合成生物学是21世纪的新兴交叉科学，强调“设计”和“重设计”，其目的是通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。合成生物学的发展要以生物学、化学、物理学、数学、信息科学、工程科学、计算机科学等相关学科的发展为基础。
　　《合成生物学导论》共分5章。第1章介绍合成生物学的基本概念和内容，使读者对合成生物学有一个全面的了解。第2章和第3章介绍合成生物学设计和分析的基本方法、合成生物学的层次化结构和概念及合成生物学中的常用算法。第4章和第5章介绍合成生物学在基础和实际应用方面的研究内容、成果和进展，包括**的双稳态开关、大肠杆菌成像系统、微生物计算机、合成青蒿酸的微生物工厂等。

科学绝不是也永远不会是一本写完了的书。每一项重大成就都会带来新的问题。任何一个发展随着时间的推移都会出现新的严重的困难。
　　——爱因斯坦
　　第1章 绪论
　　基础提要
　　细胞生物学 分子生物学 生物化学 细胞结构与功能 生物能学和代谢
　　合成生物学强调“设计”和“重设计”，其目的是通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。其工程化的思想和标准化的T具，一经兴起便得到全世界范围的广泛关注，2004年被美国麻省理丁学院(MIT)主办的世界著名科技杂志Technology Review评为将改变世界的十大新出现的技术之一(10 Emerging Technologies That Will Change Your World)。2009年，南中同科学院300多位专家经过一年多研究发布的《创新2050：科学技术与中国的未来》战略研究系列报告中指出：“合成生物学”是可能出现革命性突破的4个基本科学问题之一。
　　**部分 合成生物学概述
　　1953年，年仅25岁的J.D.Watson和37岁的F.Crick从DNA（脱氧核糖核酸）的X射线衍射图上解读了DNA的双螺旋结构，隐藏了几十亿年的生物密码终于渐渐露出丁端倪。2003年人类基因组计划顺利完成，此后包括人类在内的各种生物基因组图谱纷纷出炉，生物遗传密码的神秘面纱正在被迅速揭开。生物科学研究南定性描述转向定量计算，从分析到设计，进而进入系统和合成生物学(synthctic biology)时代，生物科学的复杂课题成为研究的主流。如果说现代自然科学的领头学科是物理学的话，那么21世纪自然科学发展的关键带头学科就是生命科学。然而，仅仅是解释和破译现有的牛命现象已经无法完全解决人类所面临的环境、能源、健康三大危机，人类不得不探索全新的出路——人工合成全新的生物系统，借此来验证我们对生物现象的理解，满足人类对物质的无限需求，改造和更新我们生存的地球乃至宇宙。
　　这是一个予结束于开始的时代！自从地球上开始出现生物，遗传密码已经存在了几十亿年，现在到了人工重新排列它们的时候了。作为遗传物质的DNA的结构发现开启了分子生物学时代，对于其结构属性的理解和改造则令生物学进入了下一个阶段——合成生物学时代。
　　1.1 合成生物学的诞生
　　同所有其他科学学科一样，合成生物学的出现并不是偶然现象，而是历史积淀的必然。合成生物学的发展要以生物学、化学、物理学、数学、信息科学、工程科学、计算机科学等相关学科的发展为基础。分子生物学将人类对生命科学的研究从宏观世界引入到微观世界；生物信息学的出现使人类具有处理大量生物数据信息的能力；系统生物学和功能基因组学的出现使得人类具有从整体和功能角度研究和分析各种生物现象的能力。只有当这些基础学科的发展达到一定高度以后，合成生物学的出现才会成为必然。图1-1所示为合成生物学的学科基础及应用范围。
　　图1-1 合成生物学的学科基础及应用范围
　　工程科学：将数学、化学、物理学等自然科学的原理应用到具体工农业生产部门中形成的各学科的总称。例如，水利工程、化学工程、土木建筑工程等。
　　1952年，S.E.Luria和M.L.Human在研究T偶数噬菌体对大肠杆菌的侵染实验中发现，细菌能将外来的DNA片段在某些专一位点上切断，从而保证白身不被外来噬菌体所侵染，而其自身的DNA由于被一种特殊的酶（甲基化酶）所修饰而受到保护，即所渭的“限制修饰”现象门。1953年，G.Bertani和J.J.Weigle在入噬菌体对大肠杆菌的侵染实验中发现了同样的“限制修饰”现象。从此人们逐渐认识到限制和修饰是存在于细菌系统中的普遍现象，作用于许多烈性（即可以导致细菌裂解）和温和（即可以导致细菌进入溶源态）的噬菌体，并存在于多种细菌中。1962年，W.Arber和D.Dussoix阐明了该现象的分子机制。在发现“限制修饰”现象的基础上，20世纪60年代末，S.Lin和W.Arber发现了执行DNA“修饰”的DNA甲基化酶和执行“限制”的DNA限制性内切核酸酶。1970年，美国约翰 霍普金斯(Johns Hopkins)大学的H. Smirh进一步发现了能准确切割识别序列的DNA限制性内切核酸酶。这些能准确切开基因组特殊位点的酶被称为“分子手术刀”，它们与DNA连接酶结合应用，诞生了合成生物学常用手段之一——DNA重组(recombinant DNA)技术。同一时期，F.Jacob和J.Monod提出了调节基因表达的操纵子模型，F.Jacob认为细胞的行为是通过目的性的调控实现的，而他的这一思想被认为是合成生物学主要研究内容之一——“遗传/基因线路(genetic/gene circuit)”的雏形们。
