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页数:481

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出版时间:2010-5

价格:34.00元

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isbn号码:9787534572531

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现代生物工程原理与实践指南 第一部分：生物工程学基础 第一章：生物工程的范畴与发展历程 本章旨在为读者构建一个全面、深入的生物工程学概念框架。我们将探讨生物工程作为一门跨学科领域的本质，它如何融合分子生物学、遗传学、生物化学、细胞生物学以及工程学原理。从最早的微生物发酵技术到现代的基因编辑技术，我们将梳理生物工程技术从经验积累到理论指导的演变轨迹。重点分析推动这一领域飞速发展的关键技术突破，例如限制性内切酶的发现、重组DNA技术的建立，以及高通量测序技术的普及。此外，本章还将深入剖析生物工程在不同历史阶段所面临的技术瓶颈及其突破方式，为理解当前研究前沿奠定坚实的理论基础。内容将详细介绍生物反应器设计的基本原理、生物过程的放大效应（Scale-up challenges），以及质量控制在生物制品生产中的核心地位。 第二章：分子生物学工具箱：从克隆到测序 本章聚焦于支撑现代生物工程实践的核心分子生物学技术。我们将详细解析DNA、RNA和蛋白质的分子操作技术。内容涵盖： 基因克隆技术： 详述PCR（聚合酶链式反应）的原理、热循环参数优化及其在分子诊断中的应用。重点讨论载体的选择（如质粒、病毒载体）及其在不同宿主系统中的表达效率差异。 基因编辑技术： CRISPR-Cas9系统的结构、工作机制、脱靶效应的控制策略，以及其他新兴基因编辑工具（如碱基编辑、先导编辑）的比较分析。 高通量测序技术（NGS）： 阐述第一代、第二代（Illumina平台为主）及第三代（PacBio、Oxford Nanopore）测序技术的原理、优缺点及数据分析流程。探讨全基因组测序、转录组测序在生物制药研发中的应用场景。 蛋白质工程基础： 酶的定向进化（Directed Evolution）、理性设计（Rational Design）方法论，以及用于改善蛋白稳定性和催化效率的结构生物学方法（如X射线晶体学、冷冻电镜）。 第二章补充：生物信息学在工程中的作用 生物工程的蓬勃发展离不开强大的数据处理能力。本节将介绍用于处理海量组学数据的生物信息学工具，包括序列比对算法（BLAST、FASTA）、基因组组装策略、蛋白质结构预测软件（如AlphaFold的应用）以及代谢通路的建模与分析方法。 第二部分：生物制药工程 第三章：重组蛋白药物的开发与生产 本章系统阐述如何将基因工程转化为可规模化生产的药物。内容覆盖： 宿主细胞系的构建与筛选： 详细比较哺乳动物细胞（CHO细胞系）、酵母、细菌（大肠杆菌）作为生产系统的优劣势，特别是针对复杂糖基化需求的解决方案。 上游工艺（Upstream Processing）： 细胞培养的营养液设计（无血清、化学成分明确培养基的优化）、生物反应器的类型选择（搅拌罐式、气升式），以及关键过程参数（pH、溶解氧、葡萄糖浓度）的动态控制策略。探讨批次培养、补料分批培养和连续培养模式的切换点与效率评估。 下游工艺（Downstream Processing）： 阐述从发酵液或细胞培养物中分离和纯化目标蛋白的复杂流程。重点分析层析技术（亲和层析、离子交换层析、疏水作用层析）的串联使用，膜过滤技术（超滤、渗滤）在浓缩和缓冲液置换中的应用，以及病毒灭活与清除步骤的验证标准。 