《生物工程导论》（ 第二版） 围绕生物工程领域的最新发展，提供了更加全面、准确和权威的生物工程知识。本书绪论介绍了生物工程学科基础，全面涵盖基因工程、蛋白质工程等六大研究领域。随后分章深入阐述各核心领域：第2章基因工程介绍了其诞生的关键理论和工具，并引入DNA合成、测序、基因编辑等前沿技术与人工生物系统的设计与应用等内容；第3章蛋白质工程从蛋白质的结构到蛋白质的改造、可预测设计及非天然氨基酸应用均有涉及；第4章酶工程包含酶的分类、催化作用等内容与众多应用实例；第5章人工细胞工厂系统讲解了其构成体系、设计与创建及应用；第6章哺乳动物细胞工程则涉及基因与蛋白质递送、细胞培养与应用等多方面；第7章发酵工程与生物反应器包含了发酵的发展、育种、优化、发酵产品等内容；第8章生物工程与可持续发展探讨了生物工程在环境、资源与能源、农业等领域的应用和潜力，展现了生物工程在多领域的创新潜力与社会价值。
本书以“理论-技术-应用”为逻辑，各章设学习要点与思考题，兼顾系统性与实践性。本书既可作为高等学校生物工程专业导论课核心教材，也可作为生物工程相关专业选修课教材和理工科通识课教材，还可供生物工程领域相关科技工作者参考使用。
王宝俊，浙江大学求是讲席教授、教育部长江学者讲席教授。2005、2011年分别获浙江大学生物医学工程本科和帝国理工学院生物工程博士学位，2022年回国任职前曾任爱丁堡大学生物科学学院终身教授。长期致力于合成生物使能技术研究及其在生物传感、生物制造等领域应用的教学与 科研工作。近五年以通讯作者发表重要学术论文40余篇（包括NatureChemBiol等8篇Nature子刊论文），主持英国自然科学基金会、比尔盖茨基金会、美国海军研究署和国家重点研发计划重点专项、国自然重点国合项目等20余项研究基金（总额逾亿元）。担任PLOSBiology、ACSSyntheticBiology等国际权威期刊编委。2013-2021年担任爱丁堡大学生物技术本科专业学位课程《GeneExpressionandMicrobialRegulation》、合成生物学硕士专业学位课程《ToolsforSyntheticBiology》主讲教师，广受学生好评；独著出版英文专著1部、参编英文专著2部。曾获重要奖项有：2015年盖茨基金会全球大挑战探索基金奖；2016年英国生物技术与科学基金会新研究员奖；2019年英国杰出青年科学基金奖(全英仅41人)；2020年入选英国皇 家化学学会会士；2022年入选教育部“长江学者奖励计划”讲席学者、浙江省“鲲鹏行动”计划。
第1章 绪论 1
本章学习要点 1
1.1 生物工程的学科基础 2
1.2 生物工程的研究领域 3
1.2.1 基因工程 3
1.2.2 蛋白质工程 4
1.2.3 酶工程 5
1.2.4 人工细胞工厂 5
1.2.5 哺乳动物细胞工程 6
1.2.6 发酵工程 7
1.3 生物工程的服务领域 8
1.3.1 环境保护 8
1.3.2 资源与能源 9
1.3.3 农业与食品 9
1.3.4 人类健康 10
思考题 11
参考文献 11
第2章 基因工程 13
本章学习要点 13
2.1 概述 13
2.1.1 基因工程的诞生与含义13
2.1.2 工程生物学的基本原理16
2.1.3 基因工程与工程生物学的关系20
2.2 基因工程的关键工具 20
2.2.1 工具酶20
2.2.2 工程载体24
2.3 基因工程的流程 30
2.3.1 目的基因的获取30
2.3.2 基因的组装和导入35
2.3.3 阳性克隆的筛选和鉴定41
2.4 基因工程的前沿技术 43
2.4.1 DNA 的人工合成 43
2.4.2 DNA 的测序 47
2.4.3 基因编辑技术 51
2.5 基因的表达与调控 54
2.5.1 原核细胞基因表达 55
2.5.2 真核细胞基因表达 56
2.5.3 常见的调控类型 56
2.6 人工生物系统的工程化设计 58
2.6.1 生物元件 58
2.6.2 生物器件 60
2.6.3 生物系统 62
