細胞工廠設(shè)計原理

目錄
第1章 細胞工廠發(fā)展與設(shè)計理念 1
1.1 微生物發(fā)酵的自然形成階段 1
1.1.1 微生物純培養(yǎng) 2
1.1.2 微生物培養(yǎng)優(yōu)化 3
1.1.3 微生物發(fā)酵工藝 3
1.2 優(yōu)良菌種的選育與進化階段 4
1.2.1 微生物自然選育 5
1.2.2 微生物誘變育種 5
1.2.3 微生物雜交育種 7
1.3 動植物細胞離體培養(yǎng)與應(yīng)用階段 8
1.3.1 植物細胞培養(yǎng)與細胞工廠開發(fā) 8
1.3.2 動物細胞培養(yǎng)與細胞工廠開發(fā) 10
1.3.3 大規(guī)模動植物細胞培養(yǎng)中的共性工程問題 12
1.4 基因工程與細胞代謝調(diào)控階段 12
1.4.1 初期基因工程技術(shù)的應(yīng)用 13
1.4.2 基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用 14
1.4.3 正向代謝工程與基因調(diào)控 15
1.4.4 反向代謝工程與系統(tǒng)生物學(xué) 17
1.5 合成生物學(xué)賦能的細胞工廠設(shè)計階段 19
1.5.1 新的研究范式——合成生物學(xué) 19
1.5.2 生物元件標準化與基因線路設(shè)計 20
1.5.3 途徑智能規(guī)劃與數(shù)字化細胞工廠 22
1.5.4 細胞工廠底盤設(shè)計 23
1.5.5 基于共培養(yǎng)體系的細胞工廠設(shè)計 24
1.5.6 細胞工廠的應(yīng)用 25
第2章 細胞工廠熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計 29
2.1 細胞工廠熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動概念與發(fā)展 29
2.2 細胞工廠熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計原理 30
2.2.1 細胞工廠中關(guān)鍵酶的熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計原理 30
2.2.2 細胞工廠中代謝途徑的動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計原理 31
2.2.3 細胞工廠中輔因子與能量驅(qū)動設(shè)計原理 33
2.3 細胞工廠熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計技術(shù) 34
2.3.1 關(guān)鍵酶的熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計技術(shù) 34
2.3.2 代謝途徑的動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計技術(shù) 39
2.3.3 輔因子與能量驅(qū)動設(shè)計技術(shù) 50
2.4 細胞工廠熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計技術(shù)常見問題與解決方案 59
2.5 細胞工廠熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用 60
2.5.1 大腸桿菌細胞工廠合成阿魏酸的熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計 60
2.5.2 釀酒酵母細胞工廠合成阿魏酸的熱力學(xué)與動力學(xué)驅(qū)動設(shè)計 61
2.6 小結(jié)與展望 64
第3章 細胞工廠物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 69
3.1 細胞工廠物質(zhì)流關(guān)聯(lián)與控制基本理論 69
3.1.1 代謝設(shè)計：從簡單到復(fù)雜 69
3.1.2 流量優(yōu)化：從靜態(tài)到動態(tài) 72
3.1.3 進化工程：從基因到菌株 74
3.1.4 機器學(xué)習(xí)：從設(shè)計到優(yōu)化 75
3.2 分子水平物質(zhì)流關(guān)聯(lián)與控制 76
3.2.1 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控工具 76
3.2.2 翻譯水平調(diào)控工具 79
3.2.3 翻譯后水平調(diào)控工具 81
3.2.4 其他分子水平調(diào)控工具 83
3.3 細胞水平物質(zhì)流關(guān)聯(lián)與控制 85
3.3.1 細胞生長濃度調(diào)控 85
3.3.2 細胞生長速率調(diào)控 88
3.3.3 細胞生長形態(tài)調(diào)控 91
3.4 群體水平物質(zhì)流關(guān)聯(lián)與控制 95