　　1978年，波兰科学家W.Szybalski在他的一篇文章中提到为“发现了限制性内切核酸酶及其在分子生物学中的应用”的研究者所颁发的诺贝尔奖时说：“对于限制性内切核酸酶的工作不仅可以提供给我们重组DNA的工具，而且引领我们进入了一个新的“合成生物学”的领域。在此，我们不仅可以利用现存的、已经分析过的基因，并且可以创造和研究新的基因组组成的方式”，由此**次提出了合成生物学的思想。1980年，“合成生物学”**次作为文章的标题出现在学术期刊上——B.Hobom用“合成生物学”一词来描述通过工程化的重组基因组技术而得到的细菌，这些经过人工改造的细菌仍然能够正常存活。2000年在旧金山举行的美国化学会年会上，“合成生物学”一词再次被E.T.Kool和其他学者提起用以描述生物系统中非天然存在的功能性有机分子的合成门。当时的合成生物学还未脱离遗传工程，与之有相当大的交叉。
　　2000年以后，在D.Endy、J.D.Keasling、R.Weiss、J.J.Collins和C.D.Smolke等许多人的推动下，合成生物学作为一门崭新的学科得到了飞速的发展。美国威斯康星(Wisconsin)大学的研究人员创造出了一种基因组比野生型大肠杆菌更清瘦、更精十的大肠杆菌版本。这项成果表明，研究人员能够在不影响生物基本功能的情况下对其进行更精确、更大规模的改造。J.D.Keasling通过合成生物学方法在酿酒酵母中合成抗疟疾物质青蒿素的前体物质青蒿酸，这一成果被评为2006年的世界十大科技进展之一。模拟各种“与”、“非”门逻辑的基因调控线路的出现、大肠杆菌成像系统的成功，所有这些实例无不证明：合成生物学作为一门*立的崭新学科步人了科学的殿堂。
　　作为一门迅速成长的新兴学科，日前来看，合成生物学更多的还是展望，随着相关领域的发展，在不久的将来，合成生物学将会有更广泛的发展，为人类更加深入地理解各种生物和生命现象提供有利佐证，为解决人类日前所面临的能源危机、环境危机和健康危机等提供更加有力的理论和工具。
　　1.2 合成生物学的定义
　　合成生物学(synthetic biology)长期以来被用于描述如下的生物学方法，即尝试整合不同领域的研究以建立对牛命过程更加全面的理解。然而，2000年以后该词具有了不同的含义，它标志着一个新研究领域的形成。这个新领域将科学和工程学结合在一起，目的在于设计和构建具备新的生物学功能的生物基因组和系统。
　　虽然2000年以后“合成生物学”一词在学术刊物及互联网上大量出现，但目前合成生物学的定义还处于多元化阶段。
　　(1) 美国加州大学伯克利分校化学丁程教授J.D.Keasling认为：合成生物学正在用“生物学”进行工程化，就像用“物理学”进行“电子工程”、用“化学”进行“化学工程”一样。
　　(2) 美国哥伦比亚癌症研究中心、测序及基因组科学中心主任R.Holt认为：合成生物学与传统的重组DNA技术之间的界限仍然是模糊的。从根本上说，合成生物学正在利用获得的“元件”进行下一层次的工作——对细胞进行实际的工程化。
　　(3) 美国哈佛大学医学院遗传学教授、计算遗传学中心主任G.Church认为：合成生物学是利用我们所确信的一些“零件”进行新生物系统的工程。它在利用从系统生物学得出的*好分析法加工、制作及检验复杂的生物机器。
　　任何一门学科或者科学的发展都需要开放性的思想和兼容并蓄的科学态度，因此我们没有必要像背诵数学定理一样深究合成生物学定义中的每一个字眼，也没有必要强求一个完全统一的定义，我们**“合成生物学组织”网站“上公布的一段描述来引导我们了解什么是“合成生物学”：
　　合成生物学是指按照一定的规律和已有的知识：①设计和建造新的生物部件、装置和系统；②重新设计已有的天然生物系统为人类的特殊目的服务。[Synthetic Biology is: A) the design and construction of new biological parts， devices， and systems， and B) the re-design of existing， natural biological systems for useful purposes.]
