《生物技術與諾貝爾獎》教材精心挑選重大前沿生物技術門類與諾貝爾獎研究成果，按照生命科學的邏輯規(guī)律，根據(jù)DNA、RNA、蛋白質、生物大分子、小分子代謝物、藥物化合物等不同層次之間的遞進關系進行內容組織，并將重組蛋白、mRNA疫苗、新冠病毒核酸檢測、癌癥的基因治療、X射線衍射技術、人工智能、定制醫(yī)療、DNA存儲技術等眾多碎片化的前沿科技知識點關聯(lián)整合成系統(tǒng)的生命科學知識網絡。本教材大量引用大師級經典學術成果，涵蓋近百位諾貝爾獎得主的重要科學貢獻，包括醫(yī)學與生理學獎、化學獎、物理學獎等；同時融合了貼近生活、改善民生的科技革新事例，以及歷年諾獎得主真實有趣的人生故事。書中還以知識框對相關拓展知識進行扼要介紹，通過問一問啟發(fā)讀者進一步思考；也配套了諾獎小故事；還以二維碼形式鏈接Rays平臺生物小動畫及問一問答案等數(shù)字資源。本書是生物、醫(yī)學等專業(yè)的通識課和選修課教材，也可作為生物科普讀物供一般科技工作者閱讀參考。
通識教育意義重大，對于培養(yǎng)具備正確價值理念、完整知識體系、終身學習能力、健全人格素質人才的重要作用不容忽視�，F(xiàn)代生物技術的全球市場體系已經非常成熟，生物經濟呈現(xiàn)大規(guī)模不斷攀升的趨勢，在世界各國發(fā)展前景極為廣闊。為培養(yǎng)具有國際行業(yè)勝任力的復合型人才，助力未來工程科學家培養(yǎng)實踐，北京理工大學化學與化工學院生物化工研究所的教學創(chuàng)新團隊精心設計并長期講授通識課程生物技術與諾貝爾獎，廣泛圍繞包括化學工程與工藝、制藥工程、生物技術、生物醫(yī)學工程、信息與計算科學、材料化學、新能源、自動化、智能制造工程、計算機科學與技術、應用物理學、國際經濟與貿易、公共事業(yè)管理、經濟學、視覺傳達設計等多個本科專業(yè)核心課的改革教材體系化建設而配套開展。每年本校選修該課的學生有百余名，另有通過五校共享課程的高校學生受惠。課程開設七年來受到熱烈歡迎，評教分數(shù)均為優(yōu)秀。出版這樣一本貫通式人才培養(yǎng)的通識教材，是高等院校復合型育人教學改革體系亟需的一環(huán)。本書面向所有專業(yè)的高校師生和素質教育工作者，也面向渴望深入了解生物技術的中學生、中學教師和科普工作者，以及關心生物科技發(fā)展的政府部門決策者和熱衷生物技術領域的投資者。
我們這個富于國際化教育背景的教師團隊精心編纂這本具有科學性和科普性的通識教材，極大地體現(xiàn)了本校多元融合一體化本科大類人才培養(yǎng)體系的辦學特色。眾所周知，作為當今世界最重要的科學獎勵系統(tǒng)，諾貝爾獎獲獎成果代表了人類科學研究的最大成就和最高水平。編者的切入點即把握生物技術與諾貝爾獎之間的緊密聯(lián)系，精心挑選重大前沿生物技術門類與諾貝爾獎研究成果，按照生命科學的邏輯規(guī)律，根據(jù)DNA、RNA、蛋白質、生物大分子、小分子代謝物、藥物化合物等不同層次之間的遞進關系進行梳理，并將重組蛋白、mRNA疫苗、新冠病毒核酸檢測、癌癥的基因治療、X射線衍射技術、人工智能、定制醫(yī)療、DNA存儲技術等眾多碎片化的前沿科技知識點關聯(lián)起來，整合成為系統(tǒng)的生命科學知識網絡。本書精心設計的邏輯架構系統(tǒng)歸納了生物技術的發(fā)展規(guī)律，使讀者收獲經典科學知識的內化和科學思維能力的提升。
編者通過敲開科學硬殼，讓讀者秒懂高科技，同時將科學家趣聞故事與科學技術知識融為一體來展示。本書內容豐富有趣，結構層次分明，系統(tǒng)性強，前沿性強；既有邏輯清晰的科學原理解析，又有針對具體生物技術的實際應用；大量引用大師級經典學術貢獻，涵蓋近百位諾貝爾獎得主的重要科學貢獻，包括生理學或醫(yī)學獎、化學獎、物理學獎等；同時融合了貼近生活、改善民生的科技革新事例，以及歷年諾獎得主真實有趣的人生故事。旨在為讀者搭建一個通過認識諾貝爾獎而領略重大科學原理的橋梁，展示支撐全球萬億美元級別生物經濟的技術核心，反映現(xiàn)代多學科交叉融合的全景風貌；有助于廣大讀者開闊視野，收獲頂尖的科學思維方式，獲得深化思考訓練，提高洞察力和鑒別力，并激發(fā)更廣闊的想象力。
