第1章 合成生物系統(tǒng)緒論 001 1.1 合成生物系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)控范圍 002 1.1.1 合成生物系統(tǒng)調(diào)控元件 003 1.1.2 生物網(wǎng)絡(luò)與基因線路系統(tǒng) 004 1.1.3 合成體系與底盤細(xì)胞 005 1.1.4 合成群落系統(tǒng) 006 1.2 合成生物系統(tǒng)調(diào)控層次 007 1.2.1 DNA水平調(diào)控與優(yōu)化 007 1.2.2 RNA水平調(diào)控與優(yōu)化 011 1.2.3 蛋白質(zhì)水平調(diào)控與優(yōu)化 012 1.2.4 代謝物水平調(diào)控與優(yōu)化 013 1.2.5 代謝網(wǎng)絡(luò)水平調(diào)控與優(yōu)化 014 1.2.6 細(xì)胞整體水平調(diào)控與優(yōu)化 015 1.3 合成生物系統(tǒng)調(diào)控面臨的挑戰(zhàn) 016 1.3.1 高性能元件的挖掘 016 1.3.2 元件標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化 017 1.3.3 系統(tǒng)輸出噪聲處理 017 1.4 參考文獻(xiàn) 018 第2章 細(xì)胞分裂的光遺傳調(diào)控技術(shù) 019 2.1 光遺傳調(diào)控元件概述 020 2.1.1 LOV結(jié)構(gòu)域 020 2.1.2 光敏色素 023 2.1.3 隱花色素 024 2.1.4 BLUF結(jié)構(gòu)域 025 2.2 光遺傳調(diào)控的應(yīng)用場(chǎng)景 026 2.2.1 調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)通路 026 2.2.2 建立精準(zhǔn)基因編輯 028 2.2.3 改變目標(biāo)蛋白質(zhì)活性 030 2.2.4 調(diào)控細(xì)胞生理活動(dòng) 032 2.2.5 調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄起始 032 2.3 光遺傳調(diào)控策略及原理 035 2.3.1 光控Cre/loxP 035 2.3.2 光控CRISPR-Cas9 036 2.3.3 光控CRISPRi 038 2.3.4 光控Opto-T7RNAP 039 2.3.5 光控OptoLAC 039 2.4 光遺傳調(diào)控線路目前存在的技術(shù)問題與解決思路 040 2.4.1 光響應(yīng)元件與宿主的兼容性 041 2.4.2 光穿透性和光毒性問題 041 2.4.3 系統(tǒng)泄漏表達(dá)和響應(yīng)速度慢問題 041 2.5 應(yīng)用案例：光遺傳調(diào)控細(xì)胞形態(tài)用于化學(xué)品的生產(chǎn) 042 2.5.1 篩選細(xì)胞分裂基因 043 2.5.2 構(gòu)建控制細(xì)胞分裂的光遺傳調(diào)控工具 046 2.5.3 縮短細(xì)胞分裂期提高乙偶姻生產(chǎn)強(qiáng)度 049 2.5.4 延長(zhǎng)細(xì)胞分裂期提高聚乳酸羥基丁酸的合成效率 051 2.6 參考文獻(xiàn) 054 第3章 細(xì)胞壽命的邏輯門調(diào)控技術(shù) 057 3.1 邏輯計(jì)算概述 058 3.1.1 邏輯門信號(hào)的輸入與輸出 058 3.1.2 邏輯門處理與計(jì)算 059 3.1.3 復(fù)雜邏輯門的自動(dòng)化設(shè)計(jì) 060 3.2 邏輯門的應(yīng)用場(chǎng)景 061 3.2.1 生物探針 061 3.2.2 多層信號(hào)調(diào)控 