细胞工厂设计原理

本书针对合成生物制造的核心——高性能细胞工厂设计原理与方法所需的知识体系开展内容设置，主要从细胞工厂代谢的物质流、能量流和信息流设计，细胞工厂鲁棒性底盘开发，数字化细胞工厂设计，细胞工厂高效构建、进化及筛选，细胞工厂应用及工程伦理等方面系统介绍了细胞工厂设计原理。本书共分为13章，其中，第1章简述了细胞工厂发展与设计理念；第2章阐述了细胞工厂的热力学与动力学驱动设计；第3、4章详述了细胞工厂物联网络设计与信息调控网络设计；第5、6章介绍了细胞工厂底盘设计与开发，以及智能抗逆设计；第7、8章介绍了生物逆合成与细胞途径设计，以及细胞工厂设计软件与数据库；第9～11章详述了细胞工厂的快速构建原理、定向进化原理与技术，以及性能快速表征与筛选原理；第12、13章总结了细胞工厂的典型应用案例及其涉及的生物安全与工程伦理。

本书可供生物制造及合成生物学领域的研究人员参考，也可以作为生物技术、生物工程、化学工程、制药工程、合成生物学、食品工程类本科生及研究生教学参考使用。

第1章 细胞工厂发展与设计理念 1

1.1 微生物发酵的自然形成阶段 1

1.1.1 微生物纯培养 2

1.1.2 微生物培养优化 3

1.1.3 微生物发酵工艺 3

1.2 优良菌种的选育与进化阶段 4

1.2.1 微生物自然选育 5

1.2.2 微生物诱变育种 5

1.2.3 微生物杂交育种 7

1.3 动植物细胞离体培养与应用阶段 8

1.3.1 植物细胞培养与细胞工厂开发 8

1.3.2 动物细胞培养与细胞工厂开发 10

1.3.3 大规模动植物细胞培养中的共性工程问题 12

1.4 基因工程与细胞代谢调控阶段 12

1.4.1 初期基因工程技术的应用 13

1.4.2 基因编辑技术的出现与应用 14

1.4.3 正向代谢工程与基因调控 15

1.4.4 反向代谢工程与系统生物学 17

1.5 合成生物学赋能的细胞工厂设计阶段 19

1.5.1 新的研究范式——合成生物学 19

1.5.2 生物元件标准化与基因线路设计 20

1.5.3 途径智能规划与数字化细胞工厂 22

1.5.4 细胞工厂底盘设计 23

1.5.5 基于共培养体系的细胞工厂设计 24

1.5.6 细胞工厂的应用 25

第2章 细胞工厂热力学与动力学驱动设计 29

2.1 细胞工厂热力学与动力学驱动概念与发展 29

2.2 细胞工厂热力学与动力学驱动设计原理 30

2.2.1 细胞工厂中关键酶的热力学与动力学驱动设计原理 30

2.2.2 细胞工厂中代谢途径的动力学驱动设计原理 31

2.2.3 细胞工厂中辅因子与能量驱动设计原理 33

2.3 细胞工厂热力学与动力学驱动设计技术 34

2.3.1 关键酶的热力学与动力学驱动设计技术 34

2.3.2 代谢途径的动力学驱动设计技术 39

2.3.3 辅因子与能量驱动设计技术 50

2.4 细胞工厂热力学与动力学驱动设计技术常见问题与解决方案 59

2.5 细胞工厂热力学与动力学驱动设计技术的应用 60

2.5.1 大肠杆菌细胞工厂合成阿魏酸的热力学与动力学驱动设计 60

2.5.2 酿酒酵母细胞工厂合成阿魏酸的热力学与动力学驱动设计 61

2.6 小结与展望 64

第3章 细胞工厂物联网络设计 69

3.1 细胞工厂物质流关联与控制基本理论 69

3.1.1 代谢设计：从简单到复杂 69

3.1.2 流量优化：从静态到动态 72

3.1.3 进化工程：从基因到菌株 74

3.1.4 机器学习：从设计到优化 75

3.2 分子水平物质流关联与控制 76

3.2.1 转录水平调控工具 76

3.2.2 翻译水平调控工具 79

3.2.3 翻译后水平调控工具 81

3.2.4 其他分子水平调控工具 83

3.3 细胞水平物质流关联与控制 85

3.3.1 细胞生长浓度调控 85

3.3.2 细胞生长速率调控 88

3.3.3 细胞生长形态调控 91

3.4 群体水平物质流关联与控制 95

3.4.1 稳定群落调控 95

3.4.2 可变群落调控 97

3.4.3 群落结构从头设计 99

3.5 小结与展望 104

第4章 细胞工厂信息调控网络设计 110

4.1 细胞工厂信息调控网络系统概述 110

4.1.1 智能生物制造的 5M 策略 110

4.1.2 调控细胞工厂的信息流进行过程控制 114

4.2 细胞对环境信号的响应与调控 114

4.2.1 细胞对环境中物理信号的响应与调控 114

4.2.2 细胞对环境中化学信号的响应与调控 117

4.2.3 群体感应系统 122

4.3 生物过程信息数据采集与处理 123

4.3.1 组学信息数据采集与分析 123

4.3.2 反应器过程数据的采集与处理 136

4.4 多尺度微生物过程优化理论 140

4.4.1 发酵过程的多尺度参数相关分析研究 140

4.4.2 基于多尺度参数相关分析的鸟苷发酵优化实践 142

4.5 小结与展望 142

第5章 细胞工厂底盘设计与开发 147

5.1 底盘细胞的概念与种类 147

5.2 “自上而下”的底盘细胞设计与开发 148

5.2.1 底盘细胞理性改造技术 149

5.2.2 底盘细胞非理性改造技术 160

5.3 “自下而上”的底盘细胞设计与开发 165

5.3.1 底盘细胞的重头设计原则 166

5.3.2 底盘细胞的重头构建技术 169

5.4 常见的底盘细胞设计与构建 171

5.4.1 模式微生物底盘细胞的设计与构建 171

5.4.2 非模式微生物底盘细胞的设计与构建 181

5.4.3 模式动植物底盘细胞的设计与构建 186

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