生物反應(yīng)器

前言

　　2007年7月，編者榮幸地獲邀參加了在美國新罕布什爾州小鎮(zhèn)Tilton舉行的Gordon科學(xué)大會（GRC）植物代謝工程衛(wèi)星會議。以本次會議主席JoeChappell教授領(lǐng)銜的本領(lǐng)域著名科學(xué)家和資深學(xué)者，美國能源部（DOE）、美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）以及美國國家科學(xué)基金（NSF）的科學(xué)官員，大型跨國生物技術(shù)公司（MONSANTO、SYNGENTA、MENDEL、BAYER、CERES、ARCADIA、ATHENIX）的技術(shù)專員等114人出席了會議。會議設(shè)有主會場和分會場，其中主會場共有9個議題：①代謝網(wǎng)絡(luò)與工程：非植物類；②植物代謝途徑的組織與進化；③酶的可塑性：在代謝工程中是友還是敵？④代謝工程調(diào)控因子；⑤植物化學(xué)品的轉(zhuǎn)運與滯留；⑥獲取能源及生物轉(zhuǎn)換；⑦復(fù)雜農(nóng)藝性狀工程；⑧發(fā)展中世界的植物代謝工程；⑨通向未來的窗口。分會場共有4個議題：①代謝在植物與環(huán)境相互作用中扮演的新角色；②植物代謝的發(fā)育及細胞生物學(xué)；③理解代謝網(wǎng)絡(luò)的綜合方法；④植物代謝工程的策略。另外，會議上還展示了74份墻報?！　“凑誈RC的慣例，會議報告不發(fā)摘要，墻報內(nèi)容不許攝（像）錄（音），與會者只能憑耳朵聽、大腦記、敲鍵盤。既然有這樣不成文的規(guī)定，那我也不好破例，盡管我事先準(zhǔn)備了攝錄設(shè)備，但都沒有派上用場。作為本次會議唯一的中國參會者，我希望盡我所能對會議報告和墻報內(nèi)容進行博聞強記，并盡可能多地跟參加會議的頂尖科學(xué)家們交流，爭取將會議中透出的“亮點”和一些不會公開發(fā)表的重要信息帶回國來。早在20年前，我就曾拜讀過植物基因工程鼻祖、比利時根特大學(xué)教授MarcdeBlock先生有關(guān)農(nóng)桿菌及Ti質(zhì)粒的論文，這次有幸巧遇并當(dāng)面求教，心情非常激動。世界著名植物生物工程學(xué)家、美國阿堪薩斯生命科學(xué)研究院教授PamelaWeathers女士的實驗室是目前世界上植物生物反應(yīng)器做得最出色的研究團隊之一，能有機會親耳聆聽她的報告的確是極大的享受。同時，這次會議上有關(guān)生物合成途徑的人工設(shè)計、轉(zhuǎn)錄因子文庫用于突變體發(fā)現(xiàn)、總轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)代謝網(wǎng)絡(luò)相關(guān)基因表達、植物細胞的基因組尺度模型構(gòu)建、基于系統(tǒng)學(xué)方法的高靈敏度代謝交通控制檢測器研制等都值得特別關(guān)注?！　≡跁h間歇的休閑劃艇比賽以及從美國東部到西部的長途跋涉中，我都一直在思考如何將會議內(nèi)容及時傳達給國內(nèi)同行，倒是我在北歐訪學(xué)時就已熟識的一位中國旅芬學(xué)者在洛杉磯國際機場甩給我一句話：“Writeitandtellthem”。誠然，寫點東西實在是個不難的“沖動”，但怎么寫和寫成多大篇幅卻讓我犯難。說實話，由于平常工作較忙，最初僅僅打算在國內(nèi)發(fā)表1篇會議紀(jì)要或參會感想，以饗國內(nèi)讀者。可是，我后來發(fā)現(xiàn)，這篇小品文怎么也拿不出手，因為會議涉獵的專業(yè)領(lǐng)域既新且廣，而我實在欠缺高屋建瓴的能力。如此思忖，與其“蜻蜓點水”般泛泛而談，不如靜下心來慢慢捋一捋?？紤]到國內(nèi)目前還沒有將轉(zhuǎn)基因和代謝工程融為一體的生物反應(yīng)器專著出版，同時也因為本校研究生教學(xué)工作的迫切需要，于是我萌發(fā)了編寫一本有關(guān)這方面的教科書或教學(xué)參考書的想法。恰逢此時，受到化學(xué)工業(yè)出版社編輯的鼓勵和支持，成為催生這本洋洋灑灑75萬字的《生物反應(yīng)器——轉(zhuǎn)基因與代謝途徑工程》的“幕后推手”?！　谋緯g架結(jié)構(gòu)來看，可概括為1條“主線”——生命的基本運動形式（信息、能量、物質(zhì)）；2條“副線”——轉(zhuǎn)基因植物和基因工程微生物；3條“縱線”——生物孵化器、生物傳感器、生物解碼器；4條“橫線”——食品、藥物、能源、材料，由此對涉及生物化學(xué)、酶學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、植物生理學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)和轉(zhuǎn)基因代謝工程技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容進行一番合理穿插及有機整合，再將此次植物代謝工程國際會議的精華內(nèi)容及近幾年來國內(nèi)外的最新研究成果融匯其中。正如讀者所見證的那樣，本書的主要參考文獻集中選擇了2000～2009年時段內(nèi)經(jīng)過同行評議并用英文發(fā)表的一批高水平研究論文?！　∫换?年過去了，這本書終于脫稿，我如釋重負，但同時又有些忐忑不安，畢竟將轉(zhuǎn)基因與代謝途徑工程融入生物反應(yīng)器還是一個初步嘗試，加之從創(chuàng)意、計劃、實施到完成的時間較為倉促，牽涉的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識既有廣度又有深度。好在此前我曾主編過幾本相關(guān)的中文專著并參編過英文專著，加之我還有10年擔(dān)任生物化學(xué)和分子生物學(xué)課程教學(xué)工作的經(jīng)歷，同時我的研究團隊近年來在高產(chǎn)青蒿素轉(zhuǎn)基因青蒿及基因工程酵母培育等植物及微生物代謝途徑工程方面積累了一定的研究經(jīng)驗，令我在這些相關(guān)內(nèi)容的編寫上頗有駕輕就熟和順理成章之感。但是，在這部尚屬草創(chuàng)的作品里，差錯甚至謬誤在所難免，篇章結(jié)構(gòu)、遣詞造句和數(shù)字化表述也有不足。借此初版之機，筆者懇請廣大讀者提供寶貴意見，尤其歡迎同行們不吝批評、賜教！以便下次再版或重印時修改?！　”緯牟糠謭D表借鑒或參考自國內(nèi)外多部專著，在此一并致謝！同時，本書收錄的本課題組近年以來的研究成果得到國家自然科學(xué)基金（30870072）、留學(xué)回國人員科技活動擇伏經(jīng)費資助，特致謝忱。