3.4.1 穩(wěn)定群落調(diào)控 95
3.4.2 可變?nèi)郝湔{(diào)控 97
3.4.3 群落結(jié)構(gòu)從頭設(shè)計 99
3.5 小結(jié)與展望 104
第4章 細胞工廠信息調(diào)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 110
4.1 細胞工廠信息調(diào)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述 110
4.1.1 智能生物制造的 5M 策略 110
4.1.2 調(diào)控細胞工廠的信息流進行過程控制 114
4.2 細胞對環(huán)境信號的響應(yīng)與調(diào)控 114
4.2.1 細胞對環(huán)境中物理信號的響應(yīng)與調(diào)控 114
4.2.2 細胞對環(huán)境中化學(xué)信號的響應(yīng)與調(diào)控 117
4.2.3 群體感應(yīng)系統(tǒng) 122
4.3 生物過程信息數(shù)據(jù)采集與處理 123
4.3.1 組學(xué)信息數(shù)據(jù)采集與分析 123
4.3.2 反應(yīng)器過程數(shù)據(jù)的采集與處理 136
4.4 多尺度微生物過程優(yōu)化理論 140
4.4.1 發(fā)酵過程的多尺度參數(shù)相關(guān)分析研究 140
4.4.2 基于多尺度參數(shù)相關(guān)分析的鳥苷發(fā)酵優(yōu)化實踐 142
4.5 小結(jié)與展望 142
第5章 細胞工廠底盤設(shè)計與開發(fā) 147
5.1 底盤細胞的概念與種類 147
5.2 “自上而下”的底盤細胞設(shè)計與開發(fā) 148
5.2.1 底盤細胞理性改造技術(shù) 149
5.2.2 底盤細胞非理性改造技術(shù) 160
5.3 “自下而上”的底盤細胞設(shè)計與開發(fā) 165
5.3.1 底盤細胞的重頭設(shè)計原則 166
5.3.2 底盤細胞的重頭構(gòu)建技術(shù) 169
5.4 常見的底盤細胞設(shè)計與構(gòu)建 171
5.4.1 模式微生物底盤細胞的設(shè)計與構(gòu)建 171
5.4.2 非模式微生物底盤細胞的設(shè)計與構(gòu)建 181
5.4.3 模式動植物底盤細胞的設(shè)計與構(gòu)建 186
5.5 小結(jié)與展望 189
第6章 細胞工廠智能抗逆設(shè)計 195
6.1 微生物抗逆性概述 195
6.2 脅迫環(huán)境對細胞工廠的影響 197
6.2.1 熱脅迫 197
6.2.2 酸脅迫 198
6.2.3 氧化脅迫 199
6.2.4 滲透壓脅迫 200
6.2.5 有機溶劑脅迫 201
6.2.6 代謝物脅迫 202
6.3 細胞工廠抗脅迫機制 203
6.3.1 熱激應(yīng)答系統(tǒng) 203
6.3.2 抗氧化系統(tǒng) 205
6.3.3 細胞膜防御系統(tǒng) 208
6.3.4 蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng) 210
6.3.5 細胞群體脅迫響應(yīng)機制 212
6.4 提高細胞工廠抗逆適配性方法 214
6.4.1 隨機突變和適應(yīng)性進化 215
6.4.2 細胞膜工程 216
6.4.3 轉(zhuǎn)錄因子工程 219
6.4.4 細胞區(qū)室化工程 221
6.4.5 代謝物外排強化 222
6.4.6 智能抗逆基因線路設(shè)計 223
6.4.7 多重防御抗逆系統(tǒng)的構(gòu)建 225
6.5 小結(jié)與展望 226
第7章 生物逆合成與細胞途徑設(shè)計 235
7.1 逆合成算法預(yù)測生物合成途徑 237
7.1.1 生物逆合成途徑預(yù)測流程 238
7.1.2 結(jié)構(gòu)相似化合物的搜索 239
7.1.3 途徑反應(yīng)規(guī)則 242
7.2 途徑篩選指標與綜合評價 248
7.2.1 途徑設(shè)計的可行性 249
7.2.2 途徑設(shè)計與底盤宿主的適配性 250
7.2.3 途徑設(shè)計的綜合評價 252
7.3 反應(yīng)的候選酶預(yù)測 253
7.3.1 酶的介紹 253
7.3.2 酶序列注釋的工作流程 254
7.3.3 酶序列注釋工具 255
7.3.4 酶注釋工具的應(yīng)用案例 259
7.4 生物合成途徑與調(diào)控元件的組合設(shè)計 262
7.4.1 DoE 原理 262
7.4.2 DoE優(yōu)化途徑與元件組合空間 263
7.5 小結(jié)與展望 263
第8章 細胞工廠設(shè)計軟件與數(shù)據(jù)庫 271
8.1 計算機輔助的細胞工廠設(shè)計與構(gòu)建基礎(chǔ)：基因組尺度的代謝網(wǎng)絡(luò)模型 271
