合成生物学的快速发展为人们设计高效的微生物底盘细胞提供了可能,依据其理论和方法,工程化改造的微生物广泛应用于工业生产、环境监测、生物医学等领域。光是自然界大量存在的物质,生物细胞中存在着众多感受光的元件。通过合理的组装光元件,人们在原核生物中陆续开发了响应蓝光、绿光、红光/近红外光的调控系统。这些光系统在调控原核生物基因表达以及特定生物学功能等方面发挥着重要作用。在代谢工程中,精确调控酶基因的表达是关键任务。传统的组成型方式会导致酶基因过度表达,增加宿主的生存压力。随后发展的化学调控方法,包括IPTG、金属离子等,一定程度解决了过表达带来的弊端。但化学物质具有毒副作用,且无法进行空间上的调控。与化学调控相比,以光为基础开发的光遗传学装置可以做到远程无痕迹的调节。蓝光调控的光遗传学装置被用于代谢工程中,可以提高代谢物的产量。但蓝光对细胞有一定的毒性,并且穿透力较弱。因此开发一种穿透力强、毒性小的光调控装置用于代谢工程将具有极大的价值。我们基于课题组前期的研究,设计和合成了远红外光调控的原核生物基因表达装置。我们首先设计和构建了V1版本,包括光敏元件Bph S和Bph O、转录元件Bld D-Activator、调节元件Yhj H和报告系统。光敏元件Bph S在远红外光（730nm）的作用下,催化GTP合成c-di GMP。c-di GMP与人工设计的转录元件Bld D-Activator结合,并促使Bld D-Activator与诱导型启动子PFRL的whi G结合,招募RNA聚合酶至启动子核心区,驱动报告基因sf GFP表达。Yhj H通过降解多余的c-di GMP,维持系统的动态平衡。以三种人工设计的杂交型转录激活子Bld D-CAP、Bld D-Fis、Bld D-Sox S为转录元件的V1装置在E.coli BL21（DE3）中无法调控报告基因的表达,优化报告系统的PFRL结构和杂交型转录激活子的linker依然无法提高V1装置的调控效率。于是我们选择天然存在于克雷伯氏肺炎菌的Mrk H作为转录元件并构建了V2装置。对报告系统的RBS、转录元件和调节元件的表达量进行优化后,V2装置在E.coli BL21（DE3）中表现出诱导倍数高,本底泄露低的特点。在远红外光的诱导下,报告基因的表达量在光照组对比黑暗组有6.3倍的提高。微生物群体感应是一种受群体密度调控的系统,密度超过阈值的微生物群体会同步启动基因的表达。我们将群体感应与远红外光调控装置结合,利用群体感应启动子驱动远红外光调控装置4个组成元件的表达。基于此,我们构建了远红外光调控基因表达装置的V3版本。对启动子和Yhj H表达量进行优化后,V3装置具有更高的调控效率。在E.coli BL21（DE3）中,对比黑暗组,V3装置在光照组诱导倍数可达12倍。我们从光照时间和光照强度两个角度探究V3装置的动力学表征,结果显示V3装置的诱导效率与光照强度和时间表现出正相关性,其具备良好的远红外光依赖性。空间特异性实验表明V3装置具有良好的空间调控能力,毒性实验证明远红外光对E.coli BL21（DE3）的生长没有影响。最后,我们将V3装置导入不同的菌株中进行效率的测试。在E.coli MG1655、E.coli Top 10和益生菌E.coli Nissle 1917中V3装置也具有一定的调控效率,但本底泄露严重,因此需要更深入的优化。综上所述,我们设计、开发了远红外光调控的原核生物基因表达装置。该装置在E.coli BL21（DE3）中表现出良好的诱导效率和可调节性,也具备高效的时空特异性和生物安全性。远红外光调控装置在其他菌株中也具有一定的调控效率。远红外光调控的基因表达装置拓宽了微生物的功能,为代谢工程增加产品产量提供了新的方法,为微生物在疾病治疗中的应用提供了新的思路。