061 3.2.3 生物計(jì)算器 063 3.2.4 生物信號(hào)放大器 064 3.3 邏輯門基因線路調(diào)控策略及原理 067 3.3.1 轉(zhuǎn)錄水平邏輯門 067 3.3.2 翻譯水平邏輯門 068 3.3.3 蛋白質(zhì)水平邏輯門 069 3.4 邏輯門發(fā)展中目前存在的技術(shù)問題與解決思路 071 3.4.1 信號(hào)傳遞衰減問題 071 3.4.2 元件資源競(jìng)爭(zhēng)問題 072 3.4.3 追溯效力問題 073 3.5 應(yīng)用案例：邏輯門基因線路調(diào)節(jié)細(xì)胞壽命促進(jìn)化學(xué)品合成 074 3.5.1 篩選控制大腸桿菌時(shí)序壽命的靶點(diǎn) 074 3.5.2 調(diào)控大腸桿菌時(shí)序壽命強(qiáng)化丁酸生產(chǎn) 076 3.5.3 雙輸入與四輸出邏輯門狀態(tài)機(jī)器MRSM的構(gòu)建與驗(yàn)證 077 3.5.4 MRSM調(diào)控細(xì)胞時(shí)序壽命改善丁酸生產(chǎn) 082 3.5.5 篩選控制大腸桿菌復(fù)制壽命的靶點(diǎn) 086 3.5.6 調(diào)控大腸桿菌復(fù)制壽命生產(chǎn)PLH 090 3.5.7 雙輸出邏輯門狀態(tài)機(jī)器TRSM的構(gòu)建與驗(yàn)證 091 3.5.8 TRSM調(diào)節(jié)細(xì)胞復(fù)制壽命改善PLH生產(chǎn) 095 3.6 參考文獻(xiàn) 096 第4章 微生物群落工程調(diào)控細(xì)胞命運(yùn) 099 4.1 合成微生物群落概述 101 4.1.1 微生物相互作用類型 101 4.1.2 影響微生物群落的其他因素 102 4.2 合成微生物群落應(yīng)用場(chǎng)景 102 4.2.1 實(shí)現(xiàn)混合底物利用 103 4.2.2 降低宿主代謝負(fù)荷 104 4.2.3 建立代謝空間隔離 106 4.2.4 模塊優(yōu)化代謝路徑 107 4.2.5 合成微生物燃料電池 108 4.3 合成微生物群落調(diào)控策略及原理 108 4.3.1 菌群穩(wěn)定性調(diào)控 108 4.3.2 物種兼容性調(diào)控 109 4.3.3 菌群比例調(diào)控 110 4.4 微生物群落工程目前存在的技術(shù)問題與解決思路 111 4.4.1 精準(zhǔn)時(shí)空調(diào)控菌群組分問題 111 4.4.2 非模式微生物群落的設(shè)計(jì)問題 111 4.4.3 微生物群落的能量供給問題 111 4.5 應(yīng)用案例：微生物群落結(jié)構(gòu)控制強(qiáng)化化學(xué)品生產(chǎn) 112 4.5.1 裂解蛋白的挖掘與測(cè)試 112 4.5.2 程序化開關(guān)的構(gòu)建與調(diào)試 117 4.5.3 程序化裂解系統(tǒng)的組裝與測(cè)試 124 4.5.4 脂肪酸降解菌株和丁酸生產(chǎn)菌株的構(gòu)建 130 4.5.5 程序化裂解系統(tǒng)調(diào)控菌群結(jié)構(gòu)改善丁酸生產(chǎn) 132 4.6 參考文獻(xiàn) 137 第5章 靶蛋白降解調(diào)控代謝流分布 139 5.1 靶蛋白降解概述 140 5.1.1 靜態(tài)調(diào)控蛋白質(zhì)豐度 140 5.1.2 動(dòng)態(tài)調(diào)控蛋白質(zhì)豐度 142 5.2 靶蛋白降解的應(yīng)用場(chǎng)景 143 5.2.1 設(shè)計(jì)基因回路 143 5.2.2 協(xié)調(diào)細(xì)胞發(fā)育 145 5.3 靶蛋白降解調(diào)控策略及原理 146 5.3.1 基于泛素化-蛋白酶體的真核靶蛋白降解系統(tǒng) 