本书针对合成生物制造的核心——高性能细胞工厂设计原理与方法所需的知识体系开展内容设置，主要从细胞工厂代谢的物质流、能量流和信息流设计，细胞工厂鲁棒性底盘开发，数字化细胞工厂设计，细胞工厂高效构建、进化及筛选，细胞工厂应用及工程伦理等方面系统介绍了细胞工厂设计原理。本书共分为13章，其中，第1章简述了细胞工厂发展与设计理念；第2章阐述了细胞工厂的热力学与动力学驱动设计；第3、4章详述了细胞工厂物联网络设计与信息调控网络设计；第5、6章介绍了细胞工厂底盘设计与开发，以及智能抗逆设计；第7、8章介绍了生物逆合成与细胞途径设计，以及细胞工厂设计软件与数据库；第9～11章详述了细胞工厂的快速构建原理、定向进化原理与技术，以及性能快速表征与筛选原理；第12、13章总结了细胞工厂的典型应用案例及其涉及的生物安全与工程伦理。
样章试读
作者简介
- 主 编 张先恩
编 委 （按姓氏汉语拼音排序）
陈 坚 江会锋 雷瑞鹏 李 春
廖春阳 林 敏 刘陈立 刘双江
刘天罡 娄春波 吕雪峰 秦建华
沈 玥 孙际宾 王 勇 王国豫
谢 震 元英进 钟 超
目录
- 目录
第1章 细胞工厂发展与设计理念 1
1.1 微生物发酵的自然形成阶段 1
1.1.1 微生物纯培养 2
1.1.2 微生物培养优化 3
1.1.3 微生物发酵工艺 3
1.2 优良菌种的选育与进化阶段 4
1.2.1 微生物自然选育 5
1.2.2 微生物诱变育种 5
1.2.3 微生物杂交育种 7
1.3 动植物细胞离体培养与应用阶段 8
1.3.1 植物细胞培养与细胞工厂开发 8
1.3.2 动物细胞培养与细胞工厂开发 10
1.3.3 大规模动植物细胞培养中的共性工程问题 12
1.4 基因工程与细胞代谢调控阶段 12
1.4.1 初期基因工程技术的应用 13
1.4.2 基因编辑技术的出现与应用 14
1.4.3 正向代谢工程与基因调控 15
1.4.4 反向代谢工程与系统生物学 17
1.5 合成生物学赋能的细胞工厂设计阶段 19
1.5.1 新的研究范式——合成生物学 19
1.5.2 生物元件标准化与基因线路设计 20
1.5.3 途径智能规划与数字化细胞工厂 22
1.5.4 细胞工厂底盘设计 23
1.5.5 基于共培养体系的细胞工厂设计 24
1.5.6 细胞工厂的应用 25
第2章 细胞工厂热力学与动力学驱动设计 29
2.1 细胞工厂热力学与动力学驱动概念与发展 29
2.2 细胞工厂热力学与动力学驱动设计原理 30
2.2.1 细胞工厂中关键酶的热力学与动力学驱动设计原理 30
2.2.2 细胞工厂中代谢途径的动力学驱动设计原理 31
2.2.3 细胞工厂中辅因子与能量驱动设计原理 33
2.3 细胞工厂热力学与动力学驱动设计技术 34
2.3.1 关键酶的热力学与动力学驱动设计技术 34
2.3.2 代谢途径的动力学驱动设计技术 39
2.3.3 辅因子与能量驱动设计技术 50
2.4 细胞工厂热力学与动力学驱动设计技术常见问题与解决方案 59
2.5 细胞工厂热力学与动力学驱动设计技术的应用 60
2.5.1 大肠杆菌细胞工厂合成阿魏酸的热力学与动力学驱动设计 60
2.5.2 酿酒酵母细胞工厂合成阿魏酸的热力学与动力学驱动设计 61
2.6 小结与展望 64
第3章 细胞工厂物联网络设计 69
3.1 细胞工厂物质流关联与控制基本理论 69
3.1.1 代谢设计：从简单到复杂 69
3.1.2 流量优化：从静态到动态 72
3.1.3 进化工程：从基因到菌株 74
3.1.4 机器学习：从设计到优化 75
3.2 分子水平物质流关联与控制 76
3.2.1 转录水平调控工具 76
3.2.2 翻译水平调控工具 79
3.2.3 翻译后水平调控工具 81
3.2.4 其他分子水平调控工具 83
3.3 细胞水平物质流关联与控制 85
3.3.1 细胞生长浓度调控 85
3.3.2 细胞生长速率调控 88
3.3.3 细胞生长形态调控 91
3.4 群体水平物质流关联与控制 95
3.4.1 稳定群落调控 95
3.4.2 可变群落调控 97
3.4.3 群落结构从头设计 99
3.5 小结与展望 104
第4章 细胞工厂信息调控网络设计 110
4.1 细胞工厂信息调控网络系统概述 110
