合成生物学、人工智能和数据科学的迅猛发展，产生了生物学的研究新范式，也创造出越来越多的分子和细胞使能技术。当下，国内外正如火如荼开展的“双碳计划”是进一步遏制全球变暖、解决资源和能源短缺、提高粮食安全的重要举措。利用小小的细胞工厂驱动物质的加工与转化，充分体现了“零碳”或“负碳”生物制造工艺。但天然细胞和传统改造的细胞存在鲁棒性差、转化效率低、反应类型少、制造周期长、可用原料种类有限等问题，并没有充分发挥出生物制造的优势，大大限制了其应用范围。合成生物学和人工智能赋能的合成生物制造，通过设计高性能的细胞工厂开展新原料、新能量的转化与利用，大大拓宽了原料利用种类、能源类型，并通过创建新反应、新途径和新产品拓展生物制造的应用范围。
▲ 合成生物学的研究范式
人类很早就掌握了利用微生物进行生产发酵的技术，19 世纪中叶，法国的路易·巴斯德（Louis Pasteur）和德国的罗伯特·科赫（Robert Koch）发明了微生物的纯培养技术，标志着天然微生物发酵阶段的到来。随着对微生物形态学、生理学和生化代谢的深入认识与理解，利用天然微生物进行发酵生产已经不能满足人们日益增长的迫切需求。20 世纪初，自然选育、诱变育种、杂交育种等技术的发展促进了优良菌种的选育与进化。20 世纪30 年代，相较于微生物，研究者发现动植物中也蕴藏着丰富的生物合成与转化途径，于是开始探索对动植物细胞进行大规模离体培养，从而正式步入了动植物细胞离体培养与应用阶段。随着遗传学和分子生物学的深入研究，到了20 世纪70 年代，DNA 重组技术及基因调控技术等重要技术的发展变革了菌种改造方式，标志着细胞工厂发展进入基因工程与细胞代谢调控阶段，代谢工程以通量计算和数学模型等方式推动了菌株改造向更加高效、精准的方向发展。
▲ 从微生物的自然发酵到细胞工厂设计
到了21 世纪初，合成生物学（synthetic biology）的出现使得我们可以更精确、更高效地调控细胞的行为，实现对细胞工厂的深度优化。通过合成生物学的赋能，细胞工厂的设计已经从依赖自然和人工选择的被动设计，转变为系统性的主动设计，大大提高和拓展了物质生产的效率、范围和可控性。该领域发展迅速，颠覆性的技术创新层出不穷，因此受到各国政府、学术界、产业界的高度关注。为了向相关领域的科研人员和研究生提供更优质的学习资源，本书主编李春教授组织了国内本领域的多个优秀科研团队，共同编著了《细胞工厂设计原理》（李春主编. 北京: 科学出版社; 济南: 山东科学技术出版社, 2024. 11）一书。
ISBN 978-7-03-079790-2
责任编辑：王 静 罗 静 刘 晶 陈 昕 张 琳
本书共分为13 章，主要从细胞工厂代谢的物质流、能量流和信息流设计，细胞工厂底盘开发，数字化细胞工厂设计，细胞工厂高效构建、进化及筛选，细胞工厂应用及工程伦理等方面系统介绍了细胞工厂的设计原理。每章主要内容及作者如下：
第1 章细胞工厂发展与设计理念（李春），重点介绍了利用细胞特性发展细胞工厂的5 个阶段。
第2 章细胞工厂热力学与动力学驱动设计（袁其朋、孙新晓），介绍了关键酶、代谢途径及辅因子与能量的驱动设计原理。
第3 章细胞工厂物联网络设计（刘立明、陈修来），从分子水平、细胞水平及群体水平介绍了细胞工厂物质流关联与控制的基本理论。
第4 章细胞工厂信息调控网络设计（欧阳立明、张立新），基于智能生物制造的5M[元件挖掘（mine）→模型预测（model）→合成途径搭建与组装（manipulate）→系统测试（measure）→绿色工业制造（manufacture）]策略，介绍了细胞对环境信号的响应机制、生物过程信息数据采集与分析，以及多尺度参数相关分析过程优化。
第5 章细胞工厂底盘设计与开发（罗云孜），对底盘细胞进行了分类，并介绍了“自上而下”及“自下而上”的底盘细胞设计与开发方法。
第6 章细胞工厂智能抗逆设计（冯旭东、李春），介绍了典型胁迫环境对细胞工厂的影响以及细胞工厂的抗胁迫机制，总结了提高细胞工厂抗逆适配性方法。
第7 章生物逆合成与细胞途径设计（李春），介绍了预测生物合成途径的逆合成算法及筛选评价指标，总结了酶预测及生物合成途径与调控元件的组合设计方法。
第8 章细胞工厂设计软件与数据库（胡冰、秦磊），介绍了基因组尺度的代谢网络模型、生物信息学数据库、代谢途径及生物元件的设计算法与软件。
第9 章细胞工厂的快速构建原理（司同），介绍了细胞工厂快速构建的必要性、构建方法及构建过程自动化。
第10 章细胞工厂定向进化原理与技术（连佳长），介绍了细胞工厂突变文库构建及高通量进化方法。
第11 章细胞工厂性能快速表征与筛选原理（张翀），介绍了细胞工厂高通量表征与筛选基本理论，并重点介绍了基于自动化机和微流控技术的高通量筛选与表征系统，以及工业表型高通量表征技术。
第12 章细胞工厂的工程应用（张学礼、刘萍萍），介绍了细胞工厂在传统发酵行业、能源化工行业及医药行业的工程应用。
第13 章细胞工厂设计的生物安全与工程伦理（孙韬、张卫文），介绍了细胞工厂设计的潜在风险与伦理问题、生物技术研究限行管理准则与规范，以及我国的生物安全与伦理研究进展及细胞工厂的封存与防逃逸技术。
▲ 细胞工厂在医药行业的工程应用
细胞工厂设计领域发展迅速，特别是涌现出了各种新概念及新技术，虽然笔者对该领域进行了精心的总结，但由于时间紧迫、业务水平有限，不妥之处在所难免，还请读者在使用本书过程中多提宝贵意见。
本文摘编自《细胞工厂设计原理》（李春主编. 北京: 科学出版社; 济南: 山东科学技术出版社, 2024. 11）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
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本书详细介绍了新一代食品生物技术及其应用，可供食品工程、生物工程、发酵工程以及合成生物学等领域的研究人员参考，也可以作为研究生教学参考用书。
（本文编辑：刘四旦）
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