目錄
第1章 材料合成生物學概述 1
1.1 材料合成生物學的發(fā)展和概念 1
1.2 材料合成生物學研究范疇 3
1.3 材料合成生物學全球布局 5
1.3.1 美國：戰(zhàn)略引領與系統(tǒng)性投入 5
1.3.2 歐盟：政策驅動與產業(yè)轉型 6
1.3.3 德國：基礎研究與應用轉化并重 7
1.3.4 中國：國家戰(zhàn)略持續(xù)布局 8
1.4 全書脈絡 8
參考文獻 8
第2章 聚乳酸材料 10
2.1 聚乳酸的材料特性 10
2.1.1 熱性能與機械性能 10
2.1.2 影響材料性能的因素 11
2.1.3 綠色特性 12
2.2 聚乳酸的應用領域 12
2.2.1 包裝材料 12
2.2.2 醫(yī)療材料 13
2.2.3 農業(yè)材料 14
2.2.4 紡織品和服裝材料 14
2.2.5 3D打印材料 14
2.3 聚乳酸的胞外合成 15
2.3.1 乳酸單體的生物合成途徑 16
2.3.2 化學催化乳酸聚合成聚乳酸 21
2.4 聚乳酸的胞內合成 22
2.4.1 聚乳酸的胞內合成途徑和代謝途徑優(yōu)化 22
2.4.2 聚乳酸胞內合成的關鍵酶 24
2.4.3 聚乳酸胞內合成的碳源選擇 27
2.4.4 胞內聚乳酸產物的分離純化與檢測 28
2.4.5 聚乳酸胞內合成的主要挑戰(zhàn)和研究方向 30
2.5 聚乳酸的改性賦能 31
2.5.1 微生物法合成聚（乳酸-co-3-羥基丁酸酯） 31
2.5.2 其他單體與乳酸共聚 36
2.6 聚乳酸材料的挑戰(zhàn)和限制 37
2.6.1 生產成本和經濟可行性 38
2.6.2 性能和應用范圍的限制 38
2.6.3 市場接受度和消費者意識 39
2.7 聚乳酸材料的創(chuàng)新和發(fā)展 40
2.7.1 生物聚合技術的進步 40
2.7.2 未來的潛在應用 41
2.8 總結與展望 43
參考文獻 43
第3章 聚羥基脂肪酸酯（PHA）材料 52
3.1 PHA概述 52
3.1.1 PHA的組成和結構 53
3.1.2 PHA的性質 54
3.1.3 PHA的應用 55
3.2 PHA的生產 58
3.2.1 PHA的生物合成途徑 58
3.2.2 PHA的生產工藝 60
3.3 PHA材料的定制化合成 61
3.3.1 基于假單胞菌的中長鏈/功能化PHA的定制化合成 61
3.3.2 短鏈PHA的定制化合成 64
3.4 PHA材料的低成本生產 69
3.4.1 傳統(tǒng)工業(yè)生物技術與下一代工業(yè)生物技術 69
3.4.2 基于嗜鹽微生物的下一代工業(yè)生物技術 70
3.4.3 嗜鹽微生物的合成生物學改造以實現(xiàn)多種PHA的高效生產 73
3.5 PHA材料的低成本產業(yè)化生產 76
3.6 總結與展望 78
參考文獻 79
第4章 重組膠原蛋白材料 87
4.1 膠原蛋白概述 87
4.1.1 膠原蛋白的結構 87
4.1.2 膠原蛋白的類型 89
4.1.3 膠原蛋白的合成與降解 90
4.2 重組膠原蛋白概述 92
4.2.1 重組膠原蛋白的發(fā)展 93
4.2.2 重組膠原蛋白的特點 94
4.2.3 重組膠原蛋白的分類 95
4.3 重組膠原蛋白的生物制造 95
4.3.1 重組膠原蛋白表達體系的構建 95
4.3.2 重組膠原蛋白生產菌株的發(fā)酵調控 98
4.3.3 重組膠原蛋白的分離純化 101
4.4 重組膠原蛋白的應用 102
4.4.1 骨修復材料 103
4.4.2 創(chuàng)面修復敷料 103
4.4.3 角膜基質再生材料 104
4.4.3 藥物輸送 105
4.4.4 蛋白質替代療法 105
4.4.5 皮膚醫(yī)學 106
4.5 總結與展望 107
參考文獻 108
第5章 絲蛋白材料 113
5.1 絲蛋白概述 113
5.2 蛛絲蛋白分類與結構特性 115
5.3 蛛絲蛋白的異源合成 119
5.3.1 蛛絲蛋白異源合成的技術挑戰(zhàn) 119
5.3.2 絲蛋白的結構與性質關系 120
5.3.3 絲蛋白合成的細胞工廠構建 123
5.3.4 重組絲蛋白的性能提升 127
5.4 重組絲蛋白的體外組裝形式 131
5.4.1 絲蛋白纖維 131
5.4.2 絲蛋白凝膠 134
5.4.3 絲蛋白3D支架 135