編者經過三年深耕和十輪修訂，創(chuàng)新性地出版了這本具有獨特科學視角、完整知識體系及深入實現(xiàn)課程教學效果的科普性教材，是以學生為中心教學實踐的產物；可配套高等院校工程教育融合課程體系的通識教育建設。書籍富有嚴謹?shù)膶W術特征與新穎的時代特征，深入淺出地介紹了以生物技術為中心輻射到醫(yī)藥健康、能源化工、工程設計、智能制造、國際經濟與政策等各領域的諾獎成果，旨在激發(fā)廣大學子對科學技術發(fā)現(xiàn)的興趣和熱情，提升大眾讀者的判斷力和認知度，以世界最負盛名的諾貝爾獎激勵讀者爭當未來創(chuàng)新型科技人才，在科學探索的道路上實踐創(chuàng)新，普遍提升中華民族的科學素養(yǎng)和科技水平。
衷心感謝我的恩師中國科學院院士朱玉賢教授和我們生物轉化與合成生物系統(tǒng)（iBTSynBios）團隊負責人清華大學/北京理工大學李春教授欣然為本書作序！植物生理學家、武漢大學高等研究院院長、北京大學教授朱玉賢院士以他奮發(fā)勇毅的科學家精神激勵我在編纂本書的過程中不畏困難、堅持不懈。李春教授作為清華大學長聘教授、工業(yè)生物催化重點實驗室主任、清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心副主任對于本書的架構和建設起到了至關重要的作用。
非常感謝生物技術與諾貝爾獎課程全體教師團隊多年來的相互扶持、共同努力！特別感謝北京理工大學化學與化工學院的優(yōu)秀青年學子們（張鐘妮、趙容慧、楊睆洲、趙天任、鄭儒雅、汪阿力·巴合提、黃丹妮、李佳林、荊坤、呂沛宣、王帥、李敬知、王四喜、劉銳辰、付嘉琦、曹佳敏、權容翠、曾睿騰、楊智欽、岳華梁、開鈺琪等同學）查閱文獻、搜集素材、繪制圖表、制作動畫，為本書增色添彩！最后，懇請廣大讀者積極反饋、批評指正，以便本書在未來的再版修訂中不斷進步！
李珺
2024年冬月于北京
李珺，北京理工大學副教授、博士生導師。作為副主編出版的教材《合成生物學》榮獲中國石油和化學工業(yè)優(yōu)秀出版物獎（教材獎一等獎）。日常負責面向所有本科生的合成生物學俱樂部，舉辦俱樂部的宣講與招新，鼓勵本科生團隊積極參加iGem國際遺傳機器大賽互聯(lián)網 挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽；負責主持國際合作聯(lián)合實驗室北理工-女王大學中英合成生物學聯(lián)合實驗室（BIT-QUB iSynBio Lab）的建設，探索生物化工國際化培養(yǎng)合作平臺。在科研??，主要通過合成生物學的工程化思想對微生物細胞的基因組進行重編程的工作，建立新方法，獲得新菌株，有效提高產物產量同時降低生產成本。主持國家自然科學基金面上項目2項，主持國家重點研發(fā)計劃 合成生物學 專項、 綠色生物制造 專項各1項，主持企業(yè)合作項目1項。發(fā)表SCI/EI論文20篇。國家授權專利1項。
第1章 概論 1
1.1 諾貝爾獎概述 2
1.1.1 諾貝爾其人與諾貝爾獎 2
1.1.2 諾貝爾獎的評選和頒發(fā) 3
1.1.3 諾貝爾獎探索生命奧秘 5
1.2 生物技術的進步 6
1.2.1 中心法則的逐步確立 6
1.2.2 諾貝爾獎與生命科學發(fā)展 8
1.2.3 諾貝爾獎與生物技術進步 10
1.3 生物經濟與全球政策 15
1.3.1 華人科學家與其他重要獎項 15
1.3.2 中國生物經濟與政策規(guī)劃 16
1.3.3 國際生物經濟與政策規(guī)劃 17
第2章 DNA生物信息的載體 21
2.1 生物信息的起源 22
2.1.1 DNA的發(fā)現(xiàn) 22
2.1.2 DNA的自我復制 23
2.1.3 基因的存在形式 23
2.1.4 DNA的螺旋結構 23
