《生物技術(shù)與諾貝爾獎(jiǎng)》教材精心挑選重大前沿生物技術(shù)門類與諾貝爾獎(jiǎng)研究成果,按照生命科學(xué)的邏輯規(guī)律,根據(jù)DNA、RNA、蛋白質(zhì)、生物大分子、小分子代謝物、藥物化合物等不同層次之間的遞進(jìn)關(guān)系進(jìn)行內(nèi)容組織,并將重組蛋白、mRNA疫苗、新冠病毒核酸檢測、癌癥的基因治療、X射線衍射技術(shù)、人工智能、定制醫(yī)療、DNA存儲(chǔ)技術(shù)等眾多碎片化的前沿科技知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)整合成系統(tǒng)的生命科學(xué)知識網(wǎng)絡(luò)。本教材大量引用大師級經(jīng)典學(xué)術(shù)成果,涵蓋近百位諾貝爾獎(jiǎng)得主的重要科學(xué)貢獻(xiàn),包括醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)等;同時(shí)融合了貼近生活、改善民生的科技革新事例,以及歷年諾獎(jiǎng)得主真實(shí)有趣的人生故事。書中還以知識框?qū)ο嚓P(guān)拓展知識進(jìn)行扼要介紹,通過問一問啟發(fā)讀者進(jìn)一步思考;也配套了諾獎(jiǎng)小故事;還以二維碼形式鏈接Rays平臺生物小動(dòng)畫及問一問答案等數(shù)字資源。本書是生物、醫(yī)學(xué)等專業(yè)的通識課和選修課教材,也可作為生物科普讀物供一般科技工作者閱讀參考。
通識教育意義重大,對于培養(yǎng)具備正確價(jià)值理念、完整知識體系、終身學(xué)習(xí)能力、健全人格素質(zhì)人才的重要作用不容忽視,F(xiàn)代生物技術(shù)的全球市場體系已經(jīng)非常成熟,生物經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)大規(guī)模不斷攀升的趨勢,在世界各國發(fā)展前景極為廣闊。為培養(yǎng)具有國際行業(yè)勝任力的復(fù)合型人才,助力未來工程科學(xué)家培養(yǎng)實(shí)踐,北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院生物化工研究所的教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)并長期講授通識課程生物技術(shù)與諾貝爾獎(jiǎng),廣泛圍繞包括化學(xué)工程與工藝、制藥工程、生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、信息與計(jì)算科學(xué)、材料化學(xué)、新能源、自動(dòng)化、智能制造工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理學(xué)、國際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易、公共事業(yè)管理、經(jīng)濟(jì)學(xué)、視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)等多個(gè)本科專業(yè)核心課的改革教材體系化建設(shè)而配套開展。每年本校選修該課的學(xué)生有百余名,另有通過五校共享課程的高校學(xué)生受惠。課程開設(shè)七年來受到熱烈歡迎,評教分?jǐn)?shù)均為優(yōu)秀。出版這樣一本貫通式人才培養(yǎng)的通識教材,是高等院校復(fù)合型育人教學(xué)改革體系亟需的一環(huán)。本書面向所有專業(yè)的高校師生和素質(zhì)教育工作者,也面向渴望深入了解生物技術(shù)的中學(xué)生、中學(xué)教師和科普工作者,以及關(guān)心生物科技發(fā)展的政府部門決策者和熱衷生物技術(shù)領(lǐng)域的投資者。
我們這個(gè)富于國際化教育背景的教師團(tuán)隊(duì)精心編纂這本具有科學(xué)性和科普性的通識教材,極大地體現(xiàn)了本校多元融合一體化本科大類人才培養(yǎng)體系的辦學(xué)特色。眾所周知,作為當(dāng)今世界最重要的科學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng),諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果代表了人類科學(xué)研究的最大成就和最高水平。編者的切入點(diǎn)即把握生物技術(shù)與諾貝爾獎(jiǎng)之間的緊密聯(lián)系,精心挑選重大前沿生物技術(shù)門類與諾貝爾獎(jiǎng)研究成果,按照生命科學(xué)的邏輯規(guī)律,根據(jù)DNA、RNA、蛋白質(zhì)、生物大分子、小分子代謝物、藥物化合物等不同層次之間的遞進(jìn)關(guān)系進(jìn)行梳理,并將重組蛋白、mRNA疫苗、新冠病毒核酸檢測、癌癥的基因治療、X射線衍射技術(shù)、人工智能、定制醫(yī)療、DNA存儲(chǔ)技術(shù)等眾多碎片化的前沿科技知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來,整合成為系統(tǒng)的生命科學(xué)知識網(wǎng)絡(luò)。本書精心設(shè)計(jì)的邏輯架構(gòu)系統(tǒng)歸納了生物技術(shù)的發(fā)展規(guī)律,使讀者收獲經(jīng)典科學(xué)知識的內(nèi)化和科學(xué)思維能力的提升。