5.4.4 絲蛋白靜電紡絲納米纖維 136
5.4.5 絲蛋白活體材料 137
5.4.6 絲蛋白其他組裝形式 138
5.5 絲蛋白潛在應用領域 139
5.5.1 醫(yī)學領域 139
5.5.2 軍事與航空領域 142
5.5.3 紡織領域 143
5.5.4 其他領域 144
5.6 絲蛋白產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 145
5.7 總結與展望 147
參考文獻 147
第6章 抗凍蛋白材料 158
6.1 抗凍蛋白 158
6.1.1 抗凍蛋白的來源 159
6.1.2 抗凍蛋白的功能 160
6.1.3 抗凍蛋白的結構 161
6.2 抗凍機理 167
6.2.1 抗凍蛋白擾動水分子 168
6.2.2 抗凍蛋白與冰晶結合 169
6.3 抗凍蛋白模擬物 172
6.3.1 功能仿抗凍蛋白材料 173
6.3.2 結構仿抗凍蛋白材料 175
6.4 抗凍（糖）蛋白的應用 178
6.4.1 抗凍（糖）蛋白在食品工業(yè)中的應用 178
6.4.2 抗凍（糖）蛋白在細胞冷凍保存中的應用 179
6.4.3 抗凍（糖）蛋白在涂層方面的應用 180
6.4.4 抗凍（糖）蛋白在冰純化方面的應用 181
6.5 總結與展望 182
參考文獻 182
第7章 模塊化的重組蛋白質材料 191
7.1 蛋白質材料概述 191
7.2 天然蛋白質材料 193
7.2.1 自然界中的蛋白質材料 193
7.2.2 天然蛋白質材料的局限性 195
7.3 蛋白質材料構建基元的設計 196
7.3.1 定向進化策略 196
7.3.2 理性設計 200
7.3.3 模塊化設計與重組蛋白技術 205
7.4 蛋白質材料的組裝技術 210
7.4.1 蛋白質的分級組裝與自組裝 211
7.4.2 蛋白質組裝中的相互作用 216
7.4.3 人工智能輔助蛋白質材料設計 222
7.5 總結與展望 223
參考文獻 224
第8章 蛋白質水凝膠材料 233
8.1 蛋白質水凝膠概述 234
8.1.1 蛋白質水凝膠的種類 234
8.1.2 不同種類蛋白質特性對水凝膠性質的影響 236
8.2 蛋白質水凝膠的交聯(lián)方法及網絡構象 237
8.2.1 化學交聯(lián)方法 237
8.2.2 物理交聯(lián)方法 240
8.2.3 交聯(lián)網絡構象變化與環(huán)境響應 241
8.3 蛋白質水凝膠的物理力學特性 244
8.3.1 水凝膠的物理特性 244
8.3.2 水凝膠的機械性能 245
8.3.3 影響水凝膠物理力學特性的因素 246
8.4 蛋白質水凝膠在生物醫(yī)藥中的應用 249
8.4.1 藥物遞送 249
8.4.2 細胞培養(yǎng) 252
8.4.3 組織工程 256
8.4.4 其他應用 260
8.5 總結與展望 264
參考文獻 266
第9章 可控分子量透明質酸材料 277
9.1 透明質酸概述 277
9.2 透明質酸的合成 278
9.2.1 透明質酸的合成途徑 278
9.2.2 透明質酸合酶與透明質酸糖鏈聚合 279
9.3 透明質酸的酶法降解 281
9.3.1 透明質酸的降解 281
9.3.2 水蛭透明質酸酶基因的序列鑒定及在畢赤酵母中的重組表達 282
9.4 低分子量透明質酸的酶催化生產 284
9.4.1 低分子量透明質酸的生產方法 284
9.4.2 水蛭透明質酸酶酶解制備低分子量透明質酸與寡聚糖 285
9.5 透明質酸可控分子量生物合成 293
9.5.1 超高分子量透明質酸的生物合成 293
9.5.2 中高分子量透明質酸的發(fā)酵生產 298
9.5.3 低分子量透明質酸的一步發(fā)酵生產 300
9.6 總結與展望 311
參考文獻 312
第10章 細菌纖維素材料 315
10.1 細菌纖維素的來源與合成 315
10.1.1 細菌纖維素的來源 315
10.1.2 細菌纖維素的合成 316
10.2 細菌纖維素的發(fā)酵工藝 320
10.2.1 微環(huán)境對細菌纖維素合成的影響 320
10.2.2 發(fā)酵方式對細菌纖維素合成的影響 322
10.3 細菌纖維素的代謝工程改造 324
10.3.1 細菌纖維素的代謝通路 324
10.3.2 調控細菌纖維素合成的遺傳工具 326
10.3.3 定向改造細菌纖維素的合成 328
