《合成生物学系统调控与优化技术》基于作者团队多年研究成果撰写，系统介绍合成生物系统调控与优化的各个关键领域，涵盖合成生物系统绪论、细胞分裂的光遗传调控技术、细胞寿命的逻辑门调控技术、微生物群落工程调控细胞命运、靶向蛋白降解调控代谢流分布、区室化工程实现代谢路径隔离、能量系统调控代谢路径效率、细胞膜工程提高细胞pH耐受、细胞进化工程优化细胞产物耐受、中介体工程改善细胞渗透压耐受。全书深入探讨了不同工业微生物的细胞生长、代谢调控和环境耐受性机制，并介绍了不少实际应用案例。
《合成生物学系统调控与优化技术》可供合成生物学、发酵工程、生化工程等领域的研究生和其他研究人员参考阅读。
第1章 合成生物系统绪论 001
1.1 合成生物系统的关键调控范围 002
1.1.1 合成生物系统调控元件 003
1.1.2 生物网络与基因线路系统 004
1.1.3 合成体系与底盘细胞 005
1.1.4 合成群落系统 006
1.2 合成生物系统调控层次 007
1.2.1 DNA水平调控与优化 007
1.2.2 RNA水平调控与优化 011
1.2.3 蛋白质水平调控与优化 012
1.2.4 代谢物水平调控与优化 013
1.2.5 代谢网络水平调控与优化 014
1.2.6 细胞整体水平调控与优化 015
1.3 合成生物系统调控面临的挑战 016
1.3.1 高性能元件的挖掘 016
1.3.2 元件标准化与模块化 017
1.3.3 系统输出噪声处理 017
1.4 参考文献 018
第2章 细胞分裂的光遗传调控技术 019
2.1 光遗传调控元件概述 020
2.1.1 LOV结构域 020
2.1.2 光敏色素 023
2.1.3 隐花色素 024
2.1.4 BLUF结构域 025
2.2 光遗传调控的应用场景 026
2.2.1 调节细胞信号通路 026
2.2.2 建立精准基因编辑 028
2.2.3 改变目标蛋白质活性 030
2.2.4 调控细胞生理活动 032
2.2.5 调节基因转录起始 032
2.3 光遗传调控策略及原理 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 光遗传调控线路目前存在的技术问题与解决思路 040
2.4.1 光响应元件与宿主的兼容性 041
2.4.2 光穿透性和光毒性问题 041
2.4.3 系统泄漏表达和响应速度慢问题 041
2.5 应用案例：光遗传调控细胞形态用于化学品的生产 042
2.5.1 筛选细胞分裂基因 043
2.5.2 构建控制细胞分裂的光遗传调控工具 046
2.5.3 缩短细胞分裂期提高乙偶姻生产强度 049
2.5.4 延长细胞分裂期提高聚乳酸羟基丁酸的合成效率 051
2.6 参考文献 054
第3章 细胞寿命的逻辑门调控技术 057
3.1 逻辑计算概述 058
3.1.1 逻辑门信号的输入与输出 058
3.1.2 逻辑门处理与计算 059
3.1.3 复杂逻辑门的自动化设计 060
3.2 逻辑门的应用场景 061
3.2.1 生物探针 061
3.2.2 多层信号调控 061
3.2.3 生物计算器 063
3.2.4 生物信号放大器 064
3.3 逻辑门基因线路调控策略及原理 067
3.3.1 转录水平逻辑门 067
3.3.2 翻译水平逻辑门 068
3.3.3 蛋白质水平逻辑门 069
3.4 逻辑门发展中目前存在的技术问题与解决思路 071
3.4.1 信号传递衰减问题 071
3.4.2 元件资源竞争问题 072
3.4.3 追溯效力问题 073
3.5 应用案例：逻辑门基因线路调节细胞寿命促进化学品合成 074
3.5.1 筛选控制大肠杆菌时序寿命的靶点 074
3.5.2 调控大肠杆菌时序寿命强化丁酸生产 076
3.5.3 双输入与四输出逻辑门状态机器MRSM的构建与验证 077
3.5.4 MRSM调控细胞时序寿命改善丁酸生产 082
3.5.5 筛选控制大肠杆菌复制寿命的靶点 086
3.5.6 调控大肠杆菌复制寿命生产PLH 090
3.5.7 双输出逻辑门状态机器TRSM的构建与验证 091
3.5.8 TRSM调节细胞复制寿命改善PLH生产 095
3.6 参考文献 096
第4章 微生物群落工程调控细胞命运 099
4.1 合成微生物群落概述 101
4.1.1 微生物相互作用类型 101
4.1.2 影响微生物群落的其他因素 102
4.2 合成微生物群落应用场景 102
4.2.1 实现混合底物利用 103
4.2.2 降低宿主代谢负荷 104
4.2.3 建立代谢空间隔离 106