2.6.4 生物铸造厂 64
2.7 人工生物系统的应用与展望 65
2.7.1 生物传感65
2.7.2 生物诊疗68
思考题 70
参考文献 70
第3章 蛋白质工程 72
本章学习要点 72
3.1 概述 72
3.1.1 蛋白质的化学本质72
3.1.2 蛋白质的功能及应用75
3.2 蛋白质的结构基础 77
3.2.1 蛋白质的一级结构77
3.2.2 蛋白质的空间结构79
3.3 蛋白质结构的解析与预测 82
3.3.1 蛋白质结构解析82
3.3.2 蛋白质结构预测87
3.4 蛋白质的改造与进化 91
3.4.1 基因突变技术91
3.4.2 蛋白质分子的理性设计94
3.4.3 蛋白质分子的定向进化 96
3.5 全新蛋白质的设计 99
3.5.1 蛋白质结构的从头设计 99
3.5.2 蛋白质功能的从头设计 103
3.6 非天然氨基酸在蛋白质工程中的应用 107
3.6.1 蛋白质内非天然氨基酸的引入方法 107
3.6.2 非天然氨基酸在蛋白质结构与功能解析中的应用 109
3.6.3 非天然氨基酸在酶设计中的应用 110
3.6.4 非天然氨基酸在蛋白质药物研发中的应用 113
思考题 114
参考文献 115
第4章 酶工程 117
本章学习要点 117
4.1 概述 117
4.2 酶的命名和分类 119
4.2.1 国际系统分类法 119
4.2.2 国际系统命名法 121
4.3 酶的化学本质、来源和生产 121
4.3.1 酶的化学本质 121
4.3.2 酶的来源和生产 122
4.4 酶的催化作用 127
4.4.1 酶催化作用的特点 127
4.4.2 酶催化反应的机理 128
4.4.3 酶催化反应的速度理论 130
4.4.4 酶催化反应动力学 132
4.5 酶的固定化和固定化酶反应器 135
4.5.1 酶的固定化 135
4.5.2 固定化酶反应器 137
4.6 酶工程的应用 138
4.6.1 酶法合成果葡糖浆 140
4.6.2 酶法合成阿洛酮糖 141
4.6.3 酶法合成丙烯酰胺 142
4.6.4 酶法生产L- 氨基酸 143
4.6.5 酶法合成有机酸 144
4.6.6 酶法合成医药化学品 144
4.6.7 酶法合成维生素 146
4.6.8 酶用于合成高分子聚合物 147
4.6.9 酶用于合成生物能源 149
4.6.10 酶用于疾病诊断和治疗 151
4.6.11 生物传感器 153
4.6.12 酶在基因工程中的应用 154
4.7 酶工程的研究进展 155
4.7.1 酶的修饰 155
4.7.2 人工酶和模拟酶 156
4.7.3 核酶 157
4.7.4 抗体酶 158
4.7.5 酶的新用途——靶酶及酶标药物 160
4.7.6 非水系统中的酶催化 160
4.8 未来展望 161
思考题 162
参考文献 162
第5章 人工细胞工厂 165
本章学习要点 165
5.1 概述 165
5.2 人工细胞工厂的基本组成 167
5.2.1 底盘细胞 167
5.2.2 代谢途径 167
5.2.3 基因元件与调控系统 168
5.3 常见的细胞工厂底盘细胞 168
5.3.1 模式底盘细胞与非模式底盘细胞 169
5.3.2 原核微生物底盘细胞 171
5.3.3 真核微生物底盘细胞 178
5.3.4 高等生物底盘细胞 183
5.4 人工细胞工厂的设计与创建 185
5.4.1 人工细胞工厂设计与创建的基本流程 185
5.4.2 人工合成途径的设计 186
5.4.3 人工合成途径的组装 187
5.4.4 底盘细胞的设计与编辑 189
5.5 人工细胞工厂的应用 190
5.5.1 高效合成1,3- 丙二醇的人工细胞工厂 190
5.5.2 高效合成丁二酸的人工细胞工厂 192
5.5.3 高效合成青蒿素前体——青蒿酸的人工细胞工厂 193
5.5.4 高效合成长春碱前体——长春质碱和文多灵的人工细胞工厂 195
5.6 人工细胞工厂发展现存问题与未来展望 198
