細胞工廠設計原理

書號：9787030797902

李春 主編

合成生物學、人工智能和數據科學的迅猛發展，產生了生物學的研究新范式，也創造出越來越多的分子和細胞使能技術。當下，國內外正如火如荼開展的“雙碳計劃”是進一步遏制全球變暖、解決資源和能源短缺、提高糧食安全的重要舉措。利用小小的細胞工廠驅動物質的加工與轉化，充分體現了“零碳”或“負碳”生物制造工藝。但天然細胞和傳統改造的細胞存在魯棒性差、轉化效率低、反應類型少、制造周期長、可用原料種類有限等問題，并沒有充分發揮出生物制造的優勢，大大限制了其應用范圍。合成生物學和人工智能賦能的合成生物制造，通過設計高性能的細胞工廠開展新原料、新能量的轉化與利用，大大拓寬了原料利用種類、能源類型，并通過創建新反應、新途徑和新產品拓展生物制造的應用范圍。

▲ 合成生物學的研究范式

人類很早就掌握了利用微生物進行生產發酵的技術，19 世紀中葉，法國的路易·巴斯德（Louis Pasteur）和德國的羅伯特·科赫（Robert Koch）發明了微生物的純培養技術，標志著天然微生物發酵階段的到來。隨著對微生物形態學、生理學和生化代謝的深入認識與理解，利用天然微生物進行發酵生產已經不能滿足人們日益增長的迫切需求。20 世紀初，自然選育、誘變育種、雜交育種等技術的發展促進了優良菌種的選育與進化。20 世紀30 年代，相較于微生物，研究者發現動植物中也蘊藏著豐富的生物合成與轉化途徑，于是開始探索對動植物細胞進行大規模離體培養，從而正式步入了動植物細胞離體培養與應用階段。隨著遺傳學和分子生物學的深入研究，到了20 世紀70 年代，DNA 重組技術及基因調控技術等重要技術的發展變革了菌種改造方式，標志著細胞工廠發展進入基因工程與細胞代謝調控階段，代謝工程以通量計算和數學模型等方式推動了菌株改造向更加高效、精準的方向發展。

▲ 從微生物的自然發酵到細胞工廠設計

到了21 世紀初，合成生物學（synthetic biology）的出現使得我們可以更精確、更高效地調控細胞的行為，實現對細胞工廠的深度優化。通過合成生物學的賦能，細胞工廠的設計已經從依賴自然和人工選擇的被動設計，轉變為系統性的主動設計，大大提高和拓展了物質生產的效率、范圍和可控性。該領域發展迅速，顛覆性的技術創新層出不窮，因此受到各國政府、學術界、產業界的高度關注。為了向相關領域的科研人員和研究生提供更優質的學習資源，清華大學李春教授組織了國內本領域的多個優秀科研團隊，共同編著了《細胞工廠設計原理》一書。

內容介紹

本書共分為13章，主要從細胞工廠代謝的物質流、能量流和信息流設計，細胞工廠底盤開發，數字化細胞工廠設計，細胞工廠高效構建、進化及篩選，細胞工廠應用及工程倫理等方面系統介紹了細胞工廠的設計原理。每章主要內容及作者如下：

第1章細胞工廠發展與設計理念（李春），重點介紹了利用細胞特性發展細胞工廠的5個階段。

第2章細胞工廠熱力學與動力學驅動設計（袁其朋、孫新曉），介紹了關鍵酶、代謝途徑及輔因子與能量的驅動設計原理。

第3章細胞工廠物聯網絡設計（劉立明、陳修來），從分子水平、細胞水平及群體水平介紹了細胞工廠物質流關聯與控制的基本理論。

第4章細胞工廠信息調控網絡設計（歐陽立明、張立新），基于智能生物制造的5M[元件挖掘（mine）→模型預測（model）→合成途徑搭建與組裝（manipulate）→系統測試（measure）→綠色工業制造（manufacture）]策略，介紹了細胞對環境信號的響應機制、生物過程信息數據采集與分析，以及多尺度參數相關分析過程優化。

第5章細胞工廠底盤設計與開發（羅云孜），對底盤細胞進行了分類，并介紹了“自上而下”及“自下而上”的底盤細胞設計與開發方法。

第6章細胞工廠智能抗逆設計（馮旭東、李春），介紹了典型脅迫環境對細胞工廠的影響以及細胞工廠的抗脅迫機制，總結了提高細胞工廠抗逆適配性方法。

第7章生物逆合成與細胞途徑設計（李春），介紹了預測生物合成途徑的逆合成算法及篩選評價指標，總結了酶預測及生物合成途徑與調控元件的組合設計方法。

第8章細胞工廠設計軟件與數據庫（胡冰、秦磊），介紹了基因組尺度的代謝網絡模型、生物信息學數據庫、代謝途徑及生物元件的設計算法與軟件。

第9章細胞工廠的快速構建原理（司同），介紹了細胞工廠快速構建的必要性、構建方法及構建過程自動化。

第10章細胞工廠定向進化原理與技術（連佳長），介紹了細胞工廠突變文庫構建及高通量進化方法。

第11章細胞工廠性能快速表征與篩選原理（張翀），介紹了細胞工廠高通量表征與篩選基本理論，并重點介紹了基于自動化機和微流控技術的高通量篩選與表征系統，以及工業表型高通量表征技術。

第12章細胞工廠的工程應用（張學禮、劉萍萍），介紹了細胞工廠在傳統發酵行業、能源化工行業及醫藥行業的工程應用。

第13章細胞工廠設計的生物安全與工程倫理（孫韜、張衛文），介紹了細胞工廠設計的潛在風險與倫理問題、生物技術研究限行管理準則與規范，以及我國的生物安全與倫理研究進展及細胞工廠的封存與防逃逸技術。

▲ 細胞工廠在醫藥行業的工程應用

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