合成生物学的兴起是21世纪生命科学领域的大事件。合成生物学的快速发展为其他学科注入了新的研究理念，提供了强有力的工具。分子酶学工程与合成生物学的交叉和整合出现了新的研究领域——合成酶学。《合成生物学与合成酶学》共分7章。第1章合成生物学概述，使读者对合成生物学有一个全面的认识；第2章分子酶学工程概要，使读者对分子酶学工程与合成生物学的关系有基本的了解；第3章、第4章和第5章详细介绍了合成生物元件、装置、基因网路和系统；第6章介绍合成代谢途径；第7章介绍合成酶学。
《合成生物学与合成酶学》可供从事生命科学研究与教学的人员参考，也可用作生命科学学科专业高年级本科生及研究生的教材和参考用书。
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张今、施维、李桂英、盛永杰、姜大志等编写的这本《合成生物学与合成酶学》向读者提供了合成生物学的目前状况及其在分子酶学工程领域发展和应用的主线，内容涵盖概论、酶分子进化与设计、合成生物部件与组件、合成基因(或蛋白质)线路图、合成基因(或蛋白质)网路、合成生物系统、合成代谢、合成酶学等。
目录
前言
第1章 合成生物学概述 1
1.1 合成生物学概念 2
1.2 合成生物学研究的核心内容 5
1.2.1 生物成分标准模块化设计和构建 7
1.2.2 中心法则的再设计和构建 8
1.2.3 生物网络的设计和构建 9
1.2.4 底盘基因组的设计和构建 14
1.2.5 基因组合成 16
1.3 合成生物学的研究策略和方法 18
1.3.1 合成策略和方法 18
1.3.2 分析策略和方法 25
1.4 合成生物学的应用研究 26
1.4.1 设计和构建新的生物大分子 26
1.4.2 设计和构建新的途径／网络 27
1.4.3 合成传感器 29
1.4.4 合成生物学用于药物发现、生产和治疗 31
1.4.5 合成生物学用于控制代谢流量 32
1.4.6 工程细胞 33
1.4.7 合成生态系统 34
1.5 设计与构建新的遗传系统 35
1.6 合成生物学面临的问题和挑战 36
1.6.1 表征、标准化和模块化 36
1.6.2 噪声的处理 36
1.6.3 表观遗传 37
1.6.4 计算工具 37
1.6.5 程序化抽提 37
1.6.6 合成生物学结果处理 38
1.6.7 元件不相容问题 38
1.7 社会及伦理问题 38
1.8 结束语 38
参考文献 39
第2章 分子酶学工程概要 41
2.1 引言 42
2.2 酶分子进化工程 43
2.2.1 酶定向进化 43
2.2.2 酶的混杂性和多专一性的进化及新酶设计 46
2.3 蛋白酶分子工程 55
2.3.1 DNA加工酶分子工程 55
2.3.2 结构域和模块工程 58
2.3.3 程序化合成酶和合成催化 61
2.4 核酸酶分子工程 65
2.4.1 基于基序体外选择核酶 65
2.4.2 DNAzyme——“生物学意义”的合成酶 67
2.5 酶分子的计算设计 69
2.5.1 酶活性部位的计算设计 70
2.5.2 配体进出路径的计算设计 71
2.5.3 蛋白质问相互作用界面的计算设计 73
2.5.4 止、负及中性突变的计算分析 73
2.5.5 酶稳定性的计算设计 75
2.5.6 展望 75
2.6 酶分子的从头设计 76
2.6.1 Kemp消除酶的从头设计 76
2.6.2 逆醇醛缩合酶的从头设计 78
2.6.3 Diels-Alder（狄尔斯-阿尔德）酶的从头设计 82
2.7 从工程酶到工程酶系统再到工程生命 84
参考文献 86
第3章 合成生物元件、装置和生物模块 87
3.1 引言 88
3.2 合成生物元件、装置、系统和模块的定义 89
3.2.1 元件 89
3.2.2 装置 89
3,2.3 系统 89
3.2.4 生物模块 90
3.2.5 生物骨架 91
3.3 合成蛋白质元件 92