編者通過敲開科學(xué)硬殼,讓讀者秒懂高科技,同時(shí)將科學(xué)家趣聞故事與科學(xué)技術(shù)知識融為一體來展示。本書內(nèi)容豐富有趣,結(jié)構(gòu)層次分明,系統(tǒng)性強(qiáng),前沿性強(qiáng);既有邏輯清晰的科學(xué)原理解析,又有針對具體生物技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用;大量引用大師級經(jīng)典學(xué)術(shù)貢獻(xiàn),涵蓋近百位諾貝爾獎(jiǎng)得主的重要科學(xué)貢獻(xiàn),包括生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)等;同時(shí)融合了貼近生活、改善民生的科技革新事例,以及歷年諾獎(jiǎng)得主真實(shí)有趣的人生故事。旨在為讀者搭建一個(gè)通過認(rèn)識諾貝爾獎(jiǎng)而領(lǐng)略重大科學(xué)原理的橋梁,展示支撐全球萬億美元級別生物經(jīng)濟(jì)的技術(shù)核心,反映現(xiàn)代多學(xué)科交叉融合的全景風(fēng)貌;有助于廣大讀者開闊視野,收獲頂尖的科學(xué)思維方式,獲得深化思考訓(xùn)練,提高洞察力和鑒別力,并激發(fā)更廣闊的想象力。
編者經(jīng)過三年深耕和十輪修訂,創(chuàng)新性地出版了這本具有獨(dú)特科學(xué)視角、完整知識體系及深入實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)效果的科普性教材,是以學(xué)生為中心教學(xué)實(shí)踐的產(chǎn)物;可配套高等院校工程教育融合課程體系的通識教育建設(shè)。書籍富有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)特征與新穎的時(shí)代特征,深入淺出地介紹了以生物技術(shù)為中心輻射到醫(yī)藥健康、能源化工、工程設(shè)計(jì)、智能制造、國際經(jīng)濟(jì)與政策等各領(lǐng)域的諾獎(jiǎng)成果,旨在激發(fā)廣大學(xué)子對科學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)的興趣和熱情,提升大眾讀者的判斷力和認(rèn)知度,以世界最負(fù)盛名的諾貝爾獎(jiǎng)激勵(lì)讀者爭當(dāng)未來創(chuàng)新型科技人才,在科學(xué)探索的道路上實(shí)踐創(chuàng)新,普遍提升中華民族的科學(xué)素養(yǎng)和科技水平。
衷心感謝我的恩師中國科學(xué)院院士朱玉賢教授和我們生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)(iBTSynBios)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人清華大學(xué)/北京理工大學(xué)李春教授欣然為本書作序!植物生理學(xué)家、武漢大學(xué)高等研究院院長、北京大學(xué)教授朱玉賢院士以他奮發(fā)勇毅的科學(xué)家精神激勵(lì)我在編纂本書的過程中不畏困難、堅(jiān)持不懈。李春教授作為清華大學(xué)長聘教授、工業(yè)生物催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心副主任對于本書的架構(gòu)和建設(shè)起到了至關(guān)重要的作用。
非常感謝生物技術(shù)與諾貝爾獎(jiǎng)?wù)n程全體教師團(tuán)隊(duì)多年來的相互扶持、共同努力!特別感謝北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院的優(yōu)秀青年學(xué)子們(張鐘妮、趙容慧、楊睆洲、趙天任、鄭儒雅、汪阿力·巴合提、黃丹妮、李佳林、荊坤、呂沛宣、王帥、李敬知、王四喜、劉銳辰、付嘉琦、曹佳敏、權(quán)容翠、曾睿騰、楊智欽、岳華梁、開鈺琪等同學(xué))查閱文獻(xiàn)、搜集素材、繪制圖表、制作動(dòng)畫,為本書增色添彩!最后,懇請廣大讀者積極反饋、批評指正,以便本書在未來的再版修訂中不斷進(jìn)步!