內(nèi)容概要

本書以天然生物反應(yīng)器為切入點，系統(tǒng)地介紹了信息流(遺傳信息傳遞、環(huán)境信號轉(zhuǎn)導(dǎo))、能量流(光能轉(zhuǎn)換、化學(xué)能轉(zhuǎn)換)和物質(zhì)流(碳代謝、氮代謝)等三大基本生命運動形式的內(nèi)涵。本書嘗試將生物反應(yīng)器與轉(zhuǎn)基因及代謝工程融為一體，在現(xiàn)代基因組學(xué)輝煌成就的映襯下，提綱挈領(lǐng)地概覽了結(jié)構(gòu)與功能基因組學(xué)及序列與資源基因組學(xué)，并深入淺出地闡述基因工程(基因分離與重組)、蛋白質(zhì)工程(分子改造與組合)、代謝途徑工程(包括轉(zhuǎn)基因植物和工程微生物培育)等人工生物反應(yīng)器研制技術(shù)主軸。在仿生生物反應(yīng)器部分，對生物孵化器、生物傳感器、生物解碼器等從納米元器件到成套仿生分子機器的前瞻性領(lǐng)域進行了概述與展望。全書共分9篇，下設(shè)19章，分章內(nèi)容貫穿著1條“主線”，即生命的基本運動形式(信息流、能量流、物質(zhì)流)；2條“副線”，即轉(zhuǎn)基因植物和基因工程微生物；3條“縱線”，即生物孵化、生物傳感、生物解碼；4條“橫線”，即應(yīng)用于食品、藥物、能源、材料。    本書以2000～2009年國內(nèi)外公開發(fā)表的研究論文為主要參考資料，集作者長期從事生物工程教學(xué)科研所積累的研究成果編撰而成，可供從事基因工程、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、合成生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的專業(yè)研究人士，供職于食品生物技術(shù)、醫(yī)藥生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)、材料生物技術(shù)等領(lǐng)域的技術(shù)人員，高等院校生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、輕工、食品等專業(yè)的教師和學(xué)生及非生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的讀者閱讀和參考。