10.4 細菌纖維素功能復合材料的改性方式 331
10.4.1 非原位改性 332
10.4.2 原位改性 333
10.5 細菌纖維素功能復合材料的應用領域 338
10.5.1 油水分離領域 338
10.5.2 傷口敷料領域 339
10.5.3 生物傳感領域 340
10.6 總結與展望 342
參考文獻 342
第11章 核酸材料 349
11.1 核酸分子與核酸材料 349
11.1.1 核酸分子結構基礎 349
11.1.2 核酸分子生物活性 352
11.1.3 核酸材料的優(yōu)勢 354
11.2 核酸材料構建策略 354
11.2.1 基于DNA單鏈的模塊組裝 355
11.2.2 基于DNA納米結構的模塊組裝 356
11.2.3 熱穩(wěn)定聚合酶鏈反應 357
11.2.4 滾環(huán)擴增 358
11.2.5 雜交鏈反應 360
11.2.6 雜化組裝 361
11.2.7 DNA折紙技術 362
11.3 核酸材料的種類 362
11.3.1 核酸水凝膠 362
11.3.2 納米核酸材料 367
11.3.3 雜化納米核酸材料 369
11.4 核酸材料的應用 371
11.4.1 細胞和外泌體的特異分離 371
11.4.2 生物信號檢測 372
11.4.3 細胞調控 374
11.4.4 生物成像 375
11.4.5 疾病治療 377
11.5 總結與展望 383
參考文獻 384
第12章 細菌合成納米材料及半人工光合作用 387
12.1 細菌合成納米材料概述 387
12.1.1 細菌合成磁小體 388
12.1.2 細菌合成量子點 393
12.1.3 細菌合成其他無機納米材料 401
12.1.4 潛在挑戰(zhàn) 405
12.2 半人工光合作用 407
12.2.1 半人工光合作用概述 407
12.2.2 半人工光合體系構建 409
12.2.3 半人工光合體系優(yōu)化與應用的潛在挑戰(zhàn) 414
12.2.4 系統(tǒng)性優(yōu)化半人工光合體系 423
12.3 總結與展望 426
參考文獻 427
第13章 生物納米傳感材料 440
13.1 一維生物納米傳感材料 441
13.1.1 多肽及蛋白質納米線的制備 441
13.1.2 多肽及蛋白質納米線的功能化 443
13.1.3 多肽及蛋白質類納米線與生物傳感 444
13.2 二維生物納米傳感材料 446
13.2.1 細菌S層簡介 446
13.2.2 S-層的功能化 447
13.2.3 S層與生物傳感 448
13.3 三維生物納米傳感材料 451
13.3.1 蛋白納米籠 451
13.3.2 生物納米囊泡 459
13.4 總結與展望 466
參考文獻 468
第14章 運用合成生物技術開發(fā)活體材料 476
14.1 自然界中的活體材料 478
14.1.1 病毒中的活體材料體系 479
14.1.2 微生物中的活體材料體系 480
14.1.3 植物中的活體材料體系 485
14.1.4 動物中的活體材料體系 487
14.2 工程活體材料設計中的合成生物學要素 488
14.2.1 基因元件與線路 488
14.2.2 功能模塊 490
14.2.3 底盤細胞 492
14.3 工程活體材料的合成生物技術設計 493
14.3.1 重構材料模塊以定制活體材料功能 493
14.3.2 通過整合基因線路設計響應型活體材料 501
14.3.3 通過多細胞協(xié)作制備活體材料 507
14.4 先進合成生物技術在未來活體材料開發(fā)中的潛力 511
14.4.1 基因編輯技術 511
14.4.2 定向進化技術 512
14.4.3 定量合成技術 513
14.4.4 合成細胞技術 513
14.5 總結與展望 513
參考文獻 514
第15章 工程活體治療材料 523
15.1 工程活體治療材料簡介 523
15.2 工程活體治療材料組分選擇與設計 523
15.2.1 活體治療材料中的非活體組分的功能性設計 523
15.2.2 活體治療材料的生物制造 524
15.3 工程活體治療材料前沿應用 527
15.3.1 活體治療材料在代謝疾病中的應用 527
15.3.2 活體治療材料在炎癥性腸病中的應用 528
15.3.3 活體治療材料在腫瘤治療中的應用 530
