合成生物学

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个人介绍

合成生物学

主讲教师：牛秋红韦宇平

教师团队：共3位

韦宇平
张林
鲁玮

学校：	南阳师范学院
开课院系：	生命科学与农业工程学院
专业大类：	生物学
开课专业：	生物与医药专业硕士研究生，生物工程本科生
课程负责人：	牛秋红
课程英文名称：	Synthetic biology
课程编号：	ZJ0055112
学分：	2
课时：	36

课程介绍

    合成生物学是在系统生物学和工程科学融合发展出来一个崭新的交叉学科，吸收了基因组、功能基因与调控、代谢组、遗传工程、电子工程接信息科学等领域的最新研究成果。通过合成生物学手段对生物元件‘模块、系统仍至细胞的重新设计和调试，可以检验我们对生命过程背后的分子作用机制、生物复杂系统和网络的认识，同时可以制造出具有全新功能的生命体系，为满足人类可持续发展条件下的医学、能源、化工、环境等领域的需要提供崭新的技术和解决方案。
   本课程作为生物专业学位研究生教育中的专业基础课程，将重点从合成生物学的基本概念、学科研究基础出发，将合成生物学的基本研究思想贯彻到教学中。让学生了解和掌握合成生物学的研究方法，人工生物学元器件、功能模块及生命系统设计原理及技术实现途径，以及基因的精准调控及电路逻辑等核心内容。同时介绍合成生物学在基因组合成、药物开发与实践、能源和化工、以及疾病治疗等领域的最新进展。本课程的开设可拓宽生物与医学专业研究生的视野，为他们将来在理论指导下开展科学实践打下良好的基础。
1 新的生物零件、组件和系统的设计与建造；
2 对现有的、天然的生物系统的重新设计。

教师团队

韦宇平

职称：副教授

单位：南阳师范学院

部门：生命科学与农业工程学院

职位：教师

张林

职称：实验师

单位：南阳师范学院

部门：生命科学与农业工程学院

职位：教师

鲁玮

职称：讲师

单位：南阳师范学院

部门：生命科学与农业工程学院

职位：教师

先修课程

1. 数理知识

数学、物理学、化学、计算机软件及信息处理等。

2. 专业基础知识

生物化学、遗传学、细胞生物学、微生物学、分子生物学、基因工程、生物信息学等。

课程目标

本课程通过介绍合生生物的基本原理和设计理念，将合成生物元器件、模块、系统等逐一向学生解析，让研究生掌握人工基因电路设计及对应模块的精准调控原理，同时掌握对各种元件、模块、途径及系统进行优化的基本方法。使学生对合成生物学在各种应用场景中的实现有一定的了解。本类别研究生通过本门课程学习，应能够根据合成生物钟的工程化研究思路，在实践中运用合成生物学的先进研究技术与方法，解决基础科学和技术应用中出现的问题。病为培养其独立分析与研究能力，提升创新思维与科研素养打下基础。

授课方式

本课程建议采用教师讲述、学生分组讨论及文献导读相结合的方式进行。教师讲述合成生物学的背景基础、基本概念、设计原理、技术及方法、逻辑及优化等核心内容，介绍合成生物学的主要研究和应用领域 ; 学生分组针对主要知识单元和知识点开展学习、讨论和陈述，最后通过最新文献的学习了解合成生物学各领域逇最新进展和应用案例。

课程内容

课程内容
（一）合成生物
（二）合成生物
(三)合成生
（四）合成生物

本课程建议为2学分，32学时。课程内容按知识领域，知识单元、知识开展。其中必修知识点80%，选修拓展知识点20%。

（一）合成生物学研究背景（6小时）

学习目的：了解合成生物学的发展简史，最新发展动态及未来趋势等，掌握合成生物学基本概念。通过对组学基础知识及分析方法介绍，为合成生物学的学习和应用打下基础。

学习要求：学生必须理解和掌握元件、模块途径、系统和底盘宿主等合成生物基本概念，同时了解作为合成生物学基础的组学分析的基本方法。

知识单元	知识点	必修/选修；重点/难点
使能技术	DNA合成、纠错及扩扩增技术	必修
	DNA重组及拼接技术	必修；重点
	基因组编辑：ZFN\TLAN\GRIS/Cas9	必修；重点
	群体、单细胞及单分子分子技术	必修；重点