李珺
2024年冬月于北京
李珺,北京理工大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師。作為副主編出版的教材《合成生物學(xué)》榮獲中國石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀出版物獎(jiǎng)(教材獎(jiǎng)一等獎(jiǎng))。日常負(fù)責(zé)面向所有本科生的合成生物學(xué)俱樂部,舉辦俱樂部的宣講與招新,鼓勵(lì)本科生團(tuán)隊(duì)積極參加iGem國際遺傳機(jī)器大賽互聯(lián)網(wǎng) 挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽;負(fù)責(zé)主持國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室北理工-女王大學(xué)中英合成生物學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(BIT-QUB iSynBio Lab)的建設(shè),探索生物化工國際化培養(yǎng)合作平臺。在科研??,主要通過合成生物學(xué)的工程化思想對微生物細(xì)胞的基因組進(jìn)行重編程的工作,建立新方法,獲得新菌株,有效提高產(chǎn)物產(chǎn)量同時(shí)降低生產(chǎn)成本。主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng),主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 合成生物學(xué) 專項(xiàng)、 綠色生物制造 專項(xiàng)各1項(xiàng),主持企業(yè)合作項(xiàng)目1項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文20篇。國家授權(quán)專利1項(xiàng)。
第1章 概論 1
1.1 諾貝爾獎(jiǎng)概述 2
1.1.1 諾貝爾其人與諾貝爾獎(jiǎng) 2
1.1.2 諾貝爾獎(jiǎng)的評選和頒發(fā) 3
1.1.3 諾貝爾獎(jiǎng)探索生命奧秘 5
1.2 生物技術(shù)的進(jìn)步 6
1.2.1 中心法則的逐步確立 6
1.2.2 諾貝爾獎(jiǎng)與生命科學(xué)發(fā)展 8
1.2.3 諾貝爾獎(jiǎng)與生物技術(shù)進(jìn)步 10
1.3 生物經(jīng)濟(jì)與全球政策 15
1.3.1 華人科學(xué)家與其他重要獎(jiǎng)項(xiàng) 15
1.3.2 中國生物經(jīng)濟(jì)與政策規(guī)劃 16
1.3.3 國際生物經(jīng)濟(jì)與政策規(guī)劃 17
第2章 DNA生物信息的載體 21
2.1 生物信息的起源 22
2.1.1 DNA的發(fā)現(xiàn) 22
2.1.2 DNA的自我復(fù)制 23
2.1.3 基因的存在形式 23
2.1.4 DNA的螺旋結(jié)構(gòu) 23
2.2 DNA測序技術(shù) 24
2.2.1 桑格測序 25
2.2.2 第二代測序技術(shù) 26
2.2.3 第三代測序技術(shù) 27
2.3 DNA的修飾和改造 28
2.3.1 DNA擴(kuò)增技術(shù)PCR 28
2.3.2 定點(diǎn)突變技術(shù) 31
2.3.3 可移動(dòng)的遺傳元件 32
2.3.4 DNA的修復(fù)機(jī)制 32
2.3.5 基因的靶向修飾 34
2.3.6 CRISPR基因組編輯技術(shù) 35
2.4 DNA的化學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)科應(yīng)用 37
2.4.1 DNA的合成技術(shù) 37
2.4.2 DNA的數(shù)字化存儲(chǔ) 37
第3章 RNA遺傳信息的傳遞者 43
3.1 RNA家族 44
3.2 RNA病毒的一生轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄和翻譯 46
3.2.1 逆轉(zhuǎn)錄病毒與轉(zhuǎn)錄 47
3.2.2 自我增殖病毒和翻譯 49