4.2.4 模块优化代谢路径 107
4.2.5 合成微生物燃料电池 108
4.3 合成微生物群落调控策略及原理 108
4.3.1 菌群稳定性调控 108
4.3.2 物种兼容性调控 109
4.3.3 菌群比例调控 110
4.4 微生物群落工程目前存在的技术问题与解决思路 111
4.4.1 精准时空调控菌群组分问题 111
4.4.2 非模式微生物群落的设计问题 111
4.4.3 微生物群落的能量供给问题 111
4.5 应用案例：微生物群落结构控制强化化学品生产 112
4.5.1 裂解蛋白的挖掘与测试 112
4.5.2 程序化开关的构建与调试 117
4.5.3 程序化裂解系统的组装与测试 124
4.5.4 脂肪酸降解菌株和丁酸生产菌株的构建 130
4.5.5 程序化裂解系统调控菌群结构改善丁酸生产 132
4.6 参考文献 137
第5章 靶蛋白降解调控代谢流分布 139
5.1 靶蛋白降解概述 140
5.1.1 静态调控蛋白质丰度 140
5.1.2 动态调控蛋白质丰度 142
5.2 靶蛋白降解的应用场景 143
5.2.1 设计基因回路 143
5.2.2 协调细胞发育 145
5.3 靶蛋白降解调控策略及原理 146
5.3.1 基于泛素化-蛋白酶体的真核靶蛋白降解系统 146
5.3.2 基于溶酶体降解途径的真核靶蛋白降解系统 148
5.3.3 基于蛋白质N端原则的原核靶蛋白降解系统 149
5.4 靶蛋白降解目前存在的技术问题与解决思路 149
5.4.1 细胞资源占用问题 149
5.4.2 能量负荷高问题 150
5.5 应用案例：蛋白质基因回路的设计与微生物细胞代谢流调控应用 150
5.5.1 发展蛋白质丰度调控基本单元 150
5.5.2 设计蛋白质动态调控回路 155
5.5.3 调节莽草酸激酶实现莽草酸低成本合成 158
5.5.4 设计蛋白质逆变器回路 161
5.5.5 控制葡萄糖摄入缓解碳代谢抑制 164
5.5.6 设计蛋白质振荡器回路 166
5.5.7 优化木糖内酯水解酶表达提高木糖酸生产强度 169
5.6 参考文献 173
第6章 区室化工程实现代谢路径隔离 175
6.1 区室化工程概述 176
6.1.1 天然细胞器种类与定位 176
6.1.2 人工细胞器种类与定位 178
6.2 区室化工程的应用场景 178
6.2.1 隔离有毒代谢物 179
6.2.2 减少代谢分支耗散 179
6.2.3 提供特定的生化环境 180
6.2.4 避免反馈调控网络 181
6.2.5 防止不稳定蛋白质失活 181
6.2.6 浓缩特定代谢底物 181
6.3 区室化工程调控策略及原理 181
6.3.1 线粒体工程 182
6.3.2 溶酶体工程 183
6.3.3 周质空间工程 183
6.3.4 过氧化物酶体工程 184
6.3.5 液泡工程 185
6.3.6 高尔基体工程 186
6.3.7 羧酶体工程 186
6.3.8 液液相分离技术 187
6.3.9 人工叶绿体工程 188
6.3.10 无膜细胞器工程 189
6.4 区室化工程目前存在的技术问题与解决思路 189
6.4.1 膜结构渗透性的调节 189
6.4.2 细胞器靶向标签的挖掘 190
6.4.3 路径酶的动态区室化实现 191
6.4.4 细胞器尺度的理性控制 191
6.5 应用案例：酵母液液相分离技术提高化学品合成效率 193
6.5.1 酵母细胞人工无膜细胞器的构建 193
6.5.2 调节人工无膜细胞器的功能特性 193
6.5.3 发展人工无膜细胞器的调控系统 195
6.5.4 合成无膜细胞器促进甲醇同化 199
6.5.5 减少好氧阶段CO2排放提高乙酰辅酶A合成效率 201
6.6 参考文献 204
第7章 能量系统调控代谢路径效率 207
7.1 细胞能量系统概述 208
7.1.1 细胞能量的作用 208
7.1.2 细胞能量的产生 208
7.1.3 细胞能量的调控 210
7.2 细胞能量调控的应用场景 213
7.2.1 强化高能量需求路径 214
7.2.2 抵御外界环境胁迫 215
7.2.3 强化目标途径反应效率 216
7.3 自养微生物胞内能量的调节策略 217
7.3.1 提高光合系统中光能利用效率 219
7.3.2 加速化能系统中的电子传递效率 220
7.3.3 强化电合成系统中的电子获取效率 221
7.4 异养微生物胞内能量的调节策略及原理 222
7.4.1 优化细胞外微环境 222
7.4.2 强化天然能量供给系统 224
7.4.3 建立异源能量供给途径 224