146 5.3.2 基于溶酶體降解途徑的真核靶蛋白降解系統(tǒng) 148 5.3.3 基于蛋白質(zhì)N端原則的原核靶蛋白降解系統(tǒng) 149 5.4 靶蛋白降解目前存在的技術(shù)問題與解決思路 149 5.4.1 細(xì)胞資源占用問題 149 5.4.2 能量負(fù)荷高問題 150 5.5 應(yīng)用案例：蛋白質(zhì)基因回路的設(shè)計(jì)與微生物細(xì)胞代謝流調(diào)控應(yīng)用 150 5.5.1 發(fā)展蛋白質(zhì)豐度調(diào)控基本單元 150 5.5.2 設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)控回路 155 5.5.3 調(diào)節(jié)莽草酸激酶實(shí)現(xiàn)莽草酸低成本合成 158 5.5.4 設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)逆變器回路 161 5.5.5 控制葡萄糖攝入緩解碳代謝抑制 164 5.5.6 設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)振蕩器回路 166 5.5.7 優(yōu)化木糖內(nèi)酯水解酶表達(dá)提高木糖酸生產(chǎn)強(qiáng)度 169 5.6 參考文獻(xiàn) 173 第6章 區(qū)室化工程實(shí)現(xiàn)代謝路徑隔離 175 6.1 區(qū)室化工程概述 176 6.1.1 天然細(xì)胞器種類與定位 176 6.1.2 人工細(xì)胞器種類與定位 178 6.2 區(qū)室化工程的應(yīng)用場(chǎng)景 178 6.2.1 隔離有毒代謝物 179 6.2.2 減少代謝分支耗散 179 6.2.3 提供特定的生化環(huán)境 180 6.2.4 避免反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 181 6.2.5 防止不穩(wěn)定蛋白質(zhì)失活 181 6.2.6 濃縮特定代謝底物 181 6.3 區(qū)室化工程調(diào)控策略及原理 181 6.3.1 線粒體工程 182 6.3.2 溶酶體工程 183 6.3.3 周質(zhì)空間工程 183 6.3.4 過氧化物酶體工程 184 6.3.5 液泡工程 185 6.3.6 高爾基體工程 186 6.3.7 羧酶體工程 186 6.3.8 液液相分離技術(shù) 187 6.3.9 人工葉綠體工程 188 6.3.10 無膜細(xì)胞器工程 189 6.4 區(qū)室化工程目前存在的技術(shù)問題與解決思路 189 6.4.1 膜結(jié)構(gòu)滲透性的調(diào)節(jié) 189 6.4.2 細(xì)胞器靶向標(biāo)簽的挖掘 190 6.4.3 路徑酶的動(dòng)態(tài)區(qū)室化實(shí)現(xiàn) 191 6.4.4 細(xì)胞器尺度的理性控制 191 6.5 應(yīng)用案例：酵母液液相分離技術(shù)提高化學(xué)品合成效率 193 6.5.1 酵母細(xì)胞人工無膜細(xì)胞器的構(gòu)建 193 6.5.2 調(diào)節(jié)人工無膜細(xì)胞器的功能特性 193 6.5.3 發(fā)展人工無膜細(xì)胞器的調(diào)控系統(tǒng) 195 6.5.4 合成無膜細(xì)胞器促進(jìn)甲醇同化 199 6.5.5 減少好氧階段CO2排放提高乙酰輔酶A合成效率 201 6.6 參考文獻(xiàn) 204 第7章 能量系統(tǒng)調(diào)控代謝路徑效率 207 7.1 細(xì)胞能量系統(tǒng)概述 208 7.1.1 細(xì)胞能量的作用 208 7.1.2 細(xì)胞能量的產(chǎn)生 208 7.1.3 細(xì)胞能量的調(diào)控 