（二）合成生物学的核心技术（16小时）

学习目的：掌握DNA合成和拼接、基因组编辑等技术的基本原理和方法，实现功能基因元件、模块、途径和系统的组装方法；掌握原核、真核细胞内基因调控及信号传递的基本要素，理解人工基因电路设计的基本逻辑及调试方法；同时通过计算辅助设计实现生物功能元器件、途径、系统的优化。

学习要求：要求学生能根据不同的宿主，熟练运用合适的生物功能模块和调控元件等设计出人工合成生物系统；能通过计算机辅助软件进行元件的辅助设计和优化；根据不同的应用场景实现精准调控的基因电路的并能在时间中提出构建和测试方案。

知识单元	知识点	必修/选修；重点/难点
使能技术	DNA合成、纠错及扩增技术	必修
	DNA重组及拼接技术	必修；重点
	基因组编辑；ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9	必修；重点
	群体、单细胞及单分子分析技术	必修；重点
功能及调控元器件	原核细胞的代谢合成元器件及转录调控因子	选修；重点
	原核细胞间的信息交流：信号分子及群体感应	选修；重点
	真核细中的信号转导及调控元件	选修；重点
	真核细胞中的非编码RNA调控元件	选修；重点
	光感应蛋白、DNA 重组酶等其他基因元件器	必修
人工基因电路设计原理	布尔逻辑门基因电路的设计和构建	选修；重点
	基因震荡器的构建、稳定和调试	选修；重点
	基因点电路的噪声与延时	选修；重点
	基因点电路中的时钟同步、计数器及记忆器	选修
	真核细胞中的基因电路构建	必修
计算机辅助设计和系统优化	蛋白-蛋白相互作用、热稳定性分析蛋白折叠预测	必修
	酶与底物的锚定分析。酶的新催化活性设计与进化	必修
	计算机辅助的功能遇见设计、途径预测、菌株优化和代谢途径改造	必修，重点

(三) 合成生物学应用（8学时）

学习目的：掌握人工合成基因组的基本技术原理和最新进展；了解合成生物学在药物合成、能源、化工、环境、医疗u健康等领域的最新进展和应用。

学习要求：让学生能思考和探索人工合成生命体中衍生出的基本科学问题；让学生掌握人工药物、大宗化学品生物合成途径的设计原理、构建策略和分析技术，了解疾病治疗相关领域的人工基因电路设计原理，为将来涉足这些领域打下基础。

知识原点	知识点	必修/选修；重点/难点
基因组重编程	“自上而下”、至下而上解析最小基因组	必修
	细菌基因组的从头合成及重编码	必修
	酵母基因组合成及染色体重建	必修
	国际合作基因组别写技化（GP-write）	选修
绿色化工	化学品的绿色制造	选修
绿色化工	生物能源的绿色制造	必修
环境治理	污染废弃物的降解与转化	选修
抗逆性改造	抗发酵抑制物	必修
	抗毒性中间产物	选修
	抗毒性终产物	选修
能源、化工、环境治理等的应用	合成生物学在氧能源开发中的应用	选修
	合成生物学在有机燃料、大宗华学品合成中的应用	选修
	合成生物学在环境监测及污染物降解中的应用	选修
基因电路与疾病治疗	基因点库与代谢相关疾病的治疗	选修
	基因电路与肿瘤的治疗	选修
	基因电路与免疫相关疾病的治疗	选修

（四）合成生物学伦理与安全（2学时）

学习目的：介绍科学界、公众及各国政府对合成生物学发展引发的生物安全和伦理的关注及相关法律法规。

学习要求：使学生理解合成生物学技术御用的合理范畴和边界，推动合成生物学在实践中可持续、健康的发展。

知识原点	知识点	必修/选修；重点/难点
合成生命伦理、生物安全与相关法律法规	人造生命体系引发的伦理思考	必修
	科学界及公众对合成生物及产品安全的思考	必修
	各国政府颁布的法律法规	必修

