《合成生物學》內容涉及合成生物學概述、合成生物學原理、合成生物繫統的基因線路、合成生物繫統的設計與組裝、合成生物繫統的調控與優化、無細胞合成生物繫統、合成生物學建模與計算機輔助工具、合成生物學的應用、合成生物學引發的新浪潮與顛覆九部分。附錄部分還收入了合成生物學專用名詞、重要合成生物學會議和科學家、經典的合成生物學技術、主要的合成生物學網站和資源等重要信息。

   本書編者大都在各自大學裡開設合成生物學課程並開展相關領域的人纔培養工作，組建並指導了大學生參加iGEM競賽，教材中也融入了編者多年從事合成生物學的教學內容、科研成果和體驗。

   作為一本繫統性總結和闡述合成生物學理念、理論、方法和工程應用的教材，本書適用於生物類、化工類、環境類、醫藥類專業的高年級本科生和研究生教學，相信對從事生物、醫藥、化工、能源、資源和環境等領域的科技工作者也有裨益。

李春，北京理工大學生命科學與技術學院教授，生物工程學專家，生物轉化與合成生物繫統研究團隊帶頭人，國家傑出青年科學基金獲得者，享受政府特殊津貼。主要從事合成生物學與代謝工程、生物催化與酶工程、空間微生物技術等領域的研究，在微生物的抗逆免疫生物轉化繫統的構建與應用、天然產物和藥物的微生物合成與生物改性、農用解鹽促生菌劑創制等方面取得了繫列研究成果。發表學術論文240餘篇，其中SCI收錄期刊發表論文110多篇，EI收錄論文100多篇，申請國家發明專利46項，已授權國家發明專利26項，完成了2項生物技術和生物產品產業化應用，獲省部級科技獎勵5項，2017年獲“侯德榜化工科技創新獎”。主持完成十幾項國家科研項目，包括國家863計劃、973計劃和國家自然科學基金。主編和副主編國家規劃教材5部，其中《生物工程與技術導論》獲部級教材一等獎。指導本科生參加由美國麻省理工學院（MIT）主辦的國際遺傳工程機器競賽連續四年（2013-2016年）獲得金獎，其中2015年還獲得了“New Best Application”提名獎。

目前擔任中國工業生化與分子生物學分會副理事長，中國生物工程學會工業生物技術專委會副主任，中國化工學會生物化工專委會青年工作委員會副主任。還擔任多個國內外學術期刊編委，包括《Frontiers in Biotechnology and Bioengineering》副主編，《Synthetic and System Biotechnology》、《Applied Microbiology and Biotechnology 》、《化工進展》、《過程工程學報》、《農業工程學報》和《生物加工過程》編委，《中國生物工程雜志》理事。數十次擔任重要國際學術會議委員會分會主席或委員。

