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

2.7.1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

4.5.3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