合成生物學的興起是21世紀生命科學領域的大事件。合成生物學的快速發展為其他學科注入了新的研究理念，提供了強有力的工具。分子酶學工程與合成生物學的交叉和整合出現了新的研究領域——合成酶學。《合成生物學與合成酶學》共分7章。第1章合成生物學概述，使讀者對合成生物學有一個全面的認識；第2章分子酶學工程概要，使讀者對分子酶學工程與合成生物學的關系有基本的了解；第3章、第4章和第5章詳細介紹了合成生物元件、裝置、基因網路和系統；第6章介紹合成代謝途徑；第7章介紹合成酶學。
《合成生物學與合成酶學》可供從事生命科學研究與教學的人員參考，也可用作生命科學學科專業高年級本科生及研究生的教材和參考用書。
張今、施維、李桂英、盛永杰、姜大志等編寫的這本《合成生物學與合成酶學》向讀者提供了合成生物學的目前狀況及其在分子酶學工程領域發展和應用的主線，內容涵蓋概論、酶分子進化與設計、合成生物部件與組件、合成基因(或蛋白質)線路圖、合成基因(或蛋白質)網路、合成生物系統、合成代謝、合成酶學等。
前言
第1章 合成生物學概述
1.1 合成生物學概念
1.2 合成生物學研究的核心內容
1.2.1 生物成分標準模塊化設計和構建
1.2.2 中心法則的再設計和構建
1.2.3 生物網絡的設計和構建
1.2.4 底盤基因組的設計和構建
1.2.5 基因組合成
1.3 合成生物學的研究策略和方法
1.3.1 合成策略和方法
1.3.2 分析策略和方法
1.4 合成生物學的應用研究
1.4.1 設計和構建新的生物大分子
1.4.2 設計和構建新的途徑/網絡
1.4.3 合成傳感器
1.4.4 合成生物學用于藥物發現、生產和治療
1.4.5 合成生物學用于控制代謝流量
1.4.6 工程細胞
1.4.7 合成生態系統
1.5 設計與構建新的遺傳系統
1.6 合成生物學面臨的問題和挑戰
1.6.1 表征、標準化和模塊化
1.6.2 噪聲的處理
1.6.3 表觀遺傳
1.6.4 計算工具
1.6.5 程序化抽提
1.6.6 合成生物學結果處理
1.6.7 元件不相容問題
1.7 社會及倫理問題
1.8 結束語
參考文獻
第2章 分子酶學工程概要
2.1 引言
2.2 酶分子進化工程
2.2.1 酶定向進化
2.2.2 酶的混雜性和多專一性的進化及新酶設計
2.3 蛋白酶分子工程
2.3.1 DNA加工酶分子工程
2.3.2 結構域和模塊工程
2.3.3 程序化合成酶和合成催化
2.4 核酸酶分子工程
2.4.1 基于基序體外選擇核酶
2.4.2 DNAzyme——“生物學意義”的合成酶
2.5 酶分子的計算設計
2.5.1 酶活性部位的計算設計
2.5.2 配體進出路徑的計算設計
2.5.3 蛋白質間相互作用界面的計算設計
2.5.4 正、負及中性突變的計算分析
2.5.5 酶穩定性的計算設計
2.5.6 展望
2.6 酶分子的從頭設計
2.6.1 Kemp消除酶的從頭設計
2.6.2 逆醇醛縮合酶的從頭設計
2.6.3 Diels-Alder(狄爾斯-阿爾德)酶的從頭設計
2.7 從工程酶到工程酶系統再到工程生命
參考文獻
第3章 合成生物元件、裝置和生物模塊
3.1 引言
3.2 合成生物元件、裝置、系統和模塊的定義
3.2.1 元件
3.2.2 裝置
3.2.3 系統
3.2.4 生物模塊
3.2.5 生物骨架
3.3 合成蛋白質元件
3.3.1 蛋白質合成生物學基礎
3.3.2 合成非天然蛋白質元件
3.3.3 基于基序合成蛋白質元件
3.4 合成蛋白質裝置
3.4.1 基于分子相互作用合成蛋白質裝置
3.4.2 基于結構域合成蛋白質裝置
3.5 合成RNA元件
3.5.1 RNA傳感器
3.5.2 RNA調節器
3.6 合成RNA裝置
3.6.1 傳感器和調節器元件直接偶聯的RNA裝置
3.6.2 不同信息傳遞功能整合的RNA裝置
3.6.3 功能組成骨架結構——模塊組裝裝置
3.6.4 天然核開關
3.6.5 設計核酶和RNA邏輯裝置
3.6.6 合成RNA裝置的各種技術
3.6.7 合成RNA元件和裝置的應用研究
3.7 合成DNA元件和裝置
3.7.1 合成DNA元件庫——iGEM Registry
3.7.2 合成啟動子
3.7.3 合成動態DNA裝置
3.8 結束語
參考文獻
第4章 合成基因(或蛋白質)網絡
4.1 引言
4.2 合成基因(或蛋白質)線路
4.2.1 邏輯基因線路
4.2.2 功能基因線路
4.3 合成基因(或蛋白質)網絡
4.3.1 合成轉錄基因網絡
4.3.2 合成轉錄后基因網絡
4.3.3 合成信號轉導網絡
4.3.4 合成宿主界面基因網絡
4.3.5 合成跨細胞基因網絡
4.4 定向進化基因線路與網絡
4.4.1 合成生物學與基因表達的進化
4.4.2 合成基因線路與網絡的重構、工程化
4.4.3 組合合成與基因網絡的定向進化
4.4.4 工程化基因網絡的機遇與挑戰
4.5 合成基因線路與網絡的應用
4.5.1 合成基因線路與網絡在醫藥工業領域中的應用
4.5.2 合成基因線路與網絡在生物能源領域中的應用
4.5.3 合成基因線路與網絡用于構建生物傳感系統
4.6 結束語
參考文獻