3.3 遺傳密碼RNA奉行的真理 53
3.3.1 密碼子的破譯 54
3.3.2 密碼子的性質(zhì) 56
第4章 蛋白質(zhì)生物信息的表達(dá) 59
4.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 60
4.1.1 一級結(jié)構(gòu) 62
4.1.2 二級結(jié)構(gòu) 62
4.1.3 三級結(jié)構(gòu) 62
4.1.4 四級結(jié)構(gòu) 62
4.2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和解析 62
4.3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測 67
4.3.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的發(fā)展 67
4.3.2 從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測到創(chuàng)造蛋白質(zhì) 70
4.4 生物節(jié)律 73
4.4.1 生物節(jié)律的發(fā)現(xiàn) 73
4.4.2 蛋白質(zhì)與生物節(jié)律相關(guān)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用 75
4.5 端粒和端粒酶 76
4.5.1 端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn) 76
4.5.2 端粒與長壽和衰老 79
4.6 蛋白質(zhì)與健康 82
4.6.1 人造肉與天然肉 83
4.6.2 疾病的治療 85
第5章 觀察生物大分子的眼睛 90
5.1 生命現(xiàn)象的本質(zhì)生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能 91
5.1.1 蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能 94
5.1.2 核酸分子的結(jié)構(gòu)與功能 96
5.1.3 天作之合蛋白質(zhì)與核酸(剪不斷,理還亂的關(guān)系) 96
5.2 生物大分子分析技術(shù)工欲善其事,必先利其器 97
5.2.1 X射線衍射最早看到了生物大分子的光學(xué)探測方法 97
5.2.2 質(zhì)譜、核磁共振譜一級結(jié)構(gòu)與三維結(jié)構(gòu) 103
5.2.3 電子顯微鏡讓生物大分子的模樣更清晰可見 107
5.2.4 冷凍電鏡技術(shù) 109
第6章 生物小分子 115
6.1 生物小分子的重要作用 116
6.1.1 抗瘧之旅青蒿素的發(fā)現(xiàn) 116
6.1.2 人體為什么需要維生素? 120
6.2 生物小分子的合成與代謝 128
6.2.1 生命活動(dòng)的能量從何而來糖酵解途徑 128
6.2.2 物質(zhì)代謝與能量代謝的樞紐三羧酸循環(huán) 130
6.3 生物小分子的合成與應(yīng)用 134
6.3.1 膽固醇是壞分子嗎膽固醇的合成與應(yīng)用 134
6.3.2 脂肪酸是如何獲得的?脂肪酸的合成與應(yīng)用 137
6.3.3 微生物變身大藥房天然產(chǎn)物的合成與應(yīng)用 138
第7章 藥物的發(fā)現(xiàn) 142
7.1 自然界的瑰寶 143
7.1.1 古時(shí)醫(yī)藥的出現(xiàn) 143
7.1.2 微生物與疾病關(guān)聯(lián)的發(fā)現(xiàn) 143
7.1.3 青霉素的發(fā)現(xiàn)拉開抗生素時(shí)代的大幕 147
7.2 走向設(shè)計(jì)藥物 148
7.2.1 砷凡納明的發(fā)明 148
7.2.2 失敗了的設(shè)計(jì)藥物齊多夫定 149
7.2.3 一氧化氮與西地那非、硝化甘油 150
7.2.4 氣體遞質(zhì) 151
7.3 重大疾病的攻克 151
7.3.1 抗高血壓藥物設(shè)計(jì) 151
7.3.2 曾經(jīng)的絕癥癌癥 153
7.3.3 阿爾茨海默病是不是絕癥? 155
7.4 未來人工智能理性設(shè)計(jì)藥物? 156