内容简介
合成生物学是21世纪初新兴的生物学研究领域，是在基因工程基础上，结合生物学前沿技术诞生的以结合特定生物元件，构建具有*特生理功能的全新生物系统或生命体为目标的学科。环境合成生物学是环境科学与合成生物学的交叉学科，是利用合成生物学的原理和方法，发展针对环境污染物研究与控制的生物传感监测、毒性评价、智能降解和资源化利用等技术。
精彩书摘
第1章绪论
1.1引言
合成生物学是一个跨学科的新研究领域，旨在创建新的生物部件、设备和系统，或者重新设计己经在自然界中发现的系统。合成生物学涵盖了生物技术、基因工程、分子生物学、分子工程、系统生物学、膜科学、环境科学、生物物理学、化学与生物工程、电气与计算机工程、控制工程等各个学科的广泛方法论，涉及多学科交叉融合，结合DNA合成和测序等前沿技术，诞生了一系列不同于传统生物学的成果。区别于传统上以观测、描述、归纳为主的“自上而下”思路，合成生物学提供了以定量、受控、可预测为特点的“自下而上”研究策略（彭耀进，2020）。研究人员可以从天然生物模块提取必要的生物元件（Chen et al.，2018；Jensen and Keasling，2015）以实现特定的功能，或从头人工合成具有理想特性的基因组DNA（Gibson et al.，2010;Cello et al.，2002），乃至结合各种生物元件、基因回路、功能模块创造全新的生物系统或生命体（Ro et al.，2006）。对于环境领域的应用而言，通过合成生物学构建的、具有特定生理功能的生物系统或生物产品，具备现有各类生物监测器、生物模型不具备的特性和功能，拓展了目前各项研究的边界，加速了研究成果的高效化、简便化进程，有助于改进现有治理污染和净化环境的能力。
作为环境科学与合成生物学的交叉融合学科，环境合成生物学是利用合成生物学的原理和方法，发展针对环境污染物研究与控制的生物传感监测、毒性评价、智能降解和资源化利用等技术的一门新学科。环境合成生物学的实质是利用生物检测、基因编辑、元件挖掘、回路设计和体系组装等先进的合成生物学技术，重新设计或创造具有全新功能的生物分子、代谢途径及人造生物体，突破天然生物体功能和应激响应的极限，发展污染物高灵敏度和高选择性的生物筛查、毒性评价、智能降解方法，阐明污染物环境暴露、毒性效应和健康危害机制。在环境污染监测与治理领域，应用合成生物学原理发展环境合成生物学，有望在以下四个层面得到突破。①开发敏感指示生物，实现对环境复合污染的实时、高效原位监测。相比于传统模式生物，使用合成生物学构建的新生物体具备更高的敏感性、更强的耐受性，以及可编程性（Jaiswal and Shukla，2020;Tecon and Van der Meer，2008）。②利用可编程模式生物形成环境监控网络，不同形态或存在于不同介质的微生物、植物甚至动物传感器可共享一套监测“基因网络”，从而实现对污染物物
质流的实时监控、追踪和溯源（Xue et al.，2014）。③构建对特定污染物敏感的指示生物和整合多个毒性靶点的生物模型体，可以对毒性污染物进行快速、高效识别以及多靶点的毒性效应评价，有可能改进目前毒理学研究仍依赖于实验室和复杂暴露-评价步骤的现状（Truong et al.，2019;Wang et al.，2016）。④运用全新模式生物汇集、清除污染，经过合成生物学改造的成熟工程微生物、植物体有望大大降低污染物高效原位修复的成本。目前，生物工程技术在生物修复模式生物的开发上己经开始向着降解多种污染物、降解持久性污染物和整合多功能的目标发展（Giachino et al.，2021;Gong et al.，2018;Rucka et al.，2017）。
