的绿色制造201

8.1.2生物能源的绿色制造210

8.2环境治理方面的应用216

8.3医药方面的应用218

8.3.1传染疾病的防治218

8.3.2癌症及其他疾病的治疗220

8.3.3药物筛选222

8.3.4生物医药的先进制造224

8.4抗逆性改造方面的应用227

8.4.1抗发酵抑制物227

8.4.2抗毒性中间产物228

8.4.3抗毒性终产物229

8.5其他方面的应用229

8.5.1解释生物图案形成机理229

8.5.2构建大肠杆菌条件反射回路230

参考文献232

第9章合成生物学引发的新浪潮与颠覆235

9.1合成生物学的全球战略地位和经济效益236

9.1.1全球布局236