学习要求：学生必须理解和掌握元件、模块途径、系统和底盘宿主等合成生物基本概念，同时了解作为合成生物学基础的组学分析的基本方法。

知识单元	知识点	必修/选修；重点/难点
使能技术	DNA合成、纠错及扩扩增技术	必修
	DNA重组及拼接技术	必修；重点
	基因组编辑：ZFN\TLAN\GRIS/Cas9	必修；重点
	群体、单细胞及单分子分子技术	必修；重点

知识单元	知识点	必修/选修；重点/难点
使能技术	DNA合成、纠错及扩增技术	必修
	DNA重组及拼接技术	必修；重点
	基因组编辑；ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9	必修；重点
	群体、单细胞及单分子分析技术	必修；重点
功能及调控元器件	原核细胞的代谢合成元器件及转录调控因子	选修；重点
	原核细胞间的信息交流：信号分子及群体感应	选修；重点
	真核细中的信号转导及调控元件	选修；重点
	真核细胞中的非编码RNA调控元件	选修；重点
	光感应蛋白、DNA 重组酶等其他基因元件器	必修
人工基因电路设计原理	布尔逻辑门基因电路的设计和构建	选修；重点
	基因震荡器的构建、稳定和调试	选修；重点
	基因点电路的噪声与延时	选修；重点
	基因点电路中的时钟同步、计数器及记忆器	选修
	真核细胞中的基因电路构建	必修
计算机辅助设计和系统优化	蛋白-蛋白相互作用、热稳定性分析蛋白折叠预测	必修
	酶与底物的锚定分析。酶的新催化活性设计与进化	必修
	计算机辅助的功能遇见设计、途径预测、菌株优化和代谢途径改造	必修，重点

学习目的：掌握人工合成基因组的基本技术原理和最新进展；了解合成生物学在药物合成、能源、化工、环境、医疗u健康等领域的最新进展和应用。

知识原点	知识点	必修/选修；重点/难点
基因组重编程	“自上而下”、至下而上解析最小基因组	必修
	细菌基因组的从头合成及重编码	必修
	酵母基因组合成及染色体重建	必修
	国际合作基因组别写技化（GP-write）	选修
绿色化工	化学品的绿色制造	选修
绿色化工	生物能源的绿色制造	必修
环境治理	污染废弃物的降解与转化	选修
抗逆性改造	抗发酵抑制物	必修
	抗毒性中间产物	选修
	抗毒性终产物	选修
能源、化工、环境治理等的应用	合成生物学在氧能源开发中的应用	选修
	合成生物学在有机燃料、大宗华学品合成中的应用	选修
	合成生物学在环境监测及污染物降解中的应用	选修
基因电路与疾病治疗	基因点库与代谢相关疾病的治疗	选修
	基因电路与肿瘤的治疗	选修
	基因电路与免疫相关疾病的治疗	选修

学习目的：介绍科学界、公众及各国政府对合成生物学发展引发的生物安全和伦理的关注及相关法律法规。

学习要求：使学生理解合成生物学技术御用的合理范畴和边界，推动合成生物学在实践中可持续、健康的发展。

知识原点	知识点	必修/选修；重点/难点
合成生命伦理、生物安全与相关法律法规	人造生命体系引发的伦理思考	必修
	科学界及公众对合成生物及产品安全的思考	必修
	各国政府颁布的法律法规	必修

参考教材

李春主编. 合成生物学. 化学工业出版社.2020版
宋凯主编. 合成生物学导论. 科学出版社. 2010年出版
Mario Andrea Marchisio. Introduction in Synthetic Biology. About Modeling, computation, and circuit design. Springer Nature Singapore Pte Ltd . ISSN 2509-6125 ISBN 978-981-10-8752-3 JMMario Andrea Marchisioario Andrea Marchisio

考核要求

考核方式：平时作业、研究综述和笔试。平时成绩（含出勤和小组探讨）占30%；研究综述占20%；期末考试占50%

考核标准：考试试题覆盖整个课程指南，考核学生对合成生物学核心内容的理解与掌握程度，重点考查学生在实践中运用合成生物学的设计思路和创新技术，解决科学实践中所面临的具体问题时所体现的创新能力