第四章：基因治疗与细胞治疗载体构建 本章聚焦于前沿的生物治疗手段，侧重于其工程化实现。 病毒载体的设计与生产： 深入剖析腺病毒（Ad）、腺相关病毒（AAV）和慢病毒（LV）载体的结构特性、基因组包装容量、靶向性以及免疫原性。重点讨论如何通过修饰病毒衣壳蛋白来提高组织特异性和安全性。 AAV规模化生产挑战： 阐述如何在大规模悬浮培养体系中高效、高滴度地生产GMP级别的AAV颗粒，包括对细胞株的改造和优化分离纯化流程以应对复杂的病毒颗粒异质性。 CAR-T细胞治疗的工艺流程： 详细描述T细胞的采集、体外活化、基因转导（使用慢病毒或电穿孔法导入CAR结构基因）、扩增和回输的每一个关键步骤，强调无菌操作和质量控制在细胞产品中的极端重要性。 第三部分：工业生物技术与合成生物学 第五章：代谢工程与微生物细胞工厂 本章探讨如何利用工程手段改造微生物，使其高效生产高价值化学品、燃料或生物材料。 代谢通路的理性设计： 介绍如何通过生物信息学工具识别关键调控点，利用基因敲除、过表达或引入异源基因来重塑微生物的碳流和能量流。 案例分析： 详细分析利用工程酵母或大肠杆菌生产生物燃料（如丁醇、异戊二烯）、维生素（如核黄素）或新型生物聚合物（如PHA）的工业化路线图。 高通量筛选技术： 介绍用于快速评估数千种代谢工程菌株性能的自动化筛选平台，如流式细胞术筛选、微流控阵列技术在代谢优化中的应用。 第六章：合成生物学元件库的构建与应用 合成生物学是生物工程的下一代驱动力。本章将系统介绍构建复杂生物系统的基本“零件”和“电路”。 标准生物元件（BioBricks）： 阐述标准化的DNA元件（启动子、核糖体结合位点、终止子）的库构建与共享机制。 基因振荡器与逻辑门： 深入解析如何利用反向调控环路构建时间控制的表达系统（振荡器），以及如何利用多个调控元件组合实现复杂的布尔逻辑运算（AND, OR, NOT门）。 细胞器的工程化： 探讨在真核细胞中设计和构建人工细胞器（如人工线粒体或叶绿体）以增强特定代谢途径效率的前沿研究。 第四部分：生物过程的放大、质量控制与法规 第七章：从实验室到工厂：生物过程的放大与优化 本章关注如何将成功的实验室方案转化为符合工业标准的生产流程。 传质与传热挑战： 详细分析在扩大培养体积时，搅拌效率下降导致的氧传递速率（kLa）变化、局部pH和营养物质梯度不均等工程问题，并给出解决方案（如优化搅拌器几何形状和功率输入）。 过程分析技术（PAT）： 介绍实时监测和反馈控制在生物制造中的关键作用。讨论使用在线传感器（如拉曼光谱、荧光探针）监测细胞代谢状态和产品生成速率，实现对反应过程的闭环控制。 连续制造技术： 探讨与传统分批模式相比，连续流微反应器和连续层析系统在提高生产效率、降低设备占地面积方面的优势和实施难度。 第八章：GMP、质量体系与法规合规 生物工程产品的特殊性要求极其严格的质量管理。 GMP（良好生产规范）的核心要求： 详细解读cGMP在设施设计、人员培训、物料追踪、偏差处理和变更控制方面的具体规定。 产品质量属性（CQA）与关键工艺参数（CPP）： 阐述如何基于风险评估的方法（QbD，质量源于设计）来确定影响产品疗效和安全性的核心参数，并建立可接受的工艺操作范围。 生物类似药的审评路径： 探讨生物类似药与原研药在结构相似性、生物活性、免疫原性方面需要进行的详尽比较研究及其在不同国家监管机构的提交要求。 总结：生物工程的未来趋势 本指南最后将展望器官芯片技术（Organ-on-a-Chip）在药物筛选中的潜力，以及人工智能在加速生物分子设计和优化复杂生物系统中的革命性作用，为读者指明未来研究和产业化的方向。

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