書籍目錄

緒論  一、生物反應(yīng)器的定義及研究范疇  二、代謝途徑工程的內(nèi)涵與外延   三、工程化生物反應(yīng)器的研究背景  四、工程化生物反應(yīng)器的發(fā)展前景第一篇  信息流  第一章  遺傳信息傳遞生物反應(yīng)器    一、DNA指導(dǎo)DNA合成    二、DNA指導(dǎo)RNA合成    三、RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成  第二章  環(huán)境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)生物反應(yīng)器    一、信號系統(tǒng)    二、受體蛋白系統(tǒng)    三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能模塊    四、環(huán)境及發(fā)育信號轉(zhuǎn)導(dǎo)    五、逆向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)——質(zhì)體信息傳遞    參考文獻第二篇  能量流  第三章  光能轉(zhuǎn)換生物反應(yīng)器    一、質(zhì)體的演化與發(fā)育    二、葉綠體基因組    三、葉綠體的功能結(jié)構(gòu)    四、光反應(yīng)——光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換    五、CO2固定  第四章  化能轉(zhuǎn)換生物反應(yīng)器    一、線粒體的結(jié)構(gòu)與功能    二、線粒體基因組    三、底物磷酸化    四、氧化磷酸化    參考文獻第三篇  物質(zhì)流  第五章  碳代謝生物反應(yīng)器    一、糖類的結(jié)構(gòu)及合成    二、脂類的結(jié)構(gòu)及合成    三、碳代謝衍生物合成   第六章  氮代謝生物反應(yīng)器    一、氮素利用    二、氨基酸合成    三、核苷酸合成    四、氮代謝衍生物合成    參考文獻第四篇  結(jié)構(gòu)與功能基因組學(xué)  第七章  基因結(jié)構(gòu)剖析    一、基因組織    二、基因標(biāo)記    三、基因分型    四、基因定位    五、基因作圖    六、基因測序  第八章  基因功能注釋    一、基因表達    二、基因比較    三、基因變異    參考文獻第五篇  序列與資源基因組學(xué)  第九章  基因序列挖掘    一、基因測序    二、基因搜尋  第十章  基因資源利用    一、抗生物脅迫基因    二、抗非生物脅迫基因      三、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)基因    四、沉默及抗沉默基因    參考文獻第六篇  基因工程  第十一章  基因克隆    一、基因克隆載體    二、基因制備    三、基因分離  第十二章 基因重組    一、基因表達載體    二、基因轉(zhuǎn)移    三、植株再生    四、基因鑒定    參考文獻第七篇  蛋白質(zhì)工程  第十三章  分子修飾    一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組織    二、蛋白質(zhì)分子設(shè)計    三、蛋白質(zhì)及核酶修飾  第十四章  組合篩選    一、克隆組合基因文庫    二、合成組合化學(xué)文庫    三、組合文庫篩選    參考文獻第八篇  代謝途徑工程  第十五章  轉(zhuǎn)基因植物    一、植物基因工程食品      二、植物基因工程藥物      三、植物基因工程能源    四、植物基因工程材料   第十六章  工程微生物    一、微生物基因工程食品    二、微生物基因工程藥品    三、微生物基因工程能源    四、微生物基因工程材料    參考文獻第九篇  仿生分子機器  第十七章  生物孵化器    一、生物培養(yǎng)    二、生物轉(zhuǎn)化    三、生物修復(fù)    第十八章  生物傳感器    一、生物響應(yīng)     二、生物換能    三、生物傳感    四、生物記憶  第十九章  生物解碼器    一、生物檢測      二、生物反應(yīng)      三、生物計算    參考文獻  附錄  縮略語對照表  推薦閱讀的書目