4.1.1 智能生物制造的 5M 策略 110
4.1.2 调控细胞工厂的信息流进行过程控制 114
4.2 细胞对环境信号的响应与调控 114
4.2.1 细胞对环境中物理信号的响应与调控 114
4.2.2 细胞对环境中化学信号的响应与调控 117
4.2.3 群体感应系统 122
4.3 生物过程信息数据采集与处理 123
4.3.1 组学信息数据采集与分析 123
4.3.2 反应器过程数据的采集与处理 136
4.4 多尺度微生物过程优化理论 140
4.4.1 发酵过程的多尺度参数相关分析研究 140
4.4.2 基于多尺度参数相关分析的鸟苷发酵优化实践 142
4.5 小结与展望 142
第5章 细胞工厂底盘设计与开发 147
5.1 底盘细胞的概念与种类 147
5.2 “自上而下”的底盘细胞设计与开发 148
5.2.1 底盘细胞理性改造技术 149
5.2.2 底盘细胞非理性改造技术 160
5.3 “自下而上”的底盘细胞设计与开发 165
5.3.1 底盘细胞的重头设计原则 166
5.3.2 底盘细胞的重头构建技术 169
5.4 常见的底盘细胞设计与构建 171
5.4.1 模式微生物底盘细胞的设计与构建 171
5.4.2 非模式微生物底盘细胞的设计与构建 181
5.4.3 模式动植物底盘细胞的设计与构建 186
5.5 小结与展望 189
第6章 细胞工厂智能抗逆设计 195
6.1 微生物抗逆性概述 195
6.2 胁迫环境对细胞工厂的影响 197
6.2.1 热胁迫 197
6.2.2 酸胁迫 198
6.2.3 氧化胁迫 199
6.2.4 渗透压胁迫 200
6.2.5 有机溶剂胁迫 201
6.2.6 代谢物胁迫 202
6.3 细胞工厂抗胁迫机制 203
6.3.1 热激应答系统 203
6.3.2 抗氧化系统 205
6.3.3 细胞膜防御系统 208
6.3.4 蛋白质质量控制系统 210
6.3.5 细胞群体胁迫响应机制 212
6.4 提高细胞工厂抗逆适配性方法 214
6.4.1 随机突变和适应性进化 215
6.4.2 细胞膜工程 216
6.4.3 转录因子工程 219
6.4.4 细胞区室化工程 221
6.4.5 代谢物外排强化 222
6.4.6 智能抗逆基因线路设计 223
6.4.7 多重防御抗逆系统的构建 225
6.5 小结与展望 226
第7章 生物逆合成与细胞途径设计 235
7.1 逆合成算法预测生物合成途径 237
7.1.1 生物逆合成途径预测流程 238
7.1.2 结构相似化合物的搜索 239
7.1.3 途径反应规则 242
7.2 途径筛选指标与综合评价 248
7.2.1 途径设计的可行性 249
7.2.2 途径设计与底盘宿主的适配性 250
7.2.3 途径设计的综合评价 252
7.3 反应的候选酶预测 253
7.3.1 酶的介绍 253
7.3.2 酶序列注释的工作流程 254
7.3.3 酶序列注释工具 255
7.3.4 酶注释工具的应用案例 259
7.4 生物合成途径与调控元件的组合设计 262
7.4.1 DoE 原理 262
7.4.2 DoE优化途径与元件组合空间 263
7.5 小结与展望 263
第8章 细胞工厂设计软件与数据库 271
8.1 计算机辅助的细胞工厂设计与构建基础：基因组尺度的代谢网络模型 271
8.1.1 基因组尺度代谢网络模型简介 272
8.1.2 模式菌种的基因组尺度代谢网络模型的构建及应用 282
8.2 生物信息学数据库 286
8.2.1 酶数据库 287
8.2.2 代谢数据库 287
8.2.3 自然语言处理在数据库建设中的应用 289
8.3 代谢途径的设计算法与软件 289
8.3.1 基因组规模代谢网络的设计 289
8.3.2 全细胞网络模型的设计算法与软件 297
8.4 生物元件的设计方法与软件 302
8.4.1 蛋白质设计方法与软件 302
8.4.2 转录和翻译元件的设计方法与软件 309
8.5 小结与展望 312
第9章 细胞工厂的快速构建原理 321
9.1 细胞工厂快速构建的必要性 321
9.2 细胞工厂快速构建方法 322
9.2.1 元件快速构建 322
