材料合成生物學

目錄
第1章 材料合成生物學概述 1
1.1 材料合成生物學的發(fā)展和概念 1
1.2 材料合成生物學研究范疇 3
1.3 材料合成生物學全球布局 5
1.3.1 美國：戰(zhàn)略引領(lǐng)與系統(tǒng)性投入 5
1.3.2 歐盟：政策驅(qū)動與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型 6
1.3.3 德國：基礎(chǔ)研究與應用轉(zhuǎn)化并重 7
1.3.4 中國：國家戰(zhàn)略持續(xù)布局 8
1.4 全書脈絡(luò) 8
參考文獻 8
第2章 聚乳酸材料 10
2.1 聚乳酸的材料特性 10
2.1.1 熱性能與機械性能 10
2.1.2 影響材料性能的因素 11
2.1.3 綠色特性 12
2.2 聚乳酸的應用領(lǐng)域 12
2.2.1 包裝材料 12
2.2.2 醫(yī)療材料 13
2.2.3 農(nóng)業(yè)材料 14
2.2.4 紡織品和服裝材料 14
2.2.5 3D打印材料 14
2.3 聚乳酸的胞外合成 15
2.3.1 乳酸單體的生物合成途徑 16
2.3.2 化學催化乳酸聚合成聚乳酸 21
2.4 聚乳酸的胞內(nèi)合成 22
2.4.1 聚乳酸的胞內(nèi)合成途徑和代謝途徑優(yōu)化 22
2.4.2 聚乳酸胞內(nèi)合成的關(guān)鍵酶 24
2.4.3 聚乳酸胞內(nèi)合成的碳源選擇 27
2.4.4 胞內(nèi)聚乳酸產(chǎn)物的分離純化與檢測 28
2.4.5 聚乳酸胞內(nèi)合成的主要挑戰(zhàn)和研究方向 30
2.5 聚乳酸的改性賦能 31
2.5.1 微生物法合成聚（乳酸-co-3-羥基丁酸酯） 31
2.5.2 其他單體與乳酸共聚 36
2.6 聚乳酸材料的挑戰(zhàn)和限制 37
2.6.1 生產(chǎn)成本和經(jīng)濟可行性 38
2.6.2 性能和應用范圍的限制 38
2.6.3 市場接受度和消費者意識 39
2.7 聚乳酸材料的創(chuàng)新和發(fā)展 40
2.7.1 生物聚合技術(shù)的進步 40
2.7.2 未來的潛在應用 41
2.8 總結(jié)與展望 43
參考文獻 43
第3章 聚羥基脂肪酸酯（PHA）材料 52
3.1 PHA概述 52
3.1.1 PHA的組成和結(jié)構(gòu) 53
3.1.2 PHA的性質(zhì) 54
3.1.3 PHA的應用 55
3.2 PHA的生產(chǎn) 58
3.2.1 PHA的生物合成途徑 58
3.2.2 PHA的生產(chǎn)工藝 60
3.3 PHA材料的定制化合成 61
3.3.1 基于假單胞菌的中長鏈/功能化PHA的定制化合成 61
3.3.2 短鏈PHA的定制化合成 64
3.4 PHA材料的低成本生產(chǎn) 69
3.4.1 傳統(tǒng)工業(yè)生物技術(shù)與下一代工業(yè)生物技術(shù) 69
3.4.2 基于嗜鹽微生物的下一代工業(yè)生物技術(shù) 70
3.4.3 嗜鹽微生物的合成生物學改造以實現(xiàn)多種PHA的高效生產(chǎn) 73
3.5 PHA材料的低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 76
3.6 總結(jié)與展望 78
參考文獻 79
第4章 重組膠原蛋白材料 87
4.1 膠原蛋白概述 87
4.1.1 膠原蛋白的結(jié)構(gòu) 87
4.1.2 膠原蛋白的類型 89
4.1.3 膠原蛋白的合成與降解 90
4.2 重組膠原蛋白概述 92
4.2.1 重組膠原蛋白的發(fā)展 93
4.2.2 重組膠原蛋白的特點 94
4.2.3 重組膠原蛋白的分類 95
4.3 重組膠原蛋白的生物制造 95
4.3.1 重組膠原蛋白表達體系的構(gòu)建 95
4.3.2 重組膠原蛋白生產(chǎn)菌株的發(fā)酵調(diào)控 98
4.3.3 重組膠原蛋白的分離純化 101
4.4 重組膠原蛋白的應用 102
4.4.1 骨修復材料 103
4.4.2 創(chuàng)面修復敷料 103