第5章 合成生物系統
5.1 引言
5.2 從頭合成基因組
5.2.1 從頭合成基因組的相關概念
5.2.2 合成基因組的基本路線
5.2.3 合成基因和基因組的方法
5.3 合成簡化的生物系統
5.3.1 最小基因組和必需基因
5.3.2 人工合成脊髓灰質炎病毒
5.3.3 合成基因組控制的φX174噬菌體
5.3.4 重構T7噬菌體
5.3.5 重構1918年西班牙流感病毒
5.3.6 嵌合基因組細胞
5.3.7 重組有活性的蝙蝠SARS樣冠狀病毒
5.3.8 轉化生殖支原體
5.3.9 人造基因組控制的活細胞
5.4 合成多細胞系統
5.4.1 概述
5.4.2 合成多細胞系統的基礎研究
5.4.3 合成多細胞系統的一些應用
5.5 無細胞合成生物系統
5.5.1 概述
5.5.2 無細胞合成生物系統中蛋白質合成的機制和優越性
5.5.3 主要的無細胞合成生物系統
5.5.4 無細胞合成生物系統的主要應用
5.5.5 前景展望
參考文獻
第6章 合成代謝途徑
6.1 引言
6.2 合成代謝途徑的定向進化
6.2.1 合成代謝途徑定向進化策略
6.2.2 類胡蘿卜素生物合成途徑定向進化
6.3 合成代謝途徑的構建與最佳化
6.3.1 合成代謝途徑的構建
6.3.2 合成代謝途徑的最佳化
6.4 合成代謝途徑中關鍵酶分子工程
6.4.1 酶水平的合成生物學
6.4.2 途徑水平的合成生物學
6.5 合成代謝途徑的設計
6.5.1 現有代謝途徑的再設計
6.5.2 從頭合成代謝途徑
6.6 合成代謝途徑的調控
6.6.1 通過操縱子調控合成代謝途徑
6.6.2 多基因表達調控
6.7 結束語
參考文獻
第7章 合成酶學
7.1 引言
7.2 合成藥物
7.2.1 青蒿素
7.2.2 聚酮化合物
7.3 合成能源
7.3.1 合成氫
7.3.2 醇
7.3.3 生物柴油
7.4 合成生物質產品或材料
7.4.1 葡萄糖二酸
7.4.2 聚乳酸
7.5 結束語
參考文獻
合成生物學與合成酶學
1.1 合成生物學概念
合成生物學（synthetic biology ）是21 世紀初誕生的一門新興工程學科，并有望成
為21 世紀引領生命科學技術發展的帶頭學科。關于合成生物學，國內開展了相關研究（張春霆，2009 ；宋凱，2010 ；張柳燕等，2010）。例如，天津大學生物信息學中心建立了必需基因數據庫DEG，其系統生物工程教育部重點實驗室利用兩個群體感應信號轉導回路，設計和構建了一個合成生態系統；清華大學生物信息學教育部重點實驗室實現了代謝通路的逆向工程設計；北京大學iGEM 團隊設計合成了一種由多個模塊組成的新的遺傳時序邏輯線路；中國科技大學開發出一種人工轉錄元件的通用化設計策略；中國科學院心理研究所于2007 年參與歐盟第六框架設計合成生物學研究
（Programmable Bacterial Catalysts，PROBACTYS），在重要微生物全基因組水平代謝網絡重構方面作出了貢獻。
合成生物學位于生物學、化學、物理學、數學和工程學研究領域的接口處，它的誕生和發展是上述領域交叉的結果，但其誕生最直接的基礎應是生物化學與分子生物學。1953 年，Watson 和Crick 提出了DNA 雙螺旋結構模型，從此開辟了分子生物學研究領域。1958 年，Crick 提出了分子生物學中心法則，給出了生命的基本過程和性質。工程中心法則是合成生物學最核心的研究內容之一。1961 年，Jacob 和Monod 提出了基因表達調控的操縱子模型，它是合成生物學中基因線路設計和構建的基礎（Jacob and Monod，1961）。1970 年，Smith 闡明了DNA 限制酶，DNA 限制酶與DNA 連接酶聯合應用，誕生了DNA 重組技術，是合成生物學誕生最直接的分子酶學工程背景。1974 年，波蘭科學家Szybalski 根據分子生物學的成熟度展望了生物學發展的可能性，指出“直到現在，我們繼續工作在分子生物學階段，……，但是當我們的研究領域進入合成生物學階段，真正的挑戰才即將開始。我們將設計新的調控單元，并將這些新的模塊加到現有的基因組中，或構建全新的基因組，這將是一個具有無限擴展潛力的領域”（Szybalski，1974）。繼之，1978 年，Szybalski 指出“限制酶的工作不僅提供了重組DNA 的工具，而且引領我們進入了新的‘合成生物學’領域”（Szybalski and Skalka，1978），由此提出了富有現代內涵的合成生物學的思想。1980 年，Hobom 發表了《基因外科：合成生物學開端》的論文，用“合成生物學”術語描述經重組基因組技術改造的細菌（Hobom，1980）。1990 年，人類基因組計劃的啟動和模式生物基因組計劃的快速實施，使合成生物學術語在學術刊物和互聯網上逐漸涌現。2000～2008 年，合成生物學已由“聲明”階段進入研究程序和快速發展時期�，F在，合成生物學已成為一門多學科交叉、各種技術集成的工程學科，并取得了巨大的成功（表1.1）（張柳燕等，2010）。
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