《合成生物學》課程教學大綱

《合成生物學》課程教學大綱（理論課程）一、課程基本信息課程號1223S00050開課單位生命科學學院課程名稱（中文）合成生物學（英文）SyntheticBiology課程性質選修考核類型考試課程學分2課程學時34課程類別專業(yè)拓展課程先修課程生物化學，分子生物學，生物信息學，基因工程原理，細胞生物學，遺傳學，微生物學，基因組學，蛋白質組學適用專業(yè)（類）生物信息，生物技術，生物科學二、課程描述及目標（一）課程簡介合成生物學(SyntheticBiology)是一門結合生命科學觀察分析方法和工程學設計思維的新興學科，也是一門匯集生物學、基因組學、工程學和信息學等多學科的交叉學科。其遵循系統(tǒng)生物學和工程學原理，以基因組和生化分子合成為基礎，綜合生物化學、生物物理和生物信息等技術，采用標準化生物元件和基因線路，在理性設計原則指導下組裝并合成新的、具特定功能的生物系統(tǒng)，旨在設計、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過程，以構建具有生命活性的生物元件、系統(tǒng)及人造細胞或生物體。其能夠突破了生命發(fā)生與進化的自然法則，使生物密碼從“讀”到“寫”，實現(xiàn)由“格物致知”向“建物致知”轉化。課程主要內容包括：合成生物學基本原理、基因線路、設計與組裝、調控與優(yōu)化、無細胞合成系統(tǒng)、建模與計算機輔助工具、合成生物學應用及合成生物學引發(fā)的新浪潮（產(chǎn)業(yè)形勢、國際影響、倫理等）。該課程要求學生掌握合成生物學的基本概念、生物分子的合成與模塊化，基因網(wǎng)絡、生物系統(tǒng)和代謝途徑的生物合成，了解合成生物學基本原則和生物系統(tǒng)的工程化技術，同時培養(yǎng)學生應用所學知識觀察、分析、解決問題的能力，為學生在未來科研和工作中打下堅實的理論基礎。（二）教學目標通過本課程的學習，使學生了解合成生物學的基本概念，掌握模塊化設計、生物分子合成及相應分析軟件的原理和方法，熟悉合成生物學中基因網(wǎng)絡、生物系統(tǒng)和代謝途徑的設計、組裝與優(yōu)化的關鍵步驟和過程。在此基礎上，培養(yǎng)學生應用所學知識觀察、分析、綜合和獨立解決問題的能力，理解并遵循合成生物學的基本原則和工程化本質，根據(jù)合成生物學數(shù)據(jù)資源設計并開展生物醫(yī)學相關領域課題的研究設計。在學習過程中，使學生對合成生物學產(chǎn)生濃厚的興趣，了解合成生物學在未來的應用潛力和前景，也對合成生物學引發(fā)的倫理問題和風險有所認知。同時，通過本課程學習，也能夠建樹嚴謹且具有創(chuàng)新性的思維方式，在學生未來科研和工作中發(fā)揮積極作用。課程目標1：掌握合成生物學的基本理論知識和工程設計方法；對合成生物學的特質具有初步認知。能夠認識合成生物學在創(chuàng)建與改造生命、引領生物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中的地位和作用。課程目標2：理解合成生物學的設計理念和思維方式；課程目標3：了解合成生物學如何與產(chǎn)業(yè)需求相結合并在解決實際問題中發(fā)揮作用，加深學生對于綜合運用多學科方法改寫生命并服務人類需求的濃厚興趣；課程目標4：理解生命的意義和按照人類合理需求設計和改造生物系統(tǒng)的光明前景，進而尊重和珍惜生命的價值。三、課程目標對畢業(yè)要求的支撐關系畢業(yè)要求指標點課程目標權重1-5：了解合成生物學的發(fā)展歷史、學科前沿和發(fā)展趨勢，掌握合成生物學基本原理、基本方法和相關技術。熟悉合成生物學及其產(chǎn)業(yè)的相關方針、政策、法規(guī)。課程目標140%2-2：初步具備從事生物科學及其相關領域科學研究的能力，具有綜合運用所掌握的理論知識和技能，具有自主學習、自我發(fā)展能力；課程目標220%3-3：具有良好的專業(yè)素質和一定的批判性思維能力；懂得學術誠信，樹立創(chuàng)新意識和可持續(xù)發(fā)展理念，具備合成生物學的實踐和技術革新能力。課程目標320%3-4：具有正確的人生觀、價值觀和良好的道德品質；具有健康的心理狀態(tài)，積極樂觀的態(tài)度，健全的人格等。課程目標420%四、教學方式與方法合成生物學主要體現(xiàn)學生為主體、教師為主導的討論式教學，多采用啟發(fā)式、討論式的教學方法，激發(fā)學生的學習積極性。主要使用多媒體，采取講授和討論相結合方式進行教學。充分利用現(xiàn)代教育技術多媒體手段進行教學，讓學生通過實踐方案學習更好的理解合成生物學的基礎理論知識，激發(fā)學生對于利用多學科交叉和工程化的理念去改造乃至創(chuàng)造生物的產(chǎn)生興趣，取得良好的教學效果。