　　简单地说，合成生物学就是通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统来解决能源、材料、健康和环境等问题。
　　合成生物学强调“设计”和“重设计”。设计、模拟、实验是合成生物学的基础。合成生物学不仅仅是实验，利用已有的生物学知识，根据实际的需要进行设计和重设计，建立教学模型对人工设计进行模拟从而指导实验的进行才是合成生物学的方法。
　　1.3 合成生物学的研究内容
　　合成生物学的研究内容主要包括以下几个方面。
　　(1) 工程化的功能模块(module)：包括各种生物分子的合成与模块化、亚细胞模块、生物合成基因网络、代谢途径和信号转导通路、转运机制等。
　　(2) 接口：调整和修改输入-输出过程、调整不同亚细胞组件间的层次化相互作用使得模块具有可拆装性。
　　(3) 开发平台：优化生物或非生物载体，达到提高工程系统效率、降低其维护成本和要求、提供某种特殊的“鲁棒性”及对环境的兼容性等目的。
　　(4) 调控和通讯系统：包括生物部件的反馈、前馈机制，以及行为和通讯方式的模块化。
　　(5) 各种功能模块的仿真、预测算法和相应软件。利用计算机辅助技术是降低实验成本和复杂性的有利工具。
　　1.3.1 生物大分子的合成与模块化
　　合成生物学的研究重心是具有截然不同于自然系统特性和功能的崭新生物系统的开发和工程化，因此离不开各种标准化生物大分子的研制和开发。这方面的研究主要包括以下几部分内容。
　　1．蛋白质的工程化改造与模块化
　　根据分子生物学的“中心法则”，生物遗传信息的主要传递过程是以DNA为模板指导RNA的合成并由mRNA指导蛋白质的合成。DNA测序技术、遗传工程技术、聚合酶链反应技术（PCR技术）、蛋白质品体学技术等一系列生物技术的发展，使人类理论上可以进行任何蛋白质从氨基酸序列到局部超二级结构（模体，motif）的改造和组合。
　　合成生物学设计功能相对*立、可以被组装的蛋白模块以探索生物的可塑性和构建崭新的生物系统，因此对基本组分“工具箱”中蛋白质的需求远比自然界能够提供的种类多得多。例如，目前通过聚合酶链反应实现的基因扩增等生物过程主要是由自然界提取的酶（限制性内切核酸酶、连接酶、聚合酶）来执行的，这些酶受到底物和环境等的限制，在模块化和功能性方面无法完全满足人工生物系统的要求，因此需要开发模块化、标准化的人工蛋白模块。
　　这些蛋白模块可以通过蛋白自身域结构的重新组合来巧妙地实现——生物体中有两类DNA结合蛋白具有功能相对*立的锌指(zinc finger)结构，一类是锌指蛋白，另一类是甾类受体。蛋白质中的锌指结构由一组保守的氨基酸残基（半胱氨酸和组氨酸）的侧链和锌离子以配位键结合，在蛋白质中形成了相对*立

目录
序一
序二
前言
专有名词英汉对照表 xi
第1章 绪论 1
**部分 合成生物学概述 1
1.1 合成生物学的诞生 2
1.2 合成生物学的定义 4
1.3 合成生物学的研究内容 4
1.3.1 生物大分子的合成与模块化 5
1.3.2 生物基因组的合成、简化与重构 7
1.3.3 合成代谢网络 8
1.3.4 遗传/基因线路的设计与构建 8
1.3.5 细胞群体系统及多细胞系统研究 9
1.3.6 数学模拟和功能预测 9
1.4 合成生物学的意义 10
1.4.1 加速合成生物系统工程化的进程 10
1.4.2 验证和深化对于生物现象的理解 10
1.5 合成生物学的工程本质 11
1.6 合成生物学与相关生物学科 13
1.6.1 与遗传工程的关系 13
1.6.2 与分子生物学和细胞生物学的关系 14
1.6.3 与系统生物学和功能基因组学的关系 l4
1.6.4 与生物信息学的关系 15
1.7 合成生物学国际会议及国际遗传机器大赛 16
1.7.1 合成生物学国际会议(Synthetic Biology x.0) 16
1.7.2 国际遗传机器大赛 16
