【书  名】合成生物学

【作　者】李春 著    

【出版者】化学工业出版社

【索书号】Q503/4050

【阅览室】中校区理科阅览室

作者简介

李春，北京理工大学生命科学与技术学院教授，生物工程学专家。主要从事合成生物学与代谢工程、生物催化与酶工程、空间微生物技术等领域的研究，在微生物的抗逆免疫生物转化系统的构建与应用、天然产物和药物的微生物合成与生物改性、农用解盐促生菌剂创制等方面取得了系列研究成果。主编和副主编国家规划教材5部，其中《生物工程与技术导论》获部级教材一等奖。指导本科生参加由美国麻省理工学院（MIT）主办的国际遗传工程机器竞赛连续四年（2013-2016年）获得金奖，其中2015年还获得了“New Best Application”提名奖。

目前担任中国工业生化与分子生物学分会副理事长，中国生物工程学会工业生物技术专委会副主任，中国化工学会生物化工专委会青年工作委员会副主任。还担任多个国内外学术期刊编委，包括《Frontiers in Biotechnology and Bioengineering》副主编，《Synthetic and System Biotechnology》、《Applied Microbiology and Biotechnology 》、《化工进展》、《过程工程学报》、《农业工程学报》和《生物加工过程》编委，《中国生物工程杂志》理事。数十次担任重要国际学术会议委员会分会主席或委员。

内容简介

《合成生物学》内容涉及合成生物学概述、合成生物学原理、合成生物系统的基因线路、合成生物系统的设计与组装、合成生物系统的调控与优化、无细胞合成生物系统、合成生物学建模与计算机辅助工具、合成生物学的应用、合成生物学引发的新浪潮与颠覆九部分。附录部分还收入了合成生物学专用名词、重要合成生物学会议和科学家、经典的合成生物学技术、主要的合成生物学网站和资源等重要信息。

本书编者大都在各自大学里开设合成生物学课程并开展相关领域的人才培养工作，组建并指导了大学生参加iGEM竞赛，教材中也融入了编者多年从事合成生物学的教学内容、科研成果和体验。

作为一本系统性总结和阐述合成生物学理念、理论、方法和工程应用的教材，本书适用于生物类、化工类、环境类、医药类专业的高年级本科生和研究生教学，相信对从事生物、医药、化工、能源、资源和环境等领域的科技工作者也有裨益。

前言

合成生物学（synthetic biology）是以生物学、化学工程、电子工程、信息学、计算科学等相关学科发展为基础的一门新兴多学科交叉会聚的工程学科。以工程化的设计理念，对生物系统进行有目标的设计、改造乃至重新合成，突破了生命发生与进化的自然法则，促进了对生物密码从“读”到“写”的质变，实现了由传统的“格物致知”向“建物致知”转化。基于工程学理念的合成生物学，采用标准化的生物元件和基因线路，在理性设计原则指导下组装并合成新的、具有特定功能的生物系统。

合成生物学的概念与定义经历了三个典型的认识阶段。

1911年分别发表在“Science”和“Lancet”杂志的三篇文章中出现synthetic biology（合成生物学）一词，那时是合成化学发展的黄金时期，但化学家们一直很欣赏生物体合成各种化合物的能力，尤其是结构复杂、多手性的天然产物和药物分子。这个时期提出的synthetic biology（合成生物学）仅仅是探秘生物体合成化合物的强大能力，这应该是合成生物学概念发展的第一个认识阶段，是挖掘自然界已存在的生物系统和功能。

随着生物中心法则的奠定，以DNA重组技术为标志的基因工程技术的快速发展，深刻地改变着我们的生活方式和质量。1980年在德文刊物上第一次以《基因外科术：合成生物学的开始》为题阐述了基因工程在医学领域的突破与重大贡献，体现了人类通过基因的剪裁和重组以解决生存和健康问题，实现了生物体局部相关性能的改进与优化，这应该是合成生物学概念发展的第二个认识阶段，实现了从分子基因层面上改良现有生物系统和功能。