截至目前，合成生物学己经在疾病治疗、医药健康、能源、工业、环境、材料技术等诸多领域带来多项变革，具有广阔的应用前景。合成生物学突破了生命自然法则的某些方面，代表了人类对生命遗传密码从认识到利用的质变，从而克服自然进化的局限，创造自然界不存在的人工合成生物，设计构建功能强大、性能优越的基因回路、生物元件、人工细胞及人工复合生物系统。在发展高特异性、高灵敏度、高适用性的生物传感器，以及构建多介质、多功能、特异性、高耐受的污染修复功能生物方面，环境合成生物学将展现广泛的应用前景，带来环境监测、环境修复及更多相关领域的技术进步。
1.2环境合成生物学简介
1.2.1合成生物学基本框架
自20世纪50年代DNA作为遗传物质*次进入学界视野以来，人们对DNA与生命遗传的了解不断加深，生物学研究正以惊人的速度不断发生变化。近年来，人们对遗传密码从认识到利用的总体过程经历了两个阶段，即基因工程阶段和合成生物学阶段。合成生物学在概念上对基因工程进行了扩展，但与作为其根基的DNA合成、测序、基因组编辑、性状调控等手段是一脉相承且持续发展的，这些手段也构成了合成生物学的基本要素。但合成生物学在应用领域、设计策略、发展目标上较基因工程又有了新变化，这也是合成生物学作为生物科学*重要的特征，代表了其在众多领域具备的应用潜力。
合成生物学的出现与DNA或者基因组合成技术的革新息息相关，这一领域也始终是合成生物学的重点研究内容之一。从脊髓灰质炎病毒基因组（Cello et al.，2002）到9X174噬菌体基因组（Smith et al.，2003），再到世界上**个完全由人工化学方法合成、组装的细菌基因组（Gibson et al.，2008），作为生命遗传信息载体的基
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 环境合成生物学简介 2
1.2.1 合成生物学基本框架 2
1.2.2 环境合成生物学前瞻 6
1.3 环境合成生物学在污染治理相关领域的应用 11
1.3.1 环境复合污染物的实时高效监测 12
1.3.2 有毒污染物的高效识别及多靶点毒性效应评价 14
1.3.3 污染物高效生物修复及其降解资源化回收 16
1.4 环境合成生物学应用面临的瓶颈问题 19
1.4.1 针对复合污染的高效特异检测方法 19
1.4.2 污染物毒性的多靶点同步检测与毒性快速评价 21
1.4.3 环境修复过程的智能降解 23
1.5 未来研究展望 24
1.5.1 特异、灵敏的合成生物传感技术 24
1.5.2 污染物种类及污染源指纹信息库的建立 26
1.5.3 毒性效应生物标志物 27
1.5.4 污染物智能降解及其应用 28
1.5.5 合成生物学模式生物的环境风险控制 29
参考文献 31
第2章 生物监测 42
2.1 微生物监测 43
2.1.1 水中有害物质的微生物监测 44
2.1.2 土壤污染的微生物监测 46
2.2 细胞监测 50
2.2.1 常用的细胞毒性测试方法 50
2.2.2 细胞模型用于实际环境中污染物的筛选 52
2.3 动植物监测 55
2.3.1 动物监测 55
2.3.2 植物监测 59
2.4 生物监测方法的局限性及展望 62
2.4.1 传统生物监测在环境污染监测中的局限性 62
2.4.2 合成生物学在环境污染生物监测中的应用 63
参考文献 65
第3章 污染物的合成生物传感技术 73
3.1 环境污染物及其危害性概述 73
3.1.1 神经毒性 73
3.1.2 免疫毒性 74
3.1.3 生殖内分泌干扰毒性 74
3.2 合成生物传感技术在环境监测中的应用前景 75
3.3 污染物感应元件 75
3.3.1 转录因子 75
3.3.2 受体蛋白 76
3.3.3 核酸适配体 77
3.3.4 核糖开关 77
3.4 信号报告元件 78
3.5 合成生物传感系统 79
3.5.1 全细胞生物传感器 79
3.5.2 无细胞生物传感器 84
3.6 总结与展望 89
3.6.1 全细胞生物传感器 89