3.3.1 蛋白质合成生物学基础 92
3.3.2 合成非天然蛋白质元件 93
3.3.3 基于基序合成蛋白质元件 96
3.4 合成蛋白质装置 101
3.4.1 基于分子相互作用合成蛋白质装置 101
3.4.2 基于结构域合成蛋白质装置 103
3.5 合成RNA元件 107
3.5.1 RNA传感器 108
3.5.2 RNA调节器 108
3.6 合成RNA装置 112
3.6.1 传感器和调节器元件直接偶联的RNA装置 112
3.6.2 不同信息传递功能整合的RNA装置 112
3.6.3 功能组成骨架结构——模块组装装置 1 13
3.6.4 天然核开关 115
3.6.5 设计核酶和RNA逻辑装置 115
3.6.6 合成RNA装置的各种技术 117
3.6.7 合成RNA元件和装置的应用研究 1 18
3.7 合成DNA元件和装置 119
3.7.1 合成DNA元件库——iGEM Registry 119
3.7.2 合成启动子 120
3.7.3 合成动态DNA装置 120
3.8 结束语 123
参考文献 124
第4章 合成基因（或蛋白质）网络 127
4.1 引言 128
4.2 合成基因（或蛋白质）线路 129
4.2.1 逻辑基因线路 129
4.2.2 功能基因线路 133
4.3 合成基因（或蛋白质）网络 136
4.3.1 合成转录基因网络 137
4.3.2 合成转录后基因网络 140
4.3.3 合成信号转导网络 l42
4.3.4 合成宿主界面基因网络 143
4.3.5 合成跨细胞基因网络 144
4.4 定向进化基因线路与网络 146
4,4 I合成生物学与基因表达的进化 146
4.4.2 合成基因线路与网络的重构、工程化 148
4.4.3 组合合成与基因网络的定向进化 152
4.4.4 工程化基因网络的机遇与挑战 154
4.5 合成基因线路与网络的应用 155
4.5.1 合成基因线路与网络在医药工业领域中的应用 155
4.5.2 合成基因线路与网络在生物能源领域中的应用 156
4.5.3 合成基因线路与网络用丁构建生物传感系统 156
4.6 结束语 157
参考文献 158
第5章 合成生物系统 161
5.1 引言 162
5.2 从头合成基因组 162
S 2.1 从头合成基因组的相关概念 163
5.2.2 合成基因组的基本路线 164
5.2.3 合成基因和基因组的方法 164
5.3 合成简化的生物系统 174
5.3.1 最小基因组和必需基因 174
5.3.2 人工合成脊髓灰质炎病毒 175
5.3.3 合成基因组控制的X174噬菌体 176
5.3.4 重构T7噬芮体 177
5.3.5 重构1918年西班牙流感病毒 177
5.3.6 嵌合基因组细胞 178
5.3.7 重组有活性的蝙蝠SARS样冠状病毒 178
5.3.8 转化生殖支原体 179
S 3.9 人造基因组控制的活细胞 180
5.4 合成多细胞系统 181
S 4.1 概述 181
5.4.2 合成多细胞系统的基础研究 182
S 4.3 合成多细胞系统的一些应用 191
5.5 无细胞合成生物系统 194
S 5.1 概述 194
5.5.2 无细胞合成生物系统中蛋白质合成的机制和优越性 195
S 5.3 主要的无细胞合成生物系统 196
5.5.4 无细胞合成生物系统的生要应用 197
5.5.5 前景展望 199
参考文献 199
第6章 合成代谢途径 205
6.1 引言 206
6.2 合成代谢途径的定向进化 207
6.2.1 合成代谢途径定向进化策略 207
6.2.2 类胡萝卜素生物合成途径定向进化 210
6.3 合成代谢途径的构建与最佳化 214
6.3.1 合成代谢途径的构建 214
6.3.2 合成代谢途径的最佳化 216
6.4 合成代谢途径中关键酶分了工程 217
6.4.1 酶水平的合成生物学 218