5.6.1 人工细胞工厂发展面临的挑战 198
5.6.2 人工细胞工厂未来发展趋势 199
思考题 200
参考文献 200
第6章 哺乳动物细胞工程 202
本章学习要点 202
6.1 概述 202
6.1.1 哺乳动物细胞生物学 202
6.1.2 哺乳动物细胞工程简史 204
6.2 哺乳动物细胞基因工程 205
6.2.1 基因表达的功能元件 205
6.2.2 表达载体 212
6.2.3 基因编辑工具 216
6.3 哺乳动物细胞转录组工程 225
6.3.1 基因激活与抑制 225
6.3.2 表观基因编辑 227
6.3.3 RNA 编辑 228
6.3.4 时空基因组工程 229
6.4 基因与蛋白质递送系统 230
6.4.1 基因递送系统 231
6.4.2 蛋白质递送系统 232
6.4.3 递送系统面临的挑战 232
6.5 哺乳动物细胞培养 233
6.5.1 哺乳动物细胞种类及其性能 234
6.5.2 动物细胞培养的环境特性 237
6.5.3 动物细胞大规模培养 239
6.6 生物大分子药物 242
6.6.1 抗体 243
6.6.2 疫苗 245
6.6.3 基因与细胞治疗 246
思考题 248
参考文献 249
第7章 发酵工程与生物反应器 251
本章学习要点 251
7.1 概述 251
7.2 发酵工程的起源与发展 252
7.2.1 微生物的发现 253
7.2.2 微生物与发酵 255
7.2.3 纯种培养技术 256
7.2.4 青霉素的开发与液体深层发酵 257
7.2.5 发酵工程的发展 260
7.3 细胞水平的微生物育种 260
7.3.1 诱变育种 261
7.3.2 基因组重排 264
7.4 微生物的营养和生长 265
7.4.1 微生物的营养 265
7.4.2 细胞生长与产物合成动力学 267
7.5 发酵工业的生产流程 269
7.5.1 原料预处理 269
7.5.2 发酵培养基的配制和灭菌 270
7.5.3 无菌空气制备 270
7.5.4 微生物种子的制备 271
7.5.5 发酵过程的操作方式 271
7.5.6 发酵产品及其分离提纯工艺 274
7.6 生物反应器 275
7.6.1 搅拌罐 275
7.6.2 鼓泡塔 276
7.6.3 气升式反应器 276
7.6.4 流化床反应器和填充床反应器 277
7.6.5 发酵过程的检测和控制 278
7.7 工业发酵产品 279
7.7.1 大宗及精细化学品 279
7.7.2 食品和饲料添加剂 280
7.7.3 酶制剂 283
7.7.4 医药及检测试剂 284
7.7.5 农用及兽用生物制品 285
7.7.6 发酵生产的聚合物 286
思考题 287
参考文献 287
第8章 生物工程与可持续发展 289
本章学习要点 289
8.1 概述 289
8.1.1 可持续发展的含义与意义 289
8.1.2 生物工程对可持续发展的影响 290
8.2 环境生物工程 290
8.2.1 环境污染与污染物 290
8.2.2 污染物生物检测与生物降解 292
8.2.3 三废生物处理 296
8.2.4 塑料生物降解 303
8.2.5 生物工程与温室效应 307
8.3 资源与能源生物工程 308
8.3.1 生物能源 308
8.3.2 生物燃料电池 310
8.3.3 仿生与合成生物系统驱动的太阳能高效转化与碳资源循环 312
8.3.4 生物采矿：绿色冶金与资源循环技术 316
8.3.5 生物基塑料：可持续材料的创新与挑战319
8.4 农业生物工程 322
8.4.1 利用转基因技术进行农作物育种 322
8.4.2 利用转基因技术改善动物生产性能 324
8.4.3 利用生物工程生产未来食品 325
8.4.4 挑战与未来展望 327
思考题 327
参考文献 328
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