3.6.2 无细胞生物传感器 91
3.6.3 展望 92
参考文献 93
第4章 合成生物学在环境污染物检测中的应用 98
4.1 环境合成生物学检测污染物的原理 98
4.1.1 新技术与基因回路模块化设计 99
4.1.2 底盘细胞的开发 100
4.2 合成生物学应用于环境污染物的检测 101
4.2.1 抗生素类污染物的检测 101
4.2.2 重金属类污染物的检测 104
4.2.3 芳烃类污染物的检测 107
4.2.4 双酚类污染物的检测 109
4.3 环境合成生物学检测方法展望 112
4.3.1 合成生物学方法检测污染物的发展趋势 112
4.3.2 基于EDA的环境合成生物学检测方法 112
4.3.3 用于新污染物高通量筛选的生物芯片 115
参考文献 116
第5章 污染物毒性效应基于靶点识别的体外评价技术 126
5.1 污染物毒性效应的分子起始事件和靶点 127
5.1.1 环境污染危害的系统毒理学认识与多靶协同作用 127
5.1.2 污染物毒性效应的典型测试评价方法 129
5.1.3 合成生物学与基于分子起始事件的污染物毒性体外评价技术 131
5.2 基于靶点识别的环境污染物体外毒性评价方法中的合成生物学 135
5.2.1 以酵母为底盘细胞的报告基因毒性评价方法 135
5.2.2 以动物细胞为底盘细胞的报告基因毒性评价方法 141
5.2.3 脱靶效应对基于靶点识别的污染物体外毒性评价方法的影响 149
5.3 污染物多靶点体外毒性评价中合成生物学的作用 151
5.3.1 实际环境研究中基于多靶点识别的污染物成组毒性体外评价策略 151
5.3.2 现有多靶点毒性体外评价面临的问题与环境合成生物学 153
5.3.3 基因组多位点编辑及其潜在环境毒理应用 154
参考文献 155
第6章 污染物毒性评价的环境合成生物学模型 165
6.1 诱导多能干细胞模型 165
6.1.1 iPSC来源及发展 165
6.1.2 重编程因子及iPSC标志物 166
6.1.3 iPSC转导方法 167
6.1.4 iPSC影响因素 168
6.1.5 iPSC环境毒理学应用 169
6.2 器官芯片模型基础 174
6.2.1 器官芯片来源及发展 175
6.2.2 器官芯片原理 176
6.2.3 器官芯片制备方法 177
6.2.4 器官芯片应用及面临的挑战 180
6.3 嵌合体胚胎及动物 185
6.3.1 嵌合体基本概念 185
6.3.2 嵌合体胚胎制备 186
6.3.3 嵌合体动物在环境毒理学中的应用 188
6.4 干细胞模型相关伦理问题 190
6.4.1 生物安全问题 190
6.4.2 伦理问题 192
6.5 总结与展望 193
参考文献 194
试读
第1章绪论
1.1引言
合成生物学是一个跨学科的新研究领域，旨在创建新的生物部件、设备和系统，或者重新设计己经在自然界中发现的系统。合成生物学涵盖了生物技术、基因工程、分子生物学、分子工程、系统生物学、膜科学、环境科学、生物物理学、化学与生物工程、电气与计算机工程、控制工程等各个学科的广泛方法论，涉及多学科交叉融合，结合DNA合成和测序等前沿技术，诞生了一系列不同于传统生物学的成果。区别于传统上以观测、描述、归纳为主的“自上而下”思路，合成生物学提供了以定量、受控、可预测为特点的“自下而上”研究策略（彭耀进，2020）。研究人员可以从天然生物模块提取必要的生物元件（Chen et al.，2018；Jensen and Keasling，2015）以实现特定的功能，或从头人工合成具有理想特性的基因组DNA（Gibson et al.，2010;Cello et al.，2002），乃至结合各种生物元件、基因回路、功能模块创造全新的生物系统或生命体（Ro et al.，2006）。对于环境领域的应用而言，通过合成生物学构建的、具有特定生理功能的生物系统或生物产品，具备现有各类生物监测器、生物模型不具备的特性和功能，拓展了目前各项研究的边界，加速了研究成果的高效化、简便化进程，有助于改进现有治理污染和净化环境的能力。
