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《基因組合成生物學》（沈玥，付憲主編. 北京：科學出版社；濟南：山東科學技術出版社，2024.6）是我和付憲研究員作為主編，以及多位通過參與Sc2.0 酵母基因組國際協作項目一路成長起來的研究骨干共同編寫完成的。2011 年，受Sc2.0 項目國際協調人蔡毅之教授邀請，我們有幸在楊煥明院士的帶領下，成為最早一批參與并推動該國際協作項目實施的中國代表團隊之一，并通過這樣一個大科學工程的實踐獲得了知識和技術的系統積累。

本書旨在圍繞合成基因組學的核心內涵，為本科生或研究生提供系統性、普適性和前沿性兼顧的內容梳理與介紹，既涉及相關的原理和技術，亦包括里程碑式科學事件和前沿應用展望。

沈 玥

2024 年1 月1 日

本書序為國內外該研究領域的知名學者George Church教授和楊煥明院士對該領域的概述和展望。本文分享楊煥明院士的序，標題為編者所加。

《基因組合成生物學》序

這是一本由我國年輕一代科學家編撰的好書。

我們年輕的作者們告訴我，這本書首先是給DNA 雙螺旋結構發現70 周年的獻禮——詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）的歷史性發現，在業內被譽為生命科學史上的“第一場革命”；同時，這本書是對遺傳信息流向規律——“中心法則”的重要貢獻者之一、已故著名生物學家悉尼·布倫納（Sydney Brenner）的懷念。此外，這本書也是對與布倫納和約翰·薩爾斯頓（John Sulston）一起分享諾貝爾獎的羅伯特·霍維茨（H. Robert Horvitz）的感謝，感謝他對合成生物學的支持以及對中國年輕科學家的鼓勵和期待。是的，他們永遠是我和我的朋友、學生們的良師益友，我很贊賞我們的新生一代“感恩謝師”的情懷。

今年也是國際人類基因組計劃（Human Genome Project，HGP）完成20 周年。借此我謹向弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）、埃里克·蘭德（Eric Lander）、梅納德·奧爾森（Maynard Olson）、阿里·帕特納斯（Ari Patrinos）、約翰·薩爾斯頓、米歇爾·摩爾根（Micheal Morgan），以及日本、法國、德國數百位一起并肩完成第一個人類基因組草圖的老朋友們表示感謝。是他們高舉“HGP 精神——共有、共為、共享”的大旗，擁抱中國這一HGP 協作組中唯一的發展中國家，并一如既往地支持中國與中國的科學家，與我們這一代和年輕一代在科學情懷和科學精神上同頻共振。

▲ 設計合成最小基因組

Craig Venter 團隊對支原體細胞的合成基因組學進行了深入探索。2008 年，Venter 團隊合成了生殖支原體基因組，并命名為Mycoplasma genitalium JCVI-syn1.0（Gibson et al.，2008），解決了如何從核苷酸化學合成細胞基因組的問題。Venter 團隊將這一人造細胞稱為“Synthia”（意為“合成體”）。該研究是合成基因組學這一新興領域具有里程碑意義的事件，也是合成基因組技術在原核細胞上的首次應用

合成生物學這一個領域是20 世紀70 年代中期遺傳工程的繼續，其主要特點是基于DNA 雙螺旋結構，聚焦于已經鑒定的編碼蛋白質的DNA 序列，以實驗室和工業化規模來生產蛋白質產品，帶來了遺傳學研究和生物產業的第一個飛躍。合成生物學的先驅者克雷格·文特爾（Craig Venter）及其研究所設計和合成的支原體Synthia，是人類設計和合成的第一個完整的、功能齊備的基因組（盡管還帶有明顯模仿自然的痕跡）。青蒿素、嗎啡和大麻這三個復雜的生物活性化合物，是合成生物學第一階段的代表性產物，也奠定了設計和合成以下代謝網絡的基礎：一個完整的物質和能量代謝途徑組成的代謝網絡、細胞信號傳遞通路、諸多基因調控系統組成的基因表達的調控網絡（特別是提高目標產物的產量和修飾）。約翰斯· 霍普金斯大學的杰夫·布卡（Jef Boeke）教授發明了“基于真核基因同源重組的基因組片段替代法（ homologous recombination-based genomic segment replacement）”，該方法成功的范例就是人工合成釀酒酵母基因組計劃（Sc2.0），該項目是人類首次嘗試合成真核生物的基因組，可以稱之為合成生物學發展史上的另一個里程碑。

▲ 真核生物酵母基因組合成的研究史及主要成就

Sc2.0 旨在構建第一個合成真核生物基因組。它基于從頭合成設計的釀酒酵母基因組，針對基因組穩定性進行了優化，并包括各種設計特征，使其成為未來應用中易于設計的底盤細胞。2006 年，Jef Boeke 教授提出人工合成釀酒酵母基因組計劃（Sc2.0）；2011 年，其團隊完成了釀酒酵母IX 號染色體右臂的設計與合成工作，奠定了釀酒酵母基因組設計的若干個原則，闡述了人工合成釀酒酵母基因組的可行性（Dymond et al.，2011）。繼2014 年合成第一條完整的Sc2.0 染色體之后（Annaluru et al.，2014），Sc2.0 國際合作團隊于2017 年在《科學》雜志上同時發表數篇研究論文描述了完整Sc2.0 基因組的設計，以及額外5 條完整染色體的合成和表征，占整個酵母基因組的1/3 以上。剩余的酵母染色體合成工作以專輯和封面文章的形式發表在Cell系列期刊

