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