第1章合成生物學概述001

1.1合成生物學的起源與發展002

1.1.1合成生物學的誕生與歷史002

1.1.2發展中的重要科學發現和重要節點003

1.1.3合成生物學的定義與研究策略003

1.1.4合成生物學的發展趨勢預測003

1.2合成生物學的產生過程005

1.2.1與遺傳學和分子生物學的交叉005

1.2.2與繫統生物學和生物信息學的交叉005

1.2.3與基因工程和代謝工程的交叉006

1.3合成生物學的工程化特質與研究範疇008

1.3.1合成生物學的工程化特質008

1.3.2合成生物學的研究範疇009

參考文獻012



第2章合成生物學原理014

2.1合成生物學解析的思路014

2.1.1生物繫統的解耦015

2.1.2生物繫統的抽提015

2.1.3生物繫統的標準化015

2.2生物積塊的標準化及定量化016

2.2.1生物積塊的通用符號和功能描述017

2.2.2生物積塊的標準連接方法017

2.2.3生物積塊標準的定量機制018

2.3合成生物繫統的層級化結構020

2.3.件020

2.3.2生物裝置021

2.3.3生物繫統022

2.3.4多細胞交互與群體感應023

2.4合成生物繫統的邏輯結構024

2.4.1合成生物繫統的基本邏輯結構025

2.4.2合成生物繫統的組合邏輯結構030

2.4.3合成生物繫統邏輯結構分析的重要性031

2.5合成生物繫統定量研究方法032

2.5.1合成生物學設計方法概述032

2.5.2合成生物學計算模型概述033

2.6合成生物繫統的設計原理與簡約性036

2.6.1合成生物繫統的設計原理036

2.6.2合成生物繫統的簡約性038

2.7合成新反應與網絡的設計原理039

2.7.1合成基因網絡的工程化設計原理039

2.7.2新反應途徑的開發040

2.7.3定向進化基因網絡設計原理040

2.7.4組合同源代謝網絡041

2.7.5組合異源代謝網絡043

參考文獻043



第3章合成生物繫統的基因線路047

3.1基因線路概述048

3.1.1基因線路的起源048

3.1.2基因線路的類型049

3.2基因線件049

3.2.1啟動子049

3.2.2終止子050

3.2.3弱化子051

3.2.4增強子052

3.2.5阻遏子053

3.2.6絕緣子054

3.2.7核糖體結合位點054

3.2.8轉錄因子055

3.3邏輯門基因線路055

3.3.1“與”門基因線路056

3.3.2“或”門基因線路056

3.3.3“非”門基因線路057

3.3.4“與非”門基因線路057

3.3.5“或非”門基因線路058

3.4開關基因線路059

3.4.1轉換開關059

3.4.2雙相開關059

3.4.3核糖開關060

3.4.4RNA開關060

3.4.5雙穩態開關061

3.5基因線路調控方式062

3.5.1基因線路糾錯062

3.5.2基因線路放大063

3.6基因線路實例063

3.6.1振蕩器與生物節律063

3.6.2細胞記憶基因線路064

3.6.3光控開關與生物成像064

參考文獻065



第4章合成生物繫統的設計與組裝068

4.1合成生物繫統的設計070

4.1.1合成生物繫統底盤細胞的選擇070

4.1.2合成生物繫件和途徑挖掘072

4.1.3合成生物繫統的計算機輔助設計與分析074

4.2合成生物繫統的組裝與構建075

4.2.1的合成組裝075

4.2.2多基因代謝途徑的構建077

4.2.3染色體和基因組的組裝077

4.2.4合成生物繫統的構建080

4.3合成生物繫統的優化082

4.3.1單一基因的優化082

4.3.2多基因途徑的組合優化085

4.3.3基因組簡化和重構086

4.4合成生物繫統的分析與篩選087

4.4.1合成生物繫統分析技術088

4.4.2合成生物繫統篩選技術090

4.5“設計構建檢驗重設計”的特征循環093

4.5.1功能模塊與底盤適配性分析與評價094

4.5.2人工體繫運行效率的化095

4.5.3快速檢測技術對合成生物繫統重設計的影響095

4.5.4合成生物繫統的繫統性進化096

4.6合成生物繫統中的細菌間相互作用097

4.6.1典型的群體感應繫統098

4.6.2混菌繫統（群體感應）在合成生物學中的應用100

參考文獻105



第5章合成生物繫統的調控與優化108

5.1合成生物繫統的單點調控與優化109

5.1.1合成生物繫統在DNA水平的調控與優化109

5.1.2合成生物繫統在RNA水平的調控與優化110

5.1.3合成生物繫統在蛋白質水平的調控與優化113

5.1.4合成生物繫統在XNA以及XNAzymes的調控與優化116

5.1.5合成生物繫統的全局調控與優化118

5.2合成生物繫統在基因組水平的全局調控與優化119

5.2.1傳統的基因打靶技術119

5.2.2Fok Ⅰ介導的合成生物繫統基因組編輯技術（ZFN與TALEN）120

5.2.3CRISPR-Cas9繫統介導的合成生物繫統基因組編輯技術122

5.2.4基因組大片段的插入、刪除和剪切-粘貼127

5.2.5宏基因組學和比較基因組學127

5.2.6總結與展望128

5.3合成生物繫統的理性調節與隨機調節128

5.3.1合成生物繫統在轉錄組學和蛋白質組學水平的調控129