210 7.2 細(xì)胞能量調(diào)控的應(yīng)用場(chǎng)景 213 7.2.1 強(qiáng)化高能量需求路徑 214 7.2.2 抵御外界環(huán)境脅迫 215 7.2.3 強(qiáng)化目標(biāo)途徑反應(yīng)效率 216 7.3 自養(yǎng)微生物胞內(nèi)能量的調(diào)節(jié)策略 217 7.3.1 提高光合系統(tǒng)中光能利用效率 219 7.3.2 加速化能系統(tǒng)中的電子傳遞效率 220 7.3.3 強(qiáng)化電合成系統(tǒng)中的電子獲取效率 221 7.4 異養(yǎng)微生物胞內(nèi)能量的調(diào)節(jié)策略及原理 222 7.4.1 優(yōu)化細(xì)胞外微環(huán)境 222 7.4.2 強(qiáng)化天然能量供給系統(tǒng) 224 7.4.3 建立異源能量供給途徑 224 7.4.4 弱化能量消耗途徑 225 7.4.5 阻斷能量消耗模塊 226 7.5 細(xì)胞能量系統(tǒng)目前存在的技術(shù)問題與解決思路 227 7.5.1 強(qiáng)化胞內(nèi)能量供給 227 7.5.2 降低胞內(nèi)能量耗散 228 7.6 應(yīng)用案例：能量供給強(qiáng)化蘋果酸合成效率 228 7.6.1 新型CO2固定途徑HWLS的設(shè)計(jì)與體外驗(yàn)證 228 7.6.2 HWLS途徑的優(yōu)化與體內(nèi)構(gòu)建 230 7.6.3 光驅(qū)動(dòng)NADH再生系統(tǒng)的構(gòu)建 233 7.6.4 光驅(qū)動(dòng)CO2固定系統(tǒng)提高L-蘋果酸得率 234 7.6.5 光驅(qū)動(dòng)CO2減排系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 237 7.6.6 新型分子開關(guān)PN2-NdhR的構(gòu)建 240 7.6.7 光驅(qū)動(dòng)ATP再生系統(tǒng)的構(gòu)建 245 7.6.8 光驅(qū)動(dòng)CO2減排系統(tǒng)提高L-蘋果酸得率 248 7.7 參考文獻(xiàn) 249 第8章 細(xì)胞膜工程提高細(xì)胞pH耐受 251 8.1 細(xì)胞膜調(diào)節(jié)蛋白概述 252 8.1.1 微生物細(xì)胞膜組分 252 8.1.2 細(xì)胞膜對(duì)微生物細(xì)胞生命活動(dòng)的影響 253 8.2 細(xì)胞膜工程應(yīng)用場(chǎng)景 254 8.2.1 促進(jìn)化學(xué)品積累 255 8.2.2 提高細(xì)胞耐受性 256 8.2.3 細(xì)胞間相互作用 257 8.2.4 調(diào)控細(xì)胞行為 258 8.3 細(xì)胞膜工程調(diào)控策略及原理 259 8.3.1 改變膜脂組分和膜蛋白強(qiáng)化膜完整性 261 8.3.2 調(diào)節(jié)膜脂肪酸含量和結(jié)構(gòu)改變膜流動(dòng)性 262 8.3.3 調(diào)控膜蛋白功能提高膜通透性 264 8.3.4 發(fā)展外膜缺陷表型提高膜通透性 265 8.3.5 工程化細(xì)胞壁提高細(xì)胞環(huán)境耐受性 266 8.4 應(yīng)用案例：調(diào)節(jié)酵母細(xì)胞骨架蛋白促進(jìn)化學(xué)品合成 267 8.4.1 癸酸通過降低胞內(nèi)pH來損傷酵母細(xì)胞生長(zhǎng)性能 267 8.4.2 篩選調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架密度的潛在基因 270 8.4.3 自主雙向信號(hào)調(diào)節(jié)器ABSC-MCFA 271 8.4.4 