Computational Bioengineering pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Cerrolaza, M. (EDT)/ Doblare, M. (EDT)/ Mart韓ez, G. (EDT)/ Calvo, B. (EDT)

出品人:

页数:245

译者:

出版时间:

价格:82

装帧:HRD

isbn号码:9781860944659

丛书系列:

图书标签:

• 生物工程
• 计算生物学
• 生物力学
• 生物材料
• 建模
• 仿真
• 数值方法
• 医学工程
• 生物信息学
• 工程学

生物工程学前沿：从分子机器到系统整合 本书聚焦于现代生物工程学跨学科的前沿领域，深入探讨如何利用工程学原理、物理学工具和计算模型来理解、设计和改造生物系统。本书旨在为生命科学研究者、生物医学工程师以及对前沿生物技术感兴趣的读者提供一个全面、深入的视角，涵盖从分子层面到组织器官层面的复杂生物学挑战及其工程解决方案。 --- 第一部分：生物系统的基础与量化（Foundations and Quantification of Biological Systems） 本部分奠定了理解复杂生物系统所需的基础理论框架和量化工具。我们不再将生命视为纯粹的化学反应集合，而是将其视为一个具有特定输入、输出和反馈机制的动态、可塑的工程系统。 第一章：生命的时空动态与尺度问题（Temporal and Spatial Dynamics in Life Sciences） 生物过程的特征在于其多尺度性——从皮秒级的分子构象变化到数年级的组织再生。本章首先梳理了理解这些跨尺度现象所必需的物理化学基础。重点探讨了扩散、渗透、流体力学在细胞内外环境中的关键作用。特别是，我们详细分析了反应-扩散系统在形态发生、信号梯度建立中的数学描述，例如Turing模式的生物学实现。书中将引入用于捕捉高时间分辨率动态事件的技术，如飞秒光谱学在理解酶促反应初级步骤中的应用，并讨论如何通过先进的显微成像技术（如STORM, PALM）将分子事件在纳米尺度上进行定位和量化。 第二章：生物热力学与信息熵（Bio-Thermodynamics and Information Entropy） 生命活动本质上是耗散的。本章深入探讨了生命体如何维持远离热力学平衡的稳态。内容涵盖非平衡态热力学在细胞代谢网络中的应用，分析了能量耦合效率（如氧化磷酸化、ATP水解）如何受到环境和分子机器效率的限制。信息论在生物学中的应用是本章的另一核心。我们将量化基因表达、信号转导过程中的信息损失与冗余，探讨信息编码的鲁棒性，以及生物系统如何通过信息传递实现对环境变化的精确响应。重点讨论了随机性在生物决策中的角色，区分热噪声与故意引入的随机性（如表观遗传修饰的时序性）。 第三章：生物材料的界面行为与自组装（Interface Behavior and Self-Assembly of Biomaterials） 生物工程的实现依赖于与生物环境的有效界面。本章关注生物材料与活体组织的相互作用。我们从界面能、润湿性（Wetting）和表面张力（Surface Tension）的角度分析蛋白质吸附动力学，这是理解生物相容性和血栓形成的基石。内容包括高分子动力学模拟在预测聚合物与细胞膜相互作用中的应用。此外，本书详细介绍了生物分子（如核酸、肽段、脂质）如何通过非共价键（氢键、范德华力、疏水作用）实现自下而上的精确组装，并讨论如何利用这些原理构建仿生纳米结构和活性水凝胶支架。 --- 第二部分：系统生物学与网络的重塑（Systems Biology and Network Redesign） 系统生物学将生物体视为一个相互关联的网络。本部分的核心在于如何利用数学和计算工具来解析这些复杂网络的拓扑结构、动力学行为，并在此基础上进行工程学干预。 第四章：基因调控网络的拓扑与动力学（Topology and Dynamics of Gene Regulatory Networks, GRNs） GRNs是细胞命运决定的核心。本章超越了简单的“一个基因一个功能”模型，转向网络层面分析。