5.3.2合成生物繫統在代謝組學水平的調控134

5.3.3合成生物繫統在功能基因組學水平的調控137

5.3.4組學的未來139

參考文獻140



第6章無細胞合成生物繫統143

6.1無細胞合成生物學理念與設計原理144

6.1.1直接體繫控制145

6.1.2原位檢測和產品獲取146

6.1.3加速“設計-構建-測試”周期147

6.1.4毒性物質忍耐性148

6.1.5擴展生命化學148

6.1.6經濟性148

6.1.7效率148

6.2無細胞合成生物繫統的分類148

6.2.1基於細胞提取物體繫149

6.2.2純化體繫150

6.2.3多酶體繫151

6.3無細胞合成生物繫統的工程改造151

6.3.1繫統優化151

6.3.2基因模板152

6.3.3蛋白質合成153

6.3.4小分子合成156

6.3.5人工細胞157

6.4無細胞合成生物繫統的工程應用158

6.4.1結構生物學158

6.4.2高通量篩選159

6.4.3生物醫藥159

6.4.4生物催化161

6.4.5疾病診斷161

參考文獻162



第7章合成生物學建模與計算機輔助工具167

7.1概述168

7.1.1合成生物學建模目的及模型特點168

7.1.2計算機技術對於合成生物學研究的重要性169

7.2合成生物繫統數學建模的基本分析方法171

7.2.1合成生物繫統建模的基本分析流程171

7.2.2模型拓撲結構的分析與確定172

7.2.3模型動力學參數的確定175

7.3合成生物繫統數學模型的分析與評價177

7.3.1穩定性分析與評價177

7.3.2魯棒性和敏感性分析179

7.4合成生物繫統的基本數學模型181

7.4.1基本蛋白質表達模型181

7.4.2邏輯門模型182

7.4.3雙穩態開關模型185

7.4.4振蕩器模型186

7.4.5群體感應線路模型187

7.5合成生物繫統在大數據時代的文庫構建與建模189

7.5.1合成生物學模型與文庫在大數據時代的特點189

7.5.2大數據時代下合成生物繫統建模與文庫構建的挑戰和問題190

7.5.3合成生物繫統建模在大數據時代的發展方向191

7.6計算機技術在合成生物學研究中的運用192

7.6.1生物小分子的計算機輔助設計與改造192

7.6.2基因線路的計算機輔助設計與分析194

7.6.3合成路徑和反應過程的計算機輔助設計195

參考文獻197



第8章合成生物學的應用200

8.1綠色化工方面的應用201

8.1.1化學品的綠色制造201

8.1.2生物能源的綠色制造210

8.2環境治理方面的應用216

8.3醫藥方面的應用218

8.3.1傳染疾病的防治218

8.3.2癌癥及其他疾病的治療220

8.3.3藥物篩選222

8.3.4生物醫藥的先進制造224

8.4抗逆性改造方面的應用227

8.4.1抗發酵抑制物227

8.4.2抗毒性中間產物228

8.4.3抗毒性終產物229

8.5其他方面的應用229

8.5.1解釋生物圖案形成機理229

8.5.2構建大腸杆菌條件反射回路230

參考文獻232



第9章合成生物學引發的新浪潮與顛覆235

9.1合成生物學的全球戰略地位和經濟效益236

9.1.1全球布局236

9.1.2各國戰略投資分析236

9.1.3軍事領域的應用241

9.1.4民用市場前景分析242

9.2合成生物學作為顛覆性新興技術的優勢244

9.2.1與傳統農業、發酵產業的比較244

9.2.2顛覆性技術和手段245

9.2.3可持續性和潛力246

9.3國際主要合成生物學研究中心與熱點247

9.3.1全球公立研發中心布局247

9.3.2全球私立研發中心布局247

9.3.3全球研究熱點247

9.3.4研究前景與展望247

9.4合成生物學的安全與倫理探討及策略248

9.4.1面臨的倫理爭議248

9.4.2倫理研究的意義249

9.4.3倫理研究的指導意義249

9.4.4倫理相關政策的完善249

參考文獻251



附錄252

附錄一合成生物學專有名詞英漢對照252

附錄二國內外重要合成生物學會議及科學家簡介257

附錄三iGEM大賽以及優秀作品簡介262

附錄四經典的合成生物學技術270

附錄五主要的合成生物學網站和資源271

合成生物學（synthetic biology）是以生物學、化學工程、電子工程、信息學、計算科學等相關學科發展為基礎的一門新興多學科交叉會聚的工程學科。以工程化的設計理念，對生物繫統進行有目標的設計、改造乃至重新合成，突破了生命發生與進化的自然法則，促進了對生物密碼從“讀”到“寫”的質變，實現了由傳統的“格物致知”向“建物致知”轉化。基於工程學理念的合成生物學，采用標準化件和基因線路，在理性設計原則指導下組裝並合成新的、具有特定功能的生物繫統。

合成生物學的概念與定義經歷了三個典型的認識階段。

1911年分別發表在“Science”和“Lancet”雜志的三篇文章中出現synthetic biology（合成生物學）一詞，那時是合成化學發展的黃金時期，但化學家們一直很欣賞生物體合成各種化合物的能力，尤其是結構復雜、多手性的天然產物和藥物分子。這個時期提出的synthetic biology（合成生物學）僅僅是探秘生物體合成化合物的強大能力，這應該是合成生物學概念發展的個認識階段，是挖掘自然界已存在的生物繫統和功能。

