第一章 绪论 1
引言 1
知识网络 1
第一节 生物技术的发展 2
一、早期的生物技术与人类生存 2
二、传统生物过程与经验技能 2
三、现代生物技术的形成与发展 3
第二节 生物工程、生物技术专业的演变 4
一、生物技术的知识体系与生命科学 4
二、生物工程的知识体系与化学工程 4
三、生物工程／生物技术专业的成熟与发展 5
第三节 生物工程中的学科交叉 6
一、生物中的化学——生物化学、生物检测 7
二、生物中的物理 生物物理 7
三、生物中的全局优化——系统生物学 8
四、新生命与新生物功能的创造——合成生物学 8
第四节 生物工程与技术的应用 9
一、优化与集成是生物工程的灵魂 9
二、生物工程与人类健康 14
三、生物工程与能源 14
四、生物工程与环境 16
五、生物工程与材料 17
六、生物工程与安全 17
七、生物工程与农业 19
思考题 20
参考文献 21
第二章 碳代谢与代谢工程 23
引言 23
知识网络 23
第一节 糖与糖代谢 24
一、糖的获取——光合作用 24
二、单糖与多糖 26
三、糖代谢 28
第二节 脂类与脂代谢 32
一、脂类简介 32
二、脂肪的分解代谢 33
三、脂肪酸的合成代谢 34
第三节 碳代谢与其他代谢的关联 36
一、糖代谢与脂代谢的关系 36
二、碳代谢与蛋白质代谢的关系 37
三、核酸与其他代谢的关系 37
第四节 代谢工程基本理论 37
一、基本概念 37
二、代谢通量及其分析 38
三、代谢网络及其分析 39
四、代谢途径设计与优化 40
第五节 代谢途径的调控 40
一、酶水平的代谢调控 41
二、转录水平的代谢调控 42
三、细胞水平的代谢调控 43
第六节 代谢工程的应用 44
一、葡萄糖发酵生产乙醇的代谢优化 45
二、甘油代谢最大理论得率预测 47
思考题 49
参考文献 49
第三章 蛋白质与蛋白质工程 51
引言 51
知识网络 51
第一节 蛋白质结构基础 52
一、蛋白质结构的基本组件 52
二、蛋白质结构的组织和主要类型 55
三、蛋白质结构的形成与功能 56
第二节 蛋白质分子设计与预测 58
一、蛋白质常用数据库 58
二、蛋白质结构与功能预测 59
三、蛋白质分子设计的原理与原则 60
四、基于天然蛋白质结构的分子设计 61
五、全新蛋白质设计 62
第三节 蛋白质的修饰和表达 63
一、蛋白质工程新技术策略 63
二、蛋白质修饰的分子生物学途径 64
三、蛋白质修饰的化学途径 66
四、重组蛋白质表达的典型宿主 67
第四节 蛋白质的物理化学性质 68
一、热力学函数与蛋白质构象 68
二、蛋白质突变、稳定性与折叠 70
第五节 蛋白质结构解析 72
一、X射线晶体结构分析 72
二、核磁共振波谱的溶液结构解析 73
三、蛋白质结构解析其他技术 74
第六节 蛋白质工程的应用 76
一、研究蛋白质结构与功能的关系 76
二、改变蛋白质的特性 76
三、生产蛋白质和多肽类活性物质 76
四、设计合成酶绞手架控制代谢流 77
五、设计合成全新蛋白质 77
思考题 78
参考文献 78
第四章 酶与酶工程 79
引言 79
知识网络 79
第一节 酶学基础 80
一、酶与酶工程发展简史 80
二、酶的分类与命名 81
三、酶的结构与作用特点 82
四、酶的作用机制 85
五、酶促反应动力学 87
第二节 酶的固定化 90
一、酶的固定化策略 90
二、辅酶的固定化 93
三、固定化酶的表征 94
第三节 非水相酶催化 94
一、非水相酶催化概述 94
二、非水相酶催化的反应类型 98
三、非水相酶催化的影响因素 98
第四节 酶与酶工程的应用 101
一、酶与酶工程的应用概况 101
二、酶与酶工程的应用进展 102
思考题 108
参考文献 108
第五章 核酸与基因重组技术 111
引言 111
知识网络 111
第一节 核酸 112
一、核酸承载遗传信息 112
二、核酸的结构 114
三、基因 117
第二节 基因重组技术 118
一、重组技术的发明 118
二、重组工具酶与载体 118
三、重组核酸转化与筛选 120
四、PCR技术 122
五、如何克隆目标基因 124
第三节 基因重组技术前沿 126
一、基因砖技术 126
二、无缝重组技术 127
第四节 基因重组技术的应用 130
思考题 133
参考文献 134
第六章 基因线路与合成生物学 135
引言 135
知识网络 135
第一节 合成生物学基础 136
一、合成生物学的概念与发展 136
二、合成生物学的层次化结构设计 137
三、生物模块的标准化 139
四、合成生物系统的逻辑拓扑结构 139
第二节 元件与基因线路 142
一、RNA元件与装置 142
二、DNA元件与装置 144
三、蛋白质元件与装置 146
第三节 合成生物学工具 147
一、DNA测序 148
二、DNA合成 149
三、生物区域化 150
第四节 合成生物技术的应用 152
一、合成生物途径生产药物与新能源 152