15.3.4 活體治療材料在組織器官修復中的應用 531
15.4 總結與展望 533
參考文獻 535
第16章 活體雜化材料 539
16.1 活體雜化材料的制備策略 540
16.1.1 化學工程技術 540
16.1.2 物理工程技術 543
16.1.3 生物工程技術 545
16.1.4 其他新興工程技術 546
16.2 活體雜化材料的功能特性 548
16.2.1 自修復與功能再生 548
16.2.2 動態(tài)組裝結構 548
16.2.3 界面催化作用 550
16.2.4 數(shù)據(jù)保存及應用 551
16.2.5 磁電效應 553
16.2.6 群體組織與調控 554
16.2.7 環(huán)境感知及響應 556
16.2.8 生物降解 558
16.2.9 其他 559
16.3 活體雜化材料的應用領域 561
16.3.1 生物醫(yī)學領域 561
16.3.2 環(huán)保與生態(tài)領域 562
16.3.3 活性結構材料領域 563
16.3.4 其他領域 563
16.4 總結與展望 565
參考文獻 566
第17章 工程活體建筑材料 573
17.1 工程活體建筑材料概述 573
17.1.1 歷史演變與當代相關性 574
17.1.2 活體建筑材料的生物基礎 575
17.2 工程活體建筑材料類型 578
17.2.1 活體建筑材料常用生物細胞概述 578
17.2.2 活體建筑材料常用生物細胞的屬性和應用 579
17.3 工程活體建筑材料生產與加工技術 582
17.3.1 活體建筑材料構筑單元培養(yǎng) 583
17.3.2 提高強度和耐久性的處理方法 584
17.3.3 性能評估與質量標準化 585
17.4 工程活體建筑材料可持續(xù)性與環(huán)境影響 586
17.4.1 對生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性、碳足跡和資源效率的影響 586
17.4.2 生命周期分析和循環(huán)經濟 587
17.5 應用案例研究 588
17.5.1 真菌磚 588
17.5.2 細菌混凝土 590
17.5.3 藻類活體磚塊 591
17.6 主要挑戰(zhàn)及解決方案 592
17.6.1 主要挑戰(zhàn) 592
17.6.2 解決方案 593
17.7 總結與展望 594
參考文獻 595
第18章 工程活體能源材料 598
18.1 工程活體能源材料概述 598
18.2 能量轉換生物模塊 600
18.2.1 能量轉換蛋白 600
18.2.2 能量轉換細胞器 605
18.2.3 能量轉換生命體 608
18.3 工程活體能源材料應用范疇 610
18.3.1 光能到電能轉換 610
18.3.2 光能到化學能轉換 612
18.3.3 光能到光能轉換 614
18.3.4 化學能到電能轉換 615
18.3.5 化學能到光能轉換 618
18.3.6 化學能到機械能轉換 619
18.3.7 電能到化學能轉換 620
18.3.8 磁能到熱能轉換 621
18.3.9 磁能到機械能轉換 622
18.3.10 機械能到電能轉換 623
18.3.11 聲能到機械能轉換 624
18.3.12 可用于工程活體能源材料的基因線路 625
18.4 總結與展望 628
參考文獻 628
第19章 活體材料加工制造 633
19.1 活體材料的分類 634
19.2 活體材料加工制造的構筑單元 635
19.2.1 生命組分的設計與選擇 635
19.2.2 非生命組分的設計與選擇 635
19.3 活體材料加工制造的方法學 641
19.3.1 原位反應 641
19.3.2 自組裝 643
19.3.3 靜電紡絲 645
19.3.4 涂層法 646
19.3.5 封裝法 648
19.3.6 3D生物打印 650
19.4 活體材料加工制造的挑戰(zhàn)與展望 657
19.4.1 精準的生物過程調控 657
19.4.2 集成和兼容性問題 657
19.4.3 規(guī)�；�生產與成本管理 658
19.4.4 生物安全與倫理 658
參考文獻 659
第20章 材料合成生物學的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢 663