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定胞內(nèi)pH提高中鏈脂肪酸生產(chǎn)性能 273 8.5 參考文獻(xiàn) 275 第9章 細(xì)胞進(jìn)化工程優(yōu)化細(xì)胞產(chǎn)物耐受 277 9.1 細(xì)胞進(jìn)化工程流程概述 278 9.1.1 基因型突變 278 9.1.2 細(xì)胞表型篩選 279 9.1.3 有益突變體富集方法 279 9.1.4 進(jìn)化菌株代謝機(jī)制解析 281 9.2 細(xì)胞進(jìn)化工程應(yīng)用場(chǎng)景 283 9.2.1 環(huán)境耐受性提升 283 9.2.2 提高細(xì)胞生長(zhǎng)速率 288 9.2.3 增加底物利用率 291 9.2.4 提高產(chǎn)物產(chǎn)量 292 9.2.5 微生物代謝途徑激活 292 9.3 進(jìn)化工程常用策略及原理 293 9.3.1 直接適應(yīng)性進(jìn)化 293 9.3.2 基因組全局?jǐn)_動(dòng)與多位點(diǎn)快速進(jìn)化 294 9.3.3 連續(xù)自動(dòng)化進(jìn)化策略及培養(yǎng)平臺(tái) 299 9.4 細(xì)胞進(jìn)化工程目前存在的技術(shù)問題與解決思路 301 9.4.1 過程耗時(shí)問題 301 9.4.2 非預(yù)期進(jìn)化表型問題 302 9.4.3 遺傳不穩(wěn)定問題 303 9.5 應(yīng)用案例：枯草芽孢桿菌自適應(yīng)進(jìn)化提高3-羥基丁酮產(chǎn)量 304 9.5.1 高產(chǎn)3-羥基丁酮芽孢桿菌的傳統(tǒng)突變選育 304 9.5.2 自主進(jìn)化突變系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 309 9.5.3 自主進(jìn)化突變系統(tǒng)（AEMS）的構(gòu)建 315 9.5.4 自主進(jìn)化突變系統(tǒng)強(qiáng)化菌株對(duì)3-羥基丁酮的耐受性 317 9.5.5 自主進(jìn)化突變系統(tǒng)強(qiáng)化菌株的3-羥基丁酮產(chǎn)量 318 9.6 參考文獻(xiàn) 319 第10章 中介體工程改善細(xì)胞滲透壓耐受 321 10.1 微生物中介體概述 322 10.1.1 頭部亞基分類、結(jié)構(gòu)與功能 324 10.1.2 中部亞基分類、結(jié)構(gòu)與功能 326 10.1.3 尾部模塊及其亞單位的定位 327 10.2 中介體工程應(yīng)用場(chǎng)景 328 10.2.1 參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控 329 10.2.2 提高細(xì)胞滲透壓脅迫耐受 333 10.2.3 提高細(xì)胞酸脅迫耐受 335 10.2.4 提高細(xì)胞氧化脅迫耐受 336 10.2.5 調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng) 336 10.3 中介體工程常用策略及原理 337 10.3.1 中介體表達(dá)水平調(diào)節(jié) 337 10.3.2 中介體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié) 338 10.4 應(yīng)用案例：工程Med15調(diào)節(jié)細(xì)胞高滲脅迫耐受能力 340 10.4.1 Med15對(duì)光滑球擬酵母高滲耐受能力的影響 340 10.4.2 高滲脅迫下Med15B對(duì)光滑球擬酵母生理參數(shù)的影響 342 10.4.3 Med15B對(duì)光滑球擬酵母在高滲脅迫下細(xì)胞膜生理特性的影響 343 10.5 參考文獻(xiàn) 345