二、合成生物系统 154
三、无细胞合成生物技术生产化学品 156
第五节 国际遗传工程机器竞赛 158
一、iGEM简介 158
二、部分获奖作品简介 158
思考题 160
参考文献 160
第七章 微生物与发酵工程 161
引言 161
知识网络 161
第一节 微生物基础 163
一、微生物的特点 163
二、微生物分类及主要类型 163
三、微生物的纯化、退化、复壮与保藏 165
四、微生物的营养 168
五、影响微生物生长的因素 171
六、微生物的培养方式 172
第二节 发酵工程的概述 176
一、发酵工程的产生与发展 176
二、发酵工程的范围 177
三、发酵工程的基本流程 178
第三节 发酵过程优化 182
一、发酵培养基优化 182
二、培养环境优化 183
三、发酵过程调控优化 184
第四节 发酵过程的跨尺度调控策略 187
一、发酵过程的多尺度 188
二、代谢流为基础的多尺度研究方法 188
第五节 发酵工程的应用 191
思考题 193
参考文献 193
第八章 细胞与细胞工程 195
引言 195
知识网络 195
第一节 细胞基础 196
一、细胞的基本概念 196
二、细胞的结构与功能 197
三、细胞周期与细胞分裂 199
四、细胞分化与细胞全能性 202
第二节 细胞工程 203
一、植物细胞工程 203
二、动物细胞工程 212
第三节 细胞工程的应用 222
一、细胞工程在植物方面的应用 222
二、细胞工程在动物方面的应用 224
思考题 226
参考文献 227
第九章 生物反应器工程基础 229
引言 229
知识网络 229
第一节 生物反应动力学 230
一、细胞生长反应动力学 230
二、固定化生物反应动力学 233
第二节 生物反应器的设计与操作 234
一、生物反应器的分类与选型 234
二、生物反应器的设计要求 237
三、生物反应器的操作模式 238
第三节 生物反应器的传递和混合特性 240
一、生物反应器的流体流动特性 241
二、生物反应器的传质特性 242
三、生物反应器的传热特性 244
四、生物反应器的混合特性 245
第四节 动植物细胞培养生物反应器 247
一、动物细胞培养生物反应器 247
二、植物细胞培养生物反应器 249
第五节 生物反应器的放大 251
一、经验放大法 252
二、直接放大法 254
三、其他放大方法 256
思考题 256
参考文献 257
第十章 生物分离工程基础 259
引言 259
知识网络 259
第一节 生物分离工程概述 260
一、生物分离的特点 260
二、生物分离的基本原理 260
第二节 生物分离的一般过程 260
一、发酵液的预处理 260
二、产物的提取 261
三、产物的纯化 261
第三节 生物分离的主要技术 261
一、萃取 261
二、过滤与离心分离 263
三、膜分离 265
四、吸附与离子交换分离 266
五、色谱分离 269
六、电泳分离技术 273
七、结晶 274
第四节 生物分离工程应用 276
一、双水相萃取分离生物工程产品 276
二、反胶团萃取分离生物工程产品 276
三、膜分离生物工程产品 278
思考题 278
参考文献 278
第十一章 生物工程经济学 279
引言 279
知识网络 279
第一节 生物工程产业的发展历史 280
第二节 国内外生物工程产业的发展现状 280
第三节 生物工程经济学的基本要素 281
一、经济效益的概念 281
二、投资 282
三、现金流量及现金流量图 282
四、固定资产的折旧 283
五、成本和费用 284
六、销售收入、税金和利润 285
第四节 生物工程经济评价方法 286
一、项目经济评价的概念 286
二、项目经济评价的类别 286
三、项目经济评价的方法 286
第五节 生物工程项目经济分析与评价 287
一、可行性研究 287
二、盈亏平衡分析 288
三、生物工程项目的财务性评价 289
第六节 基因工程菌生产多聚阳离子抗菌肽经济学分析实例 291
一、固定资产投资 292
二、固定成本 293
三、变动成本 294
四、盈亏平衡分析 295
五、利润分析 295
思考题 295
参考文献 296
第十二章 生物技术伦理与知识产权 297
引言 297
知识网络 297
第一节 生物安全 298
一、生物安全概述 298
二、生物安全工作中的基本原则 299
三、我国生物安全工作涉及的主要事项 299
四、我国对生物安全工作的基本要求 299
第二节 生物技术伦理 300
一、伦理概述 300
二、生物技术与伦理的关系 300
三、医学中不同生物技术的伦理问题 301
四、生物技术应当承担的伦理义务 304
第三节 生物技术的知识产权保护 306
一、知识产权基本概述 306
二、生物技术所涉及的知识产权 307
三、侵犯知识产权的基本方式和保护途径 310
四、知识产权的国际化保护 311
思考题 311
参考文献 311