第二部分 合成生物学引发的思考 17
1.8 人类*造物主 1 7
1.8.1 道德规范 17
1.8.2 对环境无控制地排放 18
1.8.3 生物武器的滥用 l9
1.8.4 对生物的专利与垄断 20
1.8.5 创造人工生命？ 21
1.8.6 究竟该如何应对？ 22
第2章 合成生物系统的设计 25
**部分 合成生物系统的模块化与层次化结构 25
2.1 合成生物学的模块化设计 26
2.1.1 模块设计的三个特征因素 26
2.1.2 细胞本底环境对模块化设计的影响 27
2.1.3 无细胞合成生物系统 28
2.2 标准化生物模块——生物积块 28
2.2.1 BioBrick命名规则 29
2.2.2 BioBrick的连接 30
2.3 标准定量机制 33
2.3.1 PoPS 33
2.3.2 RIPS 34
2.4 生物系统的层次化结构 34
2.4.1 生物部件“Part” 34
2.4.2 生物装置“Device” 36
2.4.3 生物系统“System” 36
2.4.4 细胞群体系统及多细胞系统 37
第二部分 合成生物系统的逻辑拓扑结构 39
2.5 串联 39
2.6 单输入 40
2.7 多输入 41
2.8 反馈 42
2.9 前馈 44
第3章 合成生物系统酌数学模拟与性能分析 49
**部分 生物系统的数学模拟 49
3.1 常微分方程 49
3.1.1 质量作用定律 50
3.1.2 米氏方程 51
3.1.3 希尔方程 52
3.2 Logistic模型 53
3.2.1 单种群细胞自由生长的Logistic模型 53
3.2.2 两种细胞自由生长的Logistic模型 54
3.3 主方程 56
3.4 随机微分方程 57
3.5 模式识别 57
3.5.1 聚类分析 58
3.5.2 分类分析 60
3.6 小结 64
第二部分 合成生物系统性能分析 64
3.7 常用性能指标 65
3.7.1 稳定性 65
3.7.2 鲁棒性 65
3.7.3 响应快速性 65
3.8 稳定性分析 65
3.9 鲁棒性分析/敏感性分析 66
3.10 提高系统稳定性和鲁棒性的机制 67
3.10.1 冗余 68
3.10.2 反馈控制 68
3.10.3 特异性和保真度 68
第4章 合成生物学的基础研究 71
**部分 模拟逻辑功能的基础研究 71
4.1 逻辑门功能遗传线路 72
4.2 基因调控开关 74
4.2.1 转换开关 74
4.2.2 双相开关 75
4.2.3 Riboswitch 75
4.2.4 双稳态开关 77
4.3 Repressilator 83
4.4 细胞群体系统脉冲发生器 88
第二部分 其他方面的合成生物学基础研究 92
4.5 控制群体数量的基因线路 92
4.6 人工细胞群体图案系统 95
4.7 人工转录级联线路 99
4.8 工程化的支架蛋白 100
4.9 重构T7噬菌体基因组 105
第5章 合成生物学的应用研究 111
5.1 合成生物学应用于维护人类健康 111
5.1.1 环境控制的大肠杆菌对癌细胞的侵入系统 113
5.1.2 合成青蒿素的微生物工厂 117
5.2 合成生物学应用于牛产牛物能源 121
利用工程化的大肠杆菌非发酵代谢途径生物合成高级醇 123
5.3 合成生物学应用于环境治理 126
砷离子的检测 126
5.4 合成生物学应用于其他方面 128
5.4.1 大肠杆菌成像系统 128
5.4.2 微生物计算系统 131
参考文献 137
主要网站 148
附录A 名词解释 150
附录B iGEM参赛项目选介 157
1. 幽门螺杆菌疫苗 157
2. 艾滋病的治疗 161
3. 芳香烃类污染物的检测 164
4. 丁醇的生物合成 165
5. 基因反馈调节治疗脓毒症 167
6. 大肠杆菌香味剂 169
名词索引 171
人名索引 173