我们使用布尔网络和常微分方程（ODE）模型来描述基因激活与抑制的逻辑门功能。重点分析了反馈回路（正反馈与负反馈）如何赋予网络可转换性、振荡性或开关特性。本书将引入模块化分析的概念，识别在不同条件下保持相对独立功能的网络子结构（如振荡器模块、开关模块），并讨论如何通过工程手段（如CRISPRi/a系统）精确调控这些模块的参数，以实现期望的细胞表型。 第五章：代谢流与生物能的优化（Metabolic Flux Analysis and Bioenergetic Optimization） 在合成生物学和工业生物技术中，重塑代谢通路是关键目标。本章聚焦于代谢网络分析。我们将详细介绍通量平衡分析（FBA）的基本原理，如何利用线性规划来预测微生物在不同底物和氧气条件下能达到的最大产物产量。更进一步，本章探讨了动态代谢模型，考虑了酶的合成与降解速率对稳态通量的影响。读者将学习如何识别网络中的“瓶颈”步骤，并通过基因工程策略优化底物利用效率和目标产物的收率。 第六章：信号转导的鲁棒性与超调现象（Robustness and Overshoot in Signal Transduction） 细胞信号通路是信息处理的硬件。本章关注信号转导网络的鲁棒性——即系统对噪声和参数变化的不敏感性。我们通过随机过程建模分析了激酶级联反应中的随机性传播。特别关注超调（Overshoot）现象，即响应幅度超过稳态值的瞬时高峰，及其在细胞增殖、迁移等过程中的生物学意义。书中将比较不同的信号集成策略（如串联、并联、竞争性抑制）如何影响网络的响应速度和精度。 --- 第三部分：工程化活体系统与组织构建（Engineering Living Systems and Tissue Fabrication） 本部分将理论与应用相结合，探讨如何将对生物系统的深入理解转化为可操作的工程工具，用于疾病治疗、诊断和生物制造。 第七章：人造细胞器与分子机器的设计（Designing Artificial Organelles and Molecular Machines） 本章探索了在细胞内构建“人造组件”的最新进展。我们不再仅仅修复缺陷的天然组件，而是设计全新的功能单元。内容包括：基于DNA折纸术（DNA Origami）的纳米结构构建，用于精确封装药物或酶；人工核糖体或转录复合体的工程化，以实现对遗传密码的扩展或非标准氨基酸的引入。重点讨论如何设计具有特定输入（如代谢物浓度或光照）作为触发条件的逻辑门控分子开关，以实现环境响应型治疗。 第八章：生物打印与组织工程支架的力学行为（Bioprinting Mechanics and Scaffold Performance） 从二维培养到三维组织，关键在于支架设计与细胞微环境的控制。本章深入研究了生物墨水（Bioinks）的流变学特性，以及挤出式、喷墨式生物打印过程中剪切应力对细胞存活率和活性的影响。更重要的是，我们分析了支架的机械性能（弹性模量、屈曲强度）如何通过整合子（Integrins）信号反馈给细胞，指导其分化方向（例如，通过机械信号诱导间充质干细胞向骨骼或软骨分化）。本章也涵盖了用于监测和调控组织发育的活体传感器设计。 第九章：生物系统的控制论与闭环疗法（Cybernetics of Biological Systems and Closed-Loop Therapies） 生命系统本质上是反馈控制系统。本章将生物工程提升到控制论的视角。我们探讨如何设计能够自我调节的治疗方案。内容包括：智能胰岛素泵背后的PID（比例-积分-微分）控制算法在生物系统中的应用，以及如何利用合成基因回路作为细胞内的反馈控制器，使其能够根据体内特定生物标志物（如肿瘤抗原、炎症因子）的浓度，自动调节效应分子的表达水平。这部分为开发下一代具有高精度和自适应能力的活体细胞疗法奠定了理论基础。 --- 总结： 本书提供了一个跨越物理、化学、信息科学和生命科学的综合框架，旨在培养读者将生物问题视为工程问题并加以解决的能力。通过对复杂系统的深入量化分析和对功能模块的精确工程重塑，我们正逐步迈向一个可以设计、预测和构建全新生物功能的新时代。

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