4.4.3 角膜基質(zhì)再生材料 104
4.4.3 藥物輸送 105
4.4.4 蛋白質(zhì)替代療法 105
4.4.5 皮膚醫(yī)學 106
4.5 總結(jié)與展望 107
參考文獻 108
第5章 絲蛋白材料 113
5.1 絲蛋白概述 113
5.2 蛛絲蛋白分類與結(jié)構(gòu)特性 115
5.3 蛛絲蛋白的異源合成 119
5.3.1 蛛絲蛋白異源合成的技術(shù)挑戰(zhàn) 119
5.3.2 絲蛋白的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系 120
5.3.3 絲蛋白合成的細胞工廠構(gòu)建 123
5.3.4 重組絲蛋白的性能提升 127
5.4 重組絲蛋白的體外組裝形式 131
5.4.1 絲蛋白纖維 131
5.4.2 絲蛋白凝膠 134
5.4.3 絲蛋白3D支架 135
5.4.4 絲蛋白靜電紡絲納米纖維 136
5.4.5 絲蛋白活體材料 137
5.4.6 絲蛋白其他組裝形式 138
5.5 絲蛋白潛在應用領(lǐng)域 139
5.5.1 醫(yī)學領(lǐng)域 139
5.5.2 軍事與航空領(lǐng)域 142
5.5.3 紡織領(lǐng)域 143
5.5.4 其他領(lǐng)域 144
5.6 絲蛋白產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 145
5.7 總結(jié)與展望 147
參考文獻 147
第6章 抗凍蛋白材料 158
6.1 抗凍蛋白 158
6.1.1 抗凍蛋白的來源 159
6.1.2 抗凍蛋白的功能 160
6.1.3 抗凍蛋白的結(jié)構(gòu) 161
6.2 抗凍機理 167
6.2.1 抗凍蛋白擾動水分子 168
6.2.2 抗凍蛋白與冰晶結(jié)合 169
6.3 抗凍蛋白模擬物 172
6.3.1 功能仿抗凍蛋白材料 173
6.3.2 結(jié)構(gòu)仿抗凍蛋白材料 175
6.4 抗凍（糖）蛋白的應用 178
6.4.1 抗凍（糖）蛋白在食品工業(yè)中的應用 178
6.4.2 抗凍（糖）蛋白在細胞冷凍保存中的應用 179
6.4.3 抗凍（糖）蛋白在涂層方面的應用 180
6.4.4 抗凍（糖）蛋白在冰純化方面的應用 181
6.5 總結(jié)與展望 182
參考文獻 182
第7章 模塊化的重組蛋白質(zhì)材料 191
7.1 蛋白質(zhì)材料概述 191
7.2 天然蛋白質(zhì)材料 193
7.2.1 自然界中的蛋白質(zhì)材料 193
7.2.2 天然蛋白質(zhì)材料的局限性 195
7.3 蛋白質(zhì)材料構(gòu)建基元的設(shè)計 196
7.3.1 定向進化策略 196
7.3.2 理性設(shè)計 200
7.3.3 模塊化設(shè)計與重組蛋白技術(shù) 205
7.4 蛋白質(zhì)材料的組裝技術(shù) 210
7.4.1 蛋白質(zhì)的分級組裝與自組裝 211
7.4.2 蛋白質(zhì)組裝中的相互作用 216
7.4.3 人工智能輔助蛋白質(zhì)材料設(shè)計 222
7.5 總結(jié)與展望 223
參考文獻 224
第8章 蛋白質(zhì)水凝膠材料 233
8.1 蛋白質(zhì)水凝膠概述 234
8.1.1 蛋白質(zhì)水凝膠的種類 234
8.1.2 不同種類蛋白質(zhì)特性對水凝膠性質(zhì)的影響 236
8.2 蛋白質(zhì)水凝膠的交聯(lián)方法及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)象 237
8.2.1 化學交聯(lián)方法 237
8.2.2 物理交聯(lián)方法 240
8.2.3 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)象變化與環(huán)境響應 241
8.3 蛋白質(zhì)水凝膠的物理力學特性 244
8.3.1 水凝膠的物理特性 244
8.3.2 水凝膠的機械性能 245