五、教學重點與難點（一）教學重點考慮到合成生物學涵蓋多個學科的基礎知識，本課程的基本內容需要從合成生物學角度出發(fā)將各學科能應用的技術手段或計算方法進行整合和選擇性講述，主要是講述生物系統(tǒng)設計的基本原則和方法、合成生物系統(tǒng)的數(shù)學模擬一般方程與分析方法、掌握模擬邏輯功能的基礎研究及其他方面的合成生物學基礎研究。（二）教學難點該課程的教學難點是合成生物學設計和優(yōu)化過程中所用到的關鍵技術、相關統(tǒng)計學和數(shù)學模型分析，尤其是涉及復雜生物學技術的原理和數(shù)學建模比較抽象，課時限制，并且與先行課程關系密切。六、教學內容、基本要求與學時分配序號教學內容基本要求學時教學方式對應課程目標1第1章合成生物學概述了解合成生物學產(chǎn)生的歷史與發(fā)展概況，學科的研究內容以及學科展望，合成生物學與其它學科的關系，其工程化特質和研究范疇，使學生對該課程有較為全面的了解，激發(fā)學生學習興趣。2講授與課堂討論課程目標1、22第2章合成生物學原理通過典型案例分析，重點掌握合成生物學的研究思路、生物模塊的特點、合成生物系統(tǒng)的層級化結構及邏輯關系、合成生物學的設計原理等，要求學生對于合成生物學中常用的研究思路和方法能夠明了。4講授與課堂討論課程目標1、2、3和43第3章合成生物系統(tǒng)的基因線路合成基因線路是合成生物學重要的組成部分，通過學習，需了解基因線路的起源和發(fā)展過程，掌握組成基因線路的調控元件—邏輯門和開關基因線路、基因線路調控開關，并能夠舉實例介紹基因線路的應用。6講授與課堂討論課程目標1、2、3和44第4章合成生物系統(tǒng)的設計與組裝通過典型案例分析，掌握以合成生物系統(tǒng)為核心的相關設計、組裝、構建及優(yōu)化的理論和技術。了解合成生物系統(tǒng)研究過程中的常見分析篩選方法以及如何通過“設計-構建-檢驗-重設計”循環(huán)對合成生物系統(tǒng)進行優(yōu)化。最后，也要理解合成生物系統(tǒng)中的群體感應，即將合成生物系統(tǒng)由單細胞個體擴展到多細胞群體。6講授與課堂討論課程目標1、2、3和45第5章合成生物系統(tǒng)的調控與優(yōu)化了解合成生物系統(tǒng)的單點與全局調控和優(yōu)化，以及理性與隨機調節(jié)。明悉合成生物系統(tǒng)基因組編輯技術的基本原理及部分應用實例，理解基因表達調控的多樣性、智能性以及多功能性。6講授與課堂討論課程目標1、2和36第6章無細胞合成生物系統(tǒng)掌握無細胞合成生物學的基本理念和設計思路、常用的無細胞合成系統(tǒng)及工程改造手段，了解無細胞合成生物學在結構生物學、高通量篩選、生物醫(yī)藥、生物催化和疾病診斷等方面的應用，理解無細胞合成生物學的挑戰(zhàn)。2講授課程目標1、2、3和47第7章合成生物學建模與計算機輔助工具了解合成生物系統(tǒng)進行數(shù)學建模的方法，明悉大數(shù)據(jù)時代下合成生物學模型與文庫的特點、發(fā)展的瓶頸和未來的發(fā)展方向，能夠舉例介紹部分計算機工具在合成生物學研究中的具體應用。4講授與課堂討論課程目標1、2、3和48第8章合成生物學的應用能夠舉出具體實例來說明前面所學基礎知識的應用，理解并能夠展示合成生物學的廣泛應用。2講授與課堂討論課程目標49第9章合成生物學引發(fā)的新浪潮與顛覆了解合成生物學的發(fā)展情況和應用前景；理解當前國際上由合成生物學引發(fā)的倫理研究及對應的策略。2講授與課堂討論課程目標1、2、3和4合計34七、實驗內容、基本要求與學時分配無。八、學業(yè)評價和課程考核（一）考核類型：t考試考查（二）考核方式：t開卷考試閉卷考試課程論文課程報告其它：（三）成績評定：考核依據(jù)建議分值（百分比）考核/評價細則對應課程目標平時考核40%出勤10%每次上課學生的考勤情況課程目標1作業(yè)20%每章課后思考題完成的進度，掌握的基本概念及正確性，。課程目標1和2表現(xiàn)10%課堂與老師的互動及回答問題表現(xiàn)課程目標2和3期末考核60%考試分數(shù)課程目標1、2、3和4九、課程目標達成評價課程目標的實際達成效果計算方式如下，達成值越高，教學效果越好。課程目標達成度畢業(yè)要求指標點達成度十、教材與教學參考書（一）教材《合成生物學》，李春主編，化學工業(yè)出版社，ISBN：9787122350251,2019.10（二）教學參考書1.《合成生物學與合成酶學》張今等編著.科學出版社.2012年2.《合成生物學導論》宋凱科學出版社2010年3.《次生代謝產(chǎn)物生物合成:原理與應用》余龍江、趙春芳化學工業(yè)出版社2017年4.《SyntheticBiology》(英)，MarkusSchmidt編著，Wiley-Blackwell出版社，2012年（三）網(wǎng)絡資源IGE