8.1.1 基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型簡介 272
8.1.2 模式菌種的基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建及應(yīng)用 282
8.2 生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫 286
8.2.1 酶數(shù)據(jù)庫 287
8.2.2 代謝數(shù)據(jù)庫 287
8.2.3 自然語言處理在數(shù)據(jù)庫建設(shè)中的應(yīng)用 289
8.3 代謝途徑的設(shè)計算法與軟件 289
8.3.1 基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 289
8.3.2 全細胞網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計算法與軟件 297
8.4 生物元件的設(shè)計方法與軟件 302
8.4.1 蛋白質(zhì)設(shè)計方法與軟件 302
8.4.2 轉(zhuǎn)錄和翻譯元件的設(shè)計方法與軟件 309
8.5 小結(jié)與展望 312
第9章 細胞工廠的快速構(gòu)建原理 321
9.1 細胞工廠快速構(gòu)建的必要性 321
9.2 細胞工廠快速構(gòu)建方法 322
9.2.1 元件快速構(gòu)建 322
9.2.2 轉(zhuǎn)錄單元和代謝途徑組裝 330
9.2.3 基因組工程與合成基因組技術(shù) 336
9.2.4 細胞工廠基因型快速驗證 342
9.3 構(gòu)建細胞工廠的過程自動化 344
9.3.1 自動化合成生物技術(shù) 344
9.3.2 工程化設(shè)施平臺設(shè)計與搭建 344
9.3.3 DNA構(gòu)建自動化 352
9.3.4 底盤細胞操作自動化 355
9.4 小結(jié)與展望 365
第10章 細胞工廠定向進化原理與技術(shù) 368
10.1 基因組進化與逆向代謝工程 368
10.2 非理性細胞工廠定向進化技術(shù) 370
10.2.1 基于基因組隨機突變的細胞工廠定向進化技術(shù) 370
10.2.2 基于基因組混編的細胞工廠定向進化技術(shù) 374
10.3 半理性細胞工廠定向進化技術(shù) 376
10.3.1 基于全局轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的細胞工廠定向進化技術(shù) 376
10.3.2 基于寡核苷酸重組的細胞工廠定向進化技術(shù) 377
10.3.3 基于 RNAi 的細胞工廠定向進化技術(shù) 380
10.3.4 基于 CRISPR 的細胞工廠定向進化技術(shù) 381
10.4 細胞工廠突變文庫的高通量篩選技術(shù) 384
10.5 逆向代謝工程：細胞工廠的進化分析與功能重構(gòu)技術(shù) 385
10.5.1 多組學(xué)分析技術(shù)及分子機制闡釋 385
10.5.2 多重基因組編輯及重構(gòu)技術(shù) 389
10.6 細胞工廠定向進化技術(shù)應(yīng)用 390
10.6.1 細胞工廠魯棒性改造 391
10.6.2 拓展細胞工廠的底物利用范圍 393
10.6.3 提高產(chǎn)物合成水平 397
10.7 小結(jié)與展望 399
第11章 細胞工廠性能快速表征與篩選原理 409
11.1 細胞工廠高通量表征與篩選基本理論 409
11.2 基于自動化機械臂的高通量篩選與表征系統(tǒng) 412
11.2.1 基本流程與主要設(shè)備 413
11.2.2 集成工作站 413
11.2.3 應(yīng)用案例 417
11.3 基于微流控技術(shù)的高通量篩選與表征系統(tǒng) 421
11.3.1 液滴微流控系統(tǒng) 422
11.3.2 單相微流控系統(tǒng) 427
11.4 工業(yè)表型高通量表征技術(shù) 429
11.4.1 代謝物生物傳感器 430
11.4.2 光譜學(xué)技術(shù) 437
11.4.3 質(zhì)譜技術(shù) 439
11.5 小結(jié)與展望 441
第12章 細胞工廠的工程應(yīng)用 448
12.1 細胞工廠在各行業(yè)的工程應(yīng)用 448
12.2 細胞工廠在傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)的工程應(yīng)用 450
12.2.1 氨基酸 450
12.2.2 維生素 455
12.2.3 抗生素 458
12.3 細胞工廠在能源化工行業(yè)的工程應(yīng)用 459
12.3.1 有機醇 459
12.3.2 有機酸 463
12.3.3 有機胺（以戊二胺為例） 468
12.3.4 聚羥基脂肪酸酯（PHA） 469
12.4 細胞工廠在醫(yī)藥行業(yè)的工程應(yīng)用 472
12.4.1 萜類——青蒿素 472
12.4.2 生物堿——阿片類 474