8.3.3 影響水凝膠物理力學特性的因素 246
8.4 蛋白質(zhì)水凝膠在生物醫(yī)藥中的應用 249
8.4.1 藥物遞送 249
8.4.2 細胞培養(yǎng) 252
8.4.3 組織工程 256
8.4.4 其他應用 260
8.5 總結(jié)與展望 264
參考文獻 266
第9章 可控分子量透明質(zhì)酸材料 277
9.1 透明質(zhì)酸概述 277
9.2 透明質(zhì)酸的合成 278
9.2.1 透明質(zhì)酸的合成途徑 278
9.2.2 透明質(zhì)酸合酶與透明質(zhì)酸糖鏈聚合 279
9.3 透明質(zhì)酸的酶法降解 281
9.3.1 透明質(zhì)酸的降解 281
9.3.2 水蛭透明質(zhì)酸酶基因的序列鑒定及在畢赤酵母中的重組表達 282
9.4 低分子量透明質(zhì)酸的酶催化生產(chǎn) 284
9.4.1 低分子量透明質(zhì)酸的生產(chǎn)方法 284
9.4.2 水蛭透明質(zhì)酸酶酶解制備低分子量透明質(zhì)酸與寡聚糖 285
9.5 透明質(zhì)酸可控分子量生物合成 293
9.5.1 超高分子量透明質(zhì)酸的生物合成 293
9.5.2 中高分子量透明質(zhì)酸的發(fā)酵生產(chǎn) 298
9.5.3 低分子量透明質(zhì)酸的一步發(fā)酵生產(chǎn) 300
9.6 總結(jié)與展望 311
參考文獻 312
第10章 細菌纖維素材料 315
10.1 細菌纖維素的來源與合成 315
10.1.1 細菌纖維素的來源 315
10.1.2 細菌纖維素的合成 316
10.2 細菌纖維素的發(fā)酵工藝 320
10.2.1 微環(huán)境對細菌纖維素合成的影響 320
10.2.2 發(fā)酵方式對細菌纖維素合成的影響 322
10.3 細菌纖維素的代謝工程改造 324
10.3.1 細菌纖維素的代謝通路 324
10.3.2 調(diào)控細菌纖維素合成的遺傳工具 326
10.3.3 定向改造細菌纖維素的合成 328
10.4 細菌纖維素功能復合材料的改性方式 331
10.4.1 非原位改性 332
10.4.2 原位改性 333
10.5 細菌纖維素功能復合材料的應用領(lǐng)域 338
10.5.1 油水分離領(lǐng)域 338
10.5.2 傷口敷料領(lǐng)域 339
10.5.3 生物傳感領(lǐng)域 340
10.6 總結(jié)與展望 342
參考文獻 342
第11章 核酸材料 349
11.1 核酸分子與核酸材料 349
11.1.1 核酸分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 349
11.1.2 核酸分子生物活性 352
11.1.3 核酸材料的優(yōu)勢 354
11.2 核酸材料構(gòu)建策略 354
11.2.1 基于DNA單鏈的模塊組裝 355
11.2.2 基于DNA納米結(jié)構(gòu)的模塊組裝 356
11.2.3 熱穩(wěn)定聚合酶鏈反應 357
11.2.4 滾環(huán)擴增 358
11.2.5 雜交鏈反應 360
11.2.6 雜化組裝 361
11.2.7 DNA折紙技術(shù) 362
11.3 核酸材料的種類 362
11.3.1 核酸水凝膠 362
11.3.2 納米核酸材料 367
11.3.3 雜化納米核酸材料 369
11.4 核酸材料的應用 371
11.4.1 細胞和外泌體的特異分離 371
11.4.2 生物信號檢測 372
11.4.3 細胞調(diào)控 374
11.4.4 生物成像 375
11.4.5 疾病治療 377
11.5 總結(jié)與展望 383
參考文獻 384
第12章 細菌合成納米材料及半人工光合作用 387
12.1 細菌合成納米材料概述 387
12.1.1 細菌合成磁小體 388
12.1.2 細菌合成量子點 393
12.1.3 細菌合成其他無機納米材料 401
12.1.4 潛在挑戰(zhàn) 405
12.2 半人工光合作用 407
12.2.1 半人工光合作用概述 407
12.2.2 半人工