随着合成生物学快速发展,经过遗传改造的优良微生物广泛应用于生物医药、食品、生物材料、化工和能源等领域,但同时也伴随着紧迫的生物安全和生物技术产权纠纷问题,这些微生物一旦释放到外界环境,会带来难以预料的后果,如生态环境的破坏和技术创新的阻碍等。本文基于大肠杆菌的细胞分裂调控基因和必需基因,利用合成生物学、分子生物学等方法设计并构建了两种基因密码锁,以期达到人工控制细胞生长及保护微生物菌种的目的。主要研究结果如下:通过选择大肠杆菌细胞分裂抑制基因minC、minC-minD和微生物群体感应系统AHL-Lux R设计了2种细胞分裂调控基因线路,使细胞生长分别下降了53.34%和59.33%,有效地抑制了大肠杆菌的分裂和生长,并通过外源添加群体感应分子酰基高丝氨酸内酯(AHL)调控minC和minC-minD的表达,探索了其对细胞生长的精细调控。通过选择与大肠杆菌细胞呼吸相关的必需基因尿卟啉原III合成酶基因hemD及阿拉伯糖、IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)诱导的伴侣蛋白ipgC和转录因子mxiE等基因元件设计了2种必需基因调控线路。一种是由阿拉伯糖直接诱导表达hemD的单层基因线路,另一种是由阿拉伯糖和IPTG共同诱导表达hemD的双层“与”门基因线路。结果表明,敲除hemD的菌株ΔhemD生长缓慢,加入诱导剂后均可激活单层和双层调控hemD表达的必需基因线路,可以有效调节微生物生长。本文所构建的2种类型的基因密码锁均可控制大肠杆菌的生长和存活率,从而可避免危险生物因子的传播和扩散,保护微生物改造的知识产权,减少菌种流失的经济损失,在生物安全和保护领域具有重要意义。