作为环境科学与合成生物学的交叉融合学科，环境合成生物学是利用合成生物学的原理和方法，发展针对环境污染物研究与控制的生物传感监测、毒性评价、智能降解和资源化利用等技术的一门新学科。环境合成生物学的实质是利用生物检测、基因编辑、元件挖掘、回路设计和体系组装等先进的合成生物学技术，重新设计或创造具有全新功能的生物分子、代谢途径及人造生物体，突破天然生物体功能和应激响应的极限，发展污染物高灵敏度和高选择性的生物筛查、毒性评价、智能降解方法，阐明污染物环境暴露、毒性效应和健康危害机制。在环境污染监测与治理领域，应用合成生物学原理发展环境合成生物学，有望在以下四个层面得到突破。①开发敏感指示生物，实现对环境复合污染的实时、高效原位监测。相比于传统模式生物，使用合成生物学构建的新生物体具备更高的敏感性、更强的耐受性，以及可编程性（Jaiswal and Shukla，2020;Tecon and Van der Meer，2008）。②利用可编程模式生物形成环境监控网络，不同形态或存在于不同介质的微生物、植物甚至动物传感器可共享一套监测“基因网络”，从而实现对污染物物
质流的实时监控、追踪和溯源（Xue et al.，2014）。③构建对特定污染物敏感的指示生物和整合多个毒性靶点的生物模型体，可以对毒性污染物进行快速、高效识别以及多靶点的毒性效应评价，有可能改进目前毒理学研究仍依赖于实验室和复杂暴露-评价步骤的现状（Truong et al.，2019;Wang et al.，2016）。④运用全新模式生物汇集、清除污染，经过合成生物学改造的成熟工程微生物、植物体有望大大降低污染物高效原位修复的成本。目前，生物工程技术在生物修复模式生物的开发上己经开始向着降解多种污染物、降解持久性污染物和整合多功能的目标发展（Giachino et al.，2021;Gong et al.，2018;Rucka et al.，2017）。
截至目前，合成生物学己经在疾病治疗、医药健康、能源、工业、环境、材料技术等诸多领域带来多项变革，具有广阔的应用前景。合成生物学突破了生命自然法则的某些方面，代表了人类对生命遗传密码从认识到利用的质变，从而克服自然进化的局限，创造自然界不存在的人工合成生物，设计构建功能强大、性能优越的基因回路、生物元件、人工细胞及人工复合生物系统。在发展高特异性、高灵敏度、高适用性的生物传感器，以及构建多介质、多功能、特异性、高耐受的污染修复功能生物方面，环境合成生物学将展现广泛的应用前景，带来环境监测、环境修复及更多相关领域的技术进步。
1.2环境合成生物学简介
1.2.1合成生物学基本框架
自20世纪50年代DNA作为遗传物质*次进入学界视野以来，人们对DNA与生命遗传的了解不断加深，生物学研究正以惊人的速度不断发生变化。近年来，人们对遗传密码从认识到利用的总体过程经历了两个阶段，即基因工程阶段和合成生物学阶段。合成生物学在概念上对基因工程进行了扩展，但与作为其根基的DNA合成、测序、基因组编辑、性状调控等手段是一脉相承且持续发展的，这些手段也构成了合成生物学的基本要素。但合成生物学在应用领域、设计策略、发展目标上较基因工程又有了新变化，这也是合成生物学作为生物科学*重要的特征，代表了其在众多领域具备的应用潜力。
合成生物学的出现与DNA或者基因组合成技术的革新息息相关，这一领域也始终是合成生物学的重点研究内容之一。从脊髓灰质炎病毒基因组（Cello et al.，2002）到9X174噬菌体基因组（Smith et al.，2003），再到世界上**个完全由人工化学方法合成、组装的细菌基因组（Gibson et al.，2008），作为生命遗传信息载体的基