章節(jié)摘錄

　　廣義的生物反應(yīng)器泛指能行使全部或部分生物學(xué)功能的天然生物體或人工模擬器具，因而有活體天然生物反應(yīng)器與離體人工生物反應(yīng)器之分。狹義的生物反應(yīng)器僅指離體生物反應(yīng)器，如發(fā)酵罐。Ratledge和Kristiansen在其編著的“Basic Biotechnology”（2001）一書中對后者的定義為：“生物反應(yīng)器或稱發(fā)酵罐是一切基于生物技術(shù)的生產(chǎn)過程（疫苗、蛋白質(zhì)、有機酸、氨基酸、抗生素、酶或微生物的生物轉(zhuǎn)化、生物修復(fù)和生物降解以及用作生物肥料的微生物接種培養(yǎng)物）的核心。生物催化劑、微生物、動物或植物細胞均在生物反應(yīng)器中產(chǎn)生和維持”?！　【椭参锒裕铙w生物反應(yīng)器可細分為：①主要基于細胞膜及內(nèi)膜系統(tǒng)的環(huán)境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)生物反應(yīng)器，因為絕大多數(shù)感應(yīng)環(huán)境信號的受體皆為細胞膜或細胞內(nèi)膜鑲嵌蛋白；②基于細胞核與細胞質(zhì)的遺傳信息傳遞生物反應(yīng)器，遺傳物質(zhì)的復(fù)制主要發(fā)生在細胞核，而轉(zhuǎn)錄和翻譯主要發(fā)生在細胞質(zhì)，盡管細胞器也是遺傳信息表達的場所；③基于葉綠體的光能轉(zhuǎn)換生物反應(yīng)器，負責(zé)執(zhí)行光能驅(qū)動的光合鏈電子傳遞與光合磷酸化，即光合作用；④基于線粒體的化能轉(zhuǎn)換生物反應(yīng)器，負責(zé)執(zhí)行化能驅(qū)動的呼吸鏈電子傳遞與氧化磷酸化，即呼吸作用；⑤以活細胞為基地的物質(zhì)代謝生物反應(yīng)器，主要包括碳代謝、氮代謝及其衍生物的合成與分解?！　』铙w生物反應(yīng)器屬于生物學(xué)研究范疇，其研究內(nèi)容基本上涵蓋生物學(xué)的大部分基礎(chǔ)學(xué)科，但涉及更多分支學(xué)科及前沿領(lǐng)域。植物生理學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因組學(xué)等就是植物活體生物反應(yīng)器涉及的重要學(xué)科，其中遺傳信息傳遞和環(huán)境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等信息流的代謝解析必須借助遺傳學(xué)和分子生物學(xué)理論，光能轉(zhuǎn)換與化能轉(zhuǎn)換等能量流的代謝詮釋需要植物學(xué)和植物生理學(xué)知識，碳代謝和氮代謝及其衍生物的合成與分解等物質(zhì)流的代謝注解會涉及生物化學(xué)（糖、脂、氨基酸、核苷酸合成）、微生物學(xué)（共生固氮）等專業(yè)領(lǐng)域。同時，基因組學(xué)和生物信息學(xué)是指導(dǎo)基因分離、重組、改造、設(shè)計、轉(zhuǎn)移等基因工程、蛋白質(zhì)工程和代謝途徑工程賴以建立的最可靠和最實用的參照系及理論基礎(chǔ)?！　　?/pre>








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