以细胞的生理功能为导向的菌株改良方法，即细胞生理功能工程方法，对改造工业微生物的复杂表型具有重要意义。生物鲁棒性是生物系统在受到环境胁迫时保持系统功能稳定的一种特性，是细胞系统的一个基本生理属性，也是细胞发挥特殊生理功能的基础。为了使工业微生物更好地适应工业生产的环境，需要改造其固有的鲁棒性。　　 首先从3个方面论述了如何理性地改造工业微生物的鲁棒性，包括改造细胞的动态控制策略、改造细胞网络的模块和层级组织结构、改造细胞功能元件的冗余设计。生物鲁棒性改造类似机械工程或电子工程等复杂工程系统的鲁棒性改造，也是一种系统工程，需要应用各种工具进行理性设计和改造。　　 研究内容之一是根据改造细胞功能元件的冗余设计原理，加强细胞的损伤保护功能。谷胱甘肽(GSH)是一种分布最广泛的胞内巯基三肽化合物(γ-Glu-Cys-Gly)，具有重要的生理功能。研究表明，革兰氏阳性、严格厌氧菌Clostridium acetobutylicum DSM1731从胞外吸收GSH后，其空气耐受性显著提高。GSH的保护效果显著好于Cys。通过导入E.coli的GSH合成途径(通过质粒pITAB过量表达gshA和gshB)，使C.acetobutylicum DSM1731(pITAB)具有GSH合成能力，胞内可积累18.1 nmol/mg protein的GSH。与质粒对照的菌株相比较，包括只表达第一步酶并合成γ-Glu-Cys的菌株DSM1731(pITA)和表达第二步酶的DSM1731(pITB)菌株，GSH的合成显著增强宿主的空气耐受性，如通空气3 h，细胞的存活率提高了104倍。此外，γ-Glu-Cys的胞内合成，也提高了宿主的空气耐受性。比较分析这些菌株在致死的丁醇浓度(19 g/L)下的存活能力，和非致死浓度下(0～16.5 g/L)的生长能力，结果表明具有GSH合成能力的菌株DSM1731(pITAB)具有更好的丁醇耐受能力。小型批次发酵实验结果表明，与对照菌株DSM1731(pITB)(产8.9 g/L的丁醇)相比，GSH的合成延长了产溶剂期，增加66.2％的丁醇产量，合成14.8 g/L的丁醇。GSH作为胞内稳定存在的巯基化合物，并不能直接参与细胞丁醇的胁迫抗性，但是具有维持胞内氧化还原平衡的功能，保护能量合成相关蛋白的稳定性，上调胁迫抗性相关蛋白的合成，从而加强细胞抗损伤保护的功能。因此，GSH的合成能力，提供细胞一种损伤保护的冗余功能，扩展细胞抗胁迫生理空间，是一种提高细胞鲁棒性的有效策略。　　 另一个研究内容是建立改造工业微生物鲁棒性的新的进化工程方法。首先采用BioBrick组装和双稳态控制质粒，以E.coli FC40的lac回复突变为例改造适应性进化动力；再者建立压力诱导细胞突变的适应性进化方法，以E.coli的丁醇耐受性进化筛选为例，验证其改造微生物细胞鲁棒性的效果。研究结果表明，通过基因敲除E.coli FC40菌株的mutL基因，获得MMR活性缺失突变菌株E.coliSMB07，其Lac+回复突变率提高约100倍。优化6个突变相关基因的组合表达，包括dinB、recA、rpoS、rpoE、nusA和umuD。结果表明，3个基因recA、rpoS和dinB的单独表达，分别提高E.coli FC40的Lac+回复突变率12、5、4倍。最优的基因表达组合在质粒pTL17和pTL18(均由dinB、recA、rpoS组成)上，分别提高Lac+回复突变率26和31倍。MMR活性的缺失与突变相关基因表达调控的双重效果，使Lac+回复突变率提高约200倍。改造的适应性进化动力显著提高实验菌株的抗生素抗性突变率，表明其具有普遍的应用性。根据压力诱导细胞突变原理，将改造的的适应性进化动力用于