6.4.2 途径水平的合成生物学 221
6.5 合成代谢途径的设计 226
6.5.1 现有代谢途径的再设计 228
6.5.2 从头合成代谢途径 231
6.6 合成代谢途径的调控 234
6.6.1 通过操纵子调控合成代谢途径 235
6.6.2 多基因表达调控 235
6.7 结束语 237
参考文献 237
第7章 合成酶学 241
7.1 引言 242
7.2 合成药物 242
7.2.1 青蒿素 243
7.2.2 聚酮化合物 248
7.3 合成能源 252
7.3.1 合成氧 252
7.3.2 醇 264
7.3.3 生物柴油 277
7.4 合成生物质产品或材料 281
7.4.1 葡萄糖二酸 281
7.4.2 聚乳酸 283
7.5 结束语 284
参考文献 285
合成生物学与合成酶学
1.1 合成生物学概念
合成生物学（synthetic biology ）是21 世纪初诞生的一门新兴工程学科，并有望成
为21 世纪引领生命科学技术发展的带头学科。关于合成生物学，国内开展了相关研究（张春霆，2009 ；宋凯，2010 ；张柳燕等，2010）。例如，天津大学生物信息学中心建立了必需基因数据库DEG，其系统生物工程教育部重点实验室利用两个群体感应信号转导回路，设计和构建了一个合成生态系统；清华大学生物信息学教育部重点实验室实现了代谢通路的逆向工程设计；北京大学iGEM 团队设计合成了一种由多个模块组成的新的遗传时序逻辑线路；中国科技大学开发出一种人工转录元件的通用化设计策略；中国科学院心理研究所于2007 年参与欧盟第六框架设计合成生物学研究
（Programmable Bacterial Catalysts，PROBACTYS），在重要微生物全基因组水平代谢网络重构方面作出了贡献。
合成生物学位于生物学、化学、物理学、数学和工程学研究领域的接口处，它的诞生和发展是上述领域交叉的结果，但其诞生最直接的基础应是生物化学与分子生物学。1953 年，Watson 和Crick 提出了DNA 双螺旋结构模型，从此开辟了分子生物学研究领域。1958 年，Crick 提出了分子生物学中心法则，给出了生命的基本过程和性质。工程中心法则是合成生物学最核心的研究内容之一。1961 年，Jacob 和Monod 提出了基因表达调控的操纵子模型，它是合成生物学中基因线路设计和构建的基础（Jacob and Monod，1961）。1970 年，Smith 阐明了DNA 限制酶，DNA 限制酶与DNA 连接酶联合应用，诞生了DNA 重组技术，是合成生物学诞生最直接的分子酶学工程背景。1974 年，波兰科学家Szybalski 根据分子生物学的成熟度展望了生物学发展的可能性，指出“直到现在，我们继续工作在分子生物学阶段，……，但是当我们的研究领域进入合成生物学阶段，真正的挑战才即将开始。我们将设计新的调控单元，并将这些新的模块加到现有的基因组中，或构建全新的基因组，这将是一个具有无限扩展潜力的领域”（Szybalski，1974）。继之，1978 年，Szybalski 指出“限制酶的工作不仅提供了重组DNA 的工具，而且引领我们进入了新的‘合成生物学’领域”（Szybalski and Skalka，1978），由此提出了富有现代内涵的合成生物学的思想。1980 年，Hobom 发表了《基因外科：合成生物学开端》的论文，用“合成生物学”术语描述经重组基因组技术改造的细菌（Hobom，1980）。1990 年，人类基因组计划的启动和模式生物基因组计划的快速实施，使合成生物学术语在学术刊物和互联网上逐渐涌现。2000～2008 年，合成生物学已由“声明”阶段进入研究程序和快速发展时期。现在，合成生物学已成为一门多学科交叉、各种技术集成的工程学科，并取得了巨大的成功（表1.1）（张柳燕等，2010）。
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