Sc2.0 計劃可以說是中國參與發起、協調和組織的第一個國際性大合作的科研項目。我還清晰地記得2012 年在北京舉行的第一次國際Sc2.0 會議，來自多國的協作組成員歡聚一堂、精心策劃、分工合作，啟動了這一歷史性的國際合作計劃并如期完成。Sc2.0 不僅已成為合成生物學的一個里程碑，而且造就和鍛煉了本書編寫團隊等年輕有為的科學家。自Sc2.0 計劃之后，中國在北京、天津、上海、深圳等地的團隊又取得了多項喜人的進展。就在最近，在全球合作的Sc2.0 第二期計劃中，年輕的科學家又取得了令人振奮的合作成果。這也使該書總結的經驗知識得以充實，使得該書內容能夠涵蓋整個基因組合成技術的全過程，對合成生物學未來發展和應用的思考更有見地。

還有一點要同大家分享的是，作為起步較晚的發展中國家，我們的成功是基于全人類的“共有、共為、共享”。我相信這本書能夠傳遞這一合作共贏的精神，激勵我們年輕的一代又一代茁壯成長。

這本書一定會吸引更多的年輕人，包括本科生、碩士研究生、博士研究生、博士后加入這個隊伍，投身于這一生命科學和生物產業的重要領域。我們完全有理由相信，我們年輕一代科研人員一定會脫穎而出，與他們的國際同行一起成長，創造更加美麗的生命世界和更為美好的人類未來。

楊煥明

中國科學院院士

2024 年3 月15 日

本文摘編自《基因組合成生物學》（沈玥，付憲主編. 北京：科學出版社；濟南：山東科學技術出版社，2024.6）一書“前言”“序二”，有刪減修改，標題為編者所加。

能源合成生物學

呂雪峰主編

ISBN 978-7-03-078739-2

生物能源在增加能源與資源供給、改善生態環境、支撐碳中和目標實現等方面有著其他可再生能源不可替代的顯著優勢。合成生物學在生物能源研發方面具有重要的應用價值和廣闊的發展空間，有利于解決生物能源的關鍵研發問題。本書結合編者在能源合成生物學領域的研究工作，圍繞合成生物學使能技術與改造策略、生物催化劑和細胞工廠的性能優化，系統總結了如何通過合成生物學技術改造能源生物底盤，以顯著提高從二氧化碳到生物質、從生物質到糖，以及從糖到乙醇、丁醇、萜烯、脂肪烴等生物燃料產品和一碳資源直接轉化為生物燃料產品等各個環節的轉化效率，并對能源合成生物學未來的發展方向與挑戰進行了展望。

本書可供合成生物學、生物能源、微生物學和植物學相關領域的科研人員、工程技術人員和高等院校師生參考，以期共同推動能源合成生物學的蓬勃發展。

基因組合成生物學

沈玥，付憲主編

ISBN 978-7-03-078657-9

本書對合成基因組學的核心內容進行了系統性介紹，既涉及相關的原理和技術，亦包括里程碑式科學事件和前沿應用展望。具體而言，本書序為國內外該研究領域的知名學者George Church 教授和楊煥明院士對該領域的概述和展望；第1 章圍繞合成基因組所涉及的四大類設計原則（區分、重構、精簡與賦能）進行深入介紹；第2 章深入闡述如何從頭人工合成基因組，以及該過程涉及的關鍵技術；第3 章全面分享在病毒、原核生物及真核生物基因組人工合成方面取得的重大科研成果；第4 章展望領域未來的應用場景并探討發展帶來的倫理安全問題。

本書可供合成生物學的基因組學技術與應用領域的高年級本科生、研究生和科研人員參考使用，對于合成生物學產業的從業人士也有參考意義。

新一代食品生物技術

劉龍，陳堅，呂雪芹主編

本書主要從食品微生物資源、食品組學、酶工程、發酵工程、代謝工程、合成生物學等方面系統介紹了新一代食品生物技術。在此基礎上，闡述了食品生物技術在未來食品中的應用。其中，第1 章簡述了食品生物技術的概念、主要內容及其在食品工業中的應用；第2 章介紹了食品微生物資源挖掘與高通量選育技術；第3～7 章詳述了食品組學、酶工程、發酵工程、代謝工程，以及合成生物學等系列生物技術與食品科學的交織融合與應用；第8 章闡述了未來食品的概念與內涵，并介紹了食品生物技術在功能蛋白、功能糖、植物基食品等未來食品生產中的應用。

本書詳細介紹了新一代食品生物技術及其應用，可供食品工程、生物工程、發酵工程以及合成生物學等領域的研究人員參考，也可以作為研究生教學參考用書。

（本文編輯：劉四旦）