9.2.2 转录单元和代谢途径组装 330
9.2.3 基因组工程与合成基因组技术 336
9.2.4 细胞工厂基因型快速验证 342
9.3 构建细胞工厂的过程自动化 344
9.3.1 自动化合成生物技术 344
9.3.2 工程化设施平台设计与搭建 344
9.3.3 DNA构建自动化 352
9.3.4 底盘细胞操作自动化 355
9.4 小结与展望 365
第10章 细胞工厂定向进化原理与技术 368
10.1 基因组进化与逆向代谢工程 368
10.2 非理性细胞工厂定向进化技术 370
10.2.1 基于基因组随机突变的细胞工厂定向进化技术 370
10.2.2 基于基因组混编的细胞工厂定向进化技术 374
10.3 半理性细胞工厂定向进化技术 376
10.3.1 基于全局转录调控因子的细胞工厂定向进化技术 376
10.3.2 基于寡核苷酸重组的细胞工厂定向进化技术 377
10.3.3 基于 RNAi 的细胞工厂定向进化技术 380
10.3.4 基于 CRISPR 的细胞工厂定向进化技术 381
10.4 细胞工厂突变文库的高通量筛选技术 384
10.5 逆向代谢工程：细胞工厂的进化分析与功能重构技术 385
10.5.1 多组学分析技术及分子机制阐释 385
10.5.2 多重基因组编辑及重构技术 389
10.6 细胞工厂定向进化技术应用 390
10.6.1 细胞工厂鲁棒性改造 391
10.6.2 拓展细胞工厂的底物利用范围 393
10.6.3 提高产物合成水平 397
10.7 小结与展望 399
第11章 细胞工厂性能快速表征与筛选原理 409
11.1 细胞工厂高通量表征与筛选基本理论 409
11.2 基于自动化机械臂的高通量筛选与表征系统 412
11.2.1 基本流程与主要设备 413
11.2.2 集成工作站 413
11.2.3 应用案例 417
11.3 基于微流控技术的高通量筛选与表征系统 421
11.3.1 液滴微流控系统 422
11.3.2 单相微流控系统 427
11.4 工业表型高通量表征技术 429
11.4.1 代谢物生物传感器 430
11.4.2 光谱学技术 437
11.4.3 质谱技术 439
11.5 小结与展望 441
第12章 细胞工厂的工程应用 448
12.1 细胞工厂在各行业的工程应用 448
12.2 细胞工厂在传统发酵行业的工程应用 450
12.2.1 氨基酸 450
12.2.2 维生素 455
12.2.3 抗生素 458
12.3 细胞工厂在能源化工行业的工程应用 459
12.3.1 有机醇 459
12.3.2 有机酸 463
12.3.3 有机胺（以戊二胺为例） 468
12.3.4 聚羟基脂肪酸酯（PHA） 469
12.4 细胞工厂在医药行业的工程应用 472
12.4.1 萜类——青蒿素 472
12.4.2 生物碱——阿片类 474
细胞工厂设计原理 xii
12.4.3 黄酮类——淫羊藿素 476
12.4.4 芳香族化合物——华法林 477
12.4.5 生物制品 478
12.5 小结与展望 481
第13章 细胞工厂设计的生物安全与工程伦理 484
13.1 细胞工厂设计中的潜在风险与伦理问题 484
13.1.1 细胞工厂设计技术潜在生物安全风险 485
13.1.2 细胞工厂设计技术潜在伦理风险 489
13.2 生物技术研究现行管理准则与规范 491
13.2.1 国际准则与公约 491
13.2.2 世界各国相关监管战略与治理体系 494
13.2.3 科学界内部自律性规范 497
13.2.4 面向大众的生物安全教育与培训 497
13.3 中国的生物安全与伦理研究进展 499
13.3.1 《科学家生物安全行为准则天津指南》 500
13.3.2 《中华人民共和国生物安全法》 500
13.3.3 其他监管措施与法律法规 501
13.4 细胞工厂的封存与防逃逸技术 501
13.4.1 生物封存技术简介及防逃逸指标 502
13.4.2 工程细胞防逃逸技术 503
13.5 小结与展望 506
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