自2000年以来，synthetic biology（合成生物学）一词在学术刊物及互联网上逐渐大量出现，其内涵也发生了质的变化。美国加州大学伯克利分校化学工程系教授Jay D. Keasling认为合成生物学是用“生物学”进行工程化，就如用“物理学”进行电子工程、用“化学”进行化学工程一样，是典型的以工程化理念思考与设计生物系统。哈佛大学医学院教授George Church认为合成生物学是利用确定的“零件”进行新生物系统的工程设计与组装。维基百科关于合成生物学的解释为：合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、生产能源、提供食物、保持和增强人类健康以及改善我们的环境。总之，在工程化理念的指导下，围绕构建生物元件和基因线路库，设计、构建、验证和再学习过程以创造新的生物系统和功能是合成生物学的核心所在，也是合成生物学概念发展的第三个认识阶段，强调“设计”和“重设计”，模拟预测和人工合成以创造新的生物系统和功能。

2004年美国麻省理工学院（MIT）出版的“Technology Review”将合成生物学评为将改变世界的10大新出现的技术之一（10 Emerging Technologies That Will Change Your World）。合成生物学的发展还要感谢MIT的一群睿智、大胆、充满好奇想象的学习化学工程、电子工程和生命科学的大学生，他们的头脑风暴和变革生命研究过程的冲劲，启动并推进了以合成生物学为理念的“国际遗传工程机器竞赛”（International Genetically Engineered Machine Competition, iGEM）的发展和成熟，目前这项国际赛事每年都有超过50个国家的400多支队伍的6000多人采用竞赛的形式试图回答合成生物学中的核心问题——能否通过顶层设计在活细胞中使用可互换的标准化元件、基因线路来构建新的生物系统，并且加以操纵拼装、预测和测量，从而尝试解决人类面临的健康、资源、能源、环境和安全领域的棘手问题。

目前，我国正处于建设创新型国家的决定性阶段，同时面对人口老龄化、粮食安全、资源环境约束等严峻挑战。转变发展方式、走新型工业化道路，迫切需要新型生物技术以支撑工业、农业、医药等领域的产业变革。开展合成生物学的教学和人才培养，促进生物技术颠覆性创新，是我国经济社会可持续发展的重大战略需求，并将使我国在新一轮生物科技革命与国际竞争中赢得先机。基于多学科交叉融合与大数据利用，合成生物学已成为可预测、可工程化的科学，使设计生物系统为人类服务成为可能，在生物技术颠覆式创新方面展现了无限的潜力，有望为破解人类面临的资源、能源、健康、环境、国防等领域重大挑战提供新的解决方案，对于保障经济社会可持续发展、支撑国家建设与国家安全具有重大战略意义。

鉴于合成生物学的快速发展与应用需求，北京理工大学的李春教授邀请了来自北京理工大学、清华大学、天津大学、中国科学院深圳先进技术研究院和北京化工大学等相关高校教师组织编写了这本《合成生物学》教材，内容涉及：合成生物学概述、合成生物学原理、合成生物系统的基因线路、合成生物系统的设计与组装、合成生物系统的调控与优化、无细胞合成生物系统、合成生物学建模与计算机辅助工具、合成生物学的应用、合成生物学引发的新浪潮与颠覆共九章。编者大都在各自大学里开设合成生物学课程并开展相关领域的人才培养工作，组建并指导了大学生参加iGEM竞赛，教材中也融入了编者多年从事合成生物学的教学内容、科研成果和体验。

作为一本系统性总结和阐述合成生物学理念、理论、方法和工程应用的教材，本书适用于生物类、化工类、环境类、医药类专业的高年级本科生和研究生的教学，相信对从事生物、医药、化工、能源、资源和环境等领域的科技工作者也有裨益。

尽管本教材经历了三年多的筹划组织、编写研讨、校稿提升等环节，得到了很多合成生物学领域同行的大力支持，但由于该领域发展迅猛，编者的视野、水平有限，教材中难免有疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正！我们会在后续的更新完善中不断提高。

编者

2019年6月