2.2 DNA測序技術 24
2.2.1 桑格測序 25
2.2.2 第二代測序技術 26
2.2.3 第三代測序技術 27
2.3 DNA的修飾和改造 28
2.3.1 DNA擴增技術PCR 28
2.3.2 定點突變技術 31
2.3.3 可移動的遺傳元件 32
2.3.4 DNA的修復機制 32
2.3.5 基因的靶向修飾 34
2.3.6 CRISPR基因組編輯技術 35
2.4 DNA的化學與計算機學科應用 37
2.4.1 DNA的合成技術 37
2.4.2 DNA的數(shù)字化存儲 37
第3章 RNA遺傳信息的傳遞者 43
3.1 RNA家族 44
3.2 RNA病毒的一生轉錄、逆轉錄和翻譯 46
3.2.1 逆轉錄病毒與轉錄 47
3.2.2 自我增殖病毒和翻譯 49
3.3 遺傳密碼RNA奉行的真理 53
3.3.1 密碼子的破譯 54
3.3.2 密碼子的性質 56
第4章 蛋白質生物信息的表達 59
4.1 蛋白質結構 60
4.1.1 一級結構 62
4.1.2 二級結構 62
4.1.3 三級結構 62
4.1.4 四級結構 62
4.2 蛋白質結構和解析 62
4.3 蛋白質結構預測 67
4.3.1 蛋白質結構預測的發(fā)展 67
4.3.2 從蛋白質結構預測到創(chuàng)造蛋白質 70
4.4 生物節(jié)律 73
4.4.1 生物節(jié)律的發(fā)現(xiàn) 73
4.4.2 蛋白質與生物節(jié)律相關發(fā)現(xiàn)和應用 75
4.5 端粒和端粒酶 76
4.5.1 端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn) 76
4.5.2 端粒與長壽和衰老 79
4.6 蛋白質與健康 82
4.6.1 人造肉與天然肉 83
4.6.2 疾病的治療 85
第5章 觀察生物大分子的眼睛 90
5.1 生命現(xiàn)象的本質生物大分子的結構與功能 91
5.1.1 蛋白質分子的結構與功能 94
5.1.2 核酸分子的結構與功能 96
5.1.3 天作之合蛋白質與核酸（剪不斷，理還亂的關系） 96
5.2 生物大分子分析技術工欲善其事，必先利其器 97
5.2.1 X射線衍射最早看到了生物大分子的光學探測方法 97
5.2.2 質譜、核磁共振譜一級結構與三維結構 103
5.2.3 電子顯微鏡讓生物大分子的模樣更清晰可見 107
5.2.4 冷凍電鏡技術 109
第6章 生物小分子 115
6.1 生物小分子的重要作用 116
6.1.1 抗瘧之旅青蒿素的發(fā)現(xiàn) 116
6.1.2 人體為什么需要維生素？ 120
6.2 生物小分子的合成與代謝 128
6.2.1 生命活動的能量從何而來糖酵解途徑 128
6.2.2 物質代謝與能量代謝的樞紐三羧酸循環(huán) 130
6.3 生物小分子的合成與應用 134
6.3.1 膽固醇是壞分子嗎膽固醇的合成與應用 134
6.3.2 脂肪酸是如何獲得的？脂肪酸的合成與應用 137
6.3.3 微生物變身大藥房天然產物的合成與應用 138
第7章 藥物的發(fā)現(xiàn) 142
7.1 自然界的瑰寶 143
7.1.1 古時醫(yī)藥的出現(xiàn) 143
7.1.2 微生物與疾病關聯(lián)的發(fā)現(xiàn) 143
7.1.3 青霉素的發(fā)現(xiàn)拉開抗生素時代的大幕 147
7.2 走向設計藥物 148
7.2.1 砷凡納明的發(fā)明 148
7.2.2 失敗了的設計藥物齊多夫定 149
7.2.3 一氧化氮與西地那非、硝化甘油 150
7.2.4 氣體遞質 151
7.3 重大疾病的攻克 151
7.3.1 抗高血壓藥物設計 151
7.3.2 曾經的絕癥癌癥 153
7.3.3 阿爾茨海默病是不是絕癥？ 155
7.4 未來人工智能理性設計藥物？ 156
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