隨著生物中心法則的奠定，以DNA重組技術為標志的基因工程技術的快速發展，深刻地改變著我們的生活方式和質量。1980年在德文刊物上次以《基因外科術：合成生物學的開始》為題闡述了基因工程在醫學領域的突破與重大貢獻，體現了人類通過基因的剪裁和重組以解決生存和健康問題，實現了生物體局部相關性能的改進與優化，這應該是合成生物學概念發展的第二個認識階段，實現了從分子基因層面上改良現有生物繫統和功能。

自2000年以來，synthetic biology（合成生物學）一詞在學術刊物及互聯網上逐漸大量出現，其內涵也發生了質的變化。美國加州大學伯克利分校化學工程繫教授Jay D. Keasling認為合成生物學是用“生物學”進行工程化，就如用“物理學”進行電子工程、用“化學”進行化學工程一樣，是典型的以工程化理念思考與設計生物繫統。哈佛大學醫學院教授George Church認為合成生物學是利用確定的“零件”進行新生物繫統的工程設計與組裝。維基百科關於合成生物學的解釋為：合成生物學旨在設計和構建工程化的生物繫統，使其能夠處理信息、操作化合物、制造材料、生產能源、提供食物、保持和增強人類健康以及改善我們的環境。總之，在工程化理念的指導下，圍繞構件和基因線路庫，設計、構建、驗證和再學習過程以創造新的生物繫統和功能是合成生物學的核心所在，也是合成生物學概念發展的第三個認識階段，強調“設計”和“重設計”，模擬預測和人工合成以創造新的生物繫統和功能。

2004年美國麻省理工學院（MIT）出版的“Technology Review”將合成生物學評為將改變世界的10大新出現的技術之一（10 Emerging Technologies That Will Change Your World）。合成生物學的發展還要感謝MIT的一群睿智、大膽、充滿好奇想像的學習化學工程、電子工程和生命科學的大學生，他們的頭腦風暴和變革生命研究過程的衝勁，啟動並推進了以合成生物學為理念的“國際遺傳工程機器競賽”（International Genetically Engineered Machine Competition, iGEM）的發展和成熟，目前這項國際賽事每年都有超過50個國家的400多支隊伍的6000多人采用競賽的形式試圖回答合成生物學中的核心問題——能否通過頂層設計在活細胞中使用可互換的件、基因線路來構建新的生物繫統，並且加以操縱拼裝、預測和測量，從而嘗試解決人類面臨的健康、資源、能源、環境和安全領域的棘手問題。

目前，我國正處於建設創新型國家的決定性階段，同時面對人口老齡化、糧食安全、資源環境約束等嚴峻挑戰。轉變發展方式、走新型工業化道路，迫切需要新型生物技術以支撐工業、農業、醫藥等領域的產業變革。開展合成生物學的教學和人纔培養，促進生物技術顛覆性創新，是我國經濟社會可持續發展的重大戰略需求，並將使我國在新一輪生物科技革命與國際競爭中贏得先機。基於多學科交叉融合與大數據利用，合成生物學已成為可預測、可工程化的科學，使設計生物繫統為人類服務成為可能，在生物技術顛覆式創新方面展現了無限的潛力，有望為破解人類面臨的資源、能源、健康、環境、國防等領域重大挑戰提供新的解決方案，對於保障經濟社會可持續發展、支撐國家建設與國家安全具有重大戰略意義。

鋻於合成生物學的快速發展與應用需求，北京理工大學的李春教授邀請了來自北京理工大學、清華大學、天津大學、中國科學院深圳先進技術研究院和北京化工大學等相關高校教師組織編寫了這本《合成生物學》教材，內容涉及：合成生物學概述、合成生物學原理、合成生物繫統的基因線路、合成生物繫統的設計與組裝、合成生物繫統的調控與優化、無細胞合成生物繫統、合成生物學建模與計算機輔助工具、合成生物學的應用、合成生物學引發的新浪潮與顛覆共九章。編者大都在各自大學裡開設合成生物學課程並開展相關領域的人纔培養工作，組建並指導了大學生參加iGEM競賽，教材中也融入了編者多年從事合成生物學的教學內容、科研成果和體驗。

作為一本繫統性總結和闡述合成生物學理念、理論、方法和工程應用的教材，本書適用於生物類、化工類、環境類、醫藥類專業的高年級本科生和研究生的教學，相信對從事生物、醫藥、化工、能源、資源和環境等領域的科技工作者也有裨益。

盡管本教材經歷了三年多的籌劃組織、編寫研討、校稿提升等環節，得到了很多合成生物學領域同行的大力支持，但由於該領域發展迅猛，編者的視野、水平有限，教材中難免有疏漏和不妥之處，敬請讀者批評指正！我們會在後續的更新完善中不斷提高。



編者

2019年6月