随着生物技术的发展，生物学的主要研究正在从单纯的观察实验转变到设计建造复杂的生物学系统，编程细胞使之产生所需的结构和功能。在这个过程中，合成生物学和系统生物学等的类似于工程设计类的研究发展很快。作为一个新兴学科，合成生物学主要关注于通过工程学原理来理性设计细胞反应，获取可以用于指导建造一个生物学系统或者一个微型的生物学通路所需要的信息，并且这些设计在生物技术，生物感应，医药等研究中往往也有很大的应用潜力。最初的合成生物学研究在设计简单遗传回路并将其编程重组到细胞来实现一定的细胞功能取得了很多成果，但是这些遗传回路设计较为简单，不足以运用到更为复杂的基因网络之中。设计思路更为复杂、参与的细胞组分更多的基因调控网络需要进一步对基本的生物学调控元件进行进一步优化。所以本研究从两个层次来产生正交的，即并行运作的合成生物学工具:　　1.突变蛋白质降解系统产生正交运行的降解集合　　利用和设计蛋白质降解系统ClpXP-SsrA来处理合成生物学问题的研究在设计更好的生物学系统中占据着很重要的作用。相互不干扰的降解系统可以促进对基因网络更为精确的设计和建造。之前的研究发现了两个不被野生型ClpX识别的SsrA变体，这可以作为研究的起点。本研究构建了一个ClpX的突变体库，试图用dual selection和screening的方法找到具有所需特性的ClpX突变体。但由于这些方法产生了很多假阳性的结果，因此很难高通量筛选蛋白降解系统突变体，并没有得到合适的突变体。要实现从大量的个体组合中找到合适的突变体更多理性的设计。　　2.改造转录因子实现并行运作　　合成生物学的基本研究来自于利用、设计和改造转录因子和下游DNA,或者说形成鲁棒性高的转录因子和DNA组合。实现转录因子-基因模块可以极大促进构建高层次、可编程的网络。以前的研究发现，作为细菌，特别是许多种类致病菌的毒性、自身活力调控、细菌社会性交流的重要方式，细菌的群体感应系统的转录因子LuxR可以识别很多种启动子，虽然这些启动子很多都包含一类叫luxbox的序列。所以改造LuxR使得新的类型可以和野生型并行识别lux box序列可以更好地设计基因调控通路，更好地理解群体感应系统高度等级化的结构。本研究利用定向演化的方法改造了LuxR的C terminal domain使之识别野生型不识别的lux box变体，从而最终实现了正交化转录因子-基因的建立。这些正交对在合成生物学网络构建、群体感应系统等级结构的研究中有应用潜力。　　通过上述两个实验，本研究实现了对生物学基本组分的改造，使之平行地与原有的组分运作。同时，更深入地探索了合成生物学重要方法，定向演化的实现原理和方法。