7.4.4 弱化能量消耗途径 225
7.4.5 阻断能量消耗模块 226
7.5 细胞能量系统目前存在的技术问题与解决思路 227
7.5.1 强化胞内能量供给 227
7.5.2 降低胞内能量耗散 228
7.6 应用案例：能量供给强化苹果酸合成效率 228
7.6.1 新型CO2固定途径HWLS的设计与体外验证 228
7.6.2 HWLS途径的优化与体内构建 230
7.6.3 光驱动NADH再生系统的构建 233
7.6.4 光驱动CO2固定系统提高L-苹果酸得率 234
7.6.5 光驱动CO2减排系统的设计 237
7.6.6 新型分子开关PN2-NdhR的构建 240
7.6.7 光驱动ATP再生系统的构建 245
7.6.8 光驱动CO2减排系统提高L-苹果酸得率 248
7.7 参考文献 249
第8章 细胞膜工程提高细胞pH耐受 251
8.1 细胞膜调节蛋白概述 252
8.1.1 微生物细胞膜组分 252
8.1.2 细胞膜对微生物细胞生命活动的影响 253
8.2 细胞膜工程应用场景 254
8.2.1 促进化学品积累 255
8.2.2 提高细胞耐受性 256
8.2.3 细胞间相互作用 257
8.2.4 调控细胞行为 258
8.3 细胞膜工程调控策略及原理 259
8.3.1 改变膜脂组分和膜蛋白强化膜完整性 261
8.3.2 调节膜脂肪酸含量和结构改变膜流动性 262
8.3.3 调控膜蛋白功能提高膜通透性 264
8.3.4 发展外膜缺陷表型提高膜通透性 265
8.3.5 工程化细胞壁提高细胞环境耐受性 266
8.4 应用案例：调节酵母细胞骨架蛋白促进化学品合成 267
8.4.1 癸酸通过降低胞内pH来损伤酵母细胞生长性能 267
8.4.2 筛选调节细胞骨架密度的潜在基因 270
8.4.3 自主双向信号调节器ABSC-MCFA 271
8.4.4 动态稳定胞内pH提高中链脂肪酸生产性能 273
8.5 参考文献 275
第9章 细胞进化工程优化细胞产物耐受 277
9.1 细胞进化工程流程概述 278
9.1.1 基因型突变 278
9.1.2 细胞表型筛选 279
9.1.3 有益突变体富集方法 279
9.1.4 进化菌株代谢机制解析 281
9.2 细胞进化工程应用场景 283
9.2.1 环境耐受性提升 283
9.2.2 提高细胞生长速率 288
9.2.3 增加底物利用率 291
9.2.4 提高产物产量 292
9.2.5 微生物代谢途径激活 292
9.3 进化工程常用策略及原理 293
9.3.1 直接适应性进化 293
9.3.2 基因组全局扰动与多位点快速进化 294
9.3.3 连续自动化进化策略及培养平台 299
9.4 细胞进化工程目前存在的技术问题与解决思路 301
9.4.1 过程耗时问题 301
9.4.2 非预期进化表型问题 302
9.4.3 遗传不稳定问题 303
9.5 应用案例：枯草芽孢杆菌自适应进化提高3-羟基丁酮产量 304
9.5.1 高产3-羟基丁酮芽孢杆菌的传统突变选育 304
9.5.2 自主进化突变系统的设计 309
9.5.3 自主进化突变系统（AEMS）的构建 315
9.5.4 自主进化突变系统强化菌株对3-羟基丁酮的耐受性 317
9.5.5 自主进化突变系统强化菌株的3-羟基丁酮产量 318
9.6 参考文献 319
第10章 中介体工程改善细胞渗透压耐受 321
10.1 微生物中介体概述 322
10.1.1 头部亚基分类、结构与功能 324
10.1.2 中部亚基分类、结构与功能 326
10.1.3 尾部模块及其亚单位的定位 327
10.2 中介体工程应用场景 328
10.2.1 参与基因转录调控 329
10.2.2 提高细胞渗透压胁迫耐受 333
10.2.3 提高细胞酸胁迫耐受 335
10.2.4 提高细胞氧化胁迫耐受 336
10.2.5 调节细胞生长 336
10.3 中介体工程常用策略及原理 337
10.3.1 中介体表达水平调节 337
10.3.2 中介体蛋白质结构调节 338
10.4 应用案例：工程Med15调节细胞高渗胁迫耐受能力 340
10.4.1 Med15对光滑球拟酵母高渗耐受能力的影响 340
10.4.2 高渗胁迫下Med15B对光滑球拟酵母生理参数的影响 342
10.4.3 Med15B对光滑球拟酵母在高渗胁迫下细胞膜生理特性的影响 343
10.5 参考文献 345
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