课程评价

教学资源

课程章节资源

课程章节	\| 文件类型		\| 修改时间	\| 大小	\| 备注
1.1 邓子新院士谈合成生物学		视频 .mp4	2023-10-12	2.22GB
1.2 重组酵母菌		视频 .mp4	2023-10-12	257.10MB
1.3 代谢通路改造		视频 .mp4	2023-10-12	175.16MB
1.4 新药合成		视频 .mp4	2023-10-12	81.55MB
1.5 生物质废弃物高效转化		视频 .mp4	2023-10-12	268.30MB
1.6 生物制造		视频 .mp4	2023-10-12	2.37GB
2.1 合成生物学基本概念		文档 .pdf	2024-09-17	729.51KB
2.2 合成生物学研究的核心内容		文档 .pdf	2024-09-17	631.36KB
2.3 合成生物学的多学科交叉、工程化特质		文档 .pdf	2024-09-17	162.94KB
2.4 合成生物学的研究进展		文档 .pdf	2024-09-17	712.94KB
2.5 授课实录		视频 .mp4	2025-02-11	265.59MB
		视频 .mp4	2025-02-11	524.89MB
		视频 .mp4	2025-02-11	185.00MB
2.6 在线测试		作业 .work	2025-02-11	--
3.1 合成生物学的基本原理		文档 .pdf	2024-09-25	655.17KB
3.2 合成生物学的研究方法：生物积块的标准化		文档 .pdf	2024-10-11	712.03KB
3.3 合成生物系统的逻辑结构与分析		文档 .pdf	2024-10-16	632.57KB
3.4 授课实录		视频 .mp4	2025-02-11	335.44MB
		视频 .mp4	2025-02-11	503.61MB
		视频 .mp4	2025-02-11	784.77MB
3.5 在线测试		作业 .work	2025-02-11	--
4.1 合成生物系统的元件		文档 .pdf	2024-10-30	1.36MB
4.2 合成生物系统的基因网络		文档 .pdf	2024-11-01	1.36MB
4.3 合成生物系统的结构		文档 .pdf	2024-11-06	1.78MB
4.4 合成生物系统的设计		文档 .pdf	2024-11-14	1002.13KB
4.5 构建与优化合成生物系统		文档 .pdf	2024-11-19	1.76MB
4.6 授课实录		视频 .mp4	2025-02-11	862.50MB
		视频 .mp4	2025-02-11	521.84MB
		视频 .mp4	2025-02-11	616.62MB
		视频 .mp4	2025-02-11	588.60MB
		视频 .mp4	2025-02-11	594.06MB
4.7 在线测试		作业 .work	2025-02-11	--
5.1 无细胞合成生物学与无细胞合成生物系统		文档 .pdf	2024-11-27	1.84MB
5.2 授课实录		视频 .mp4	2025-02-11	551.31MB
5.3 在线测试		作业 .work	2025-02-11	--
6.1 合成生物学的生物安全风险		文档 .pdf	2024-12-04	1007.05KB
6.2 合成生物学的社会伦理冲击和知识产权问题		文档 .pdf	2024-12-11	841.34KB
6.3 授课实录		视频 .mp4	2025-02-11	599.49MB
		视频 .mp4	2025-02-11	686.32MB
6.4 在线测试		作业 .work	2025-02-11	--
7.1 授课实录1		视频 .mp4	2024-09-10	469.23MB
7.2 授课实录2		视频 .mp4	2024-09-10	360.97MB
7.3 授课实录3		视频 .mp4	2024-09-10	378.47MB
7.4 授课实录4		视频 .mp4	2024-09-10	483.89MB
7.5 授课实录5		视频 .mp4	2024-09-10	416.09MB
7.6 授课实录6		视频 .mp4	2024-09-10	454.37MB
8.1 学生视频1		视频 .mp4	2024-09-10	93.30MB
8.2 学生视频2		视频 .mp4	2024-09-10	38.62MB
8.3 学生视频3		视频 .mp4	2024-09-10	51.92MB
8.4 课堂讨论1		视频 .mp4	2025-02-11	208.72MB
8.5 课堂讨论2		视频 .mp4	2025-02-11	75.85MB
9.1 新文献		文档 .pdf	2025-02-11	1.83MB
		文档 .pdf	2025-02-11	5.75MB
		文档 .pdf	2025-02-11	1.81MB
		文档 .pdf	2025-02-11	2.03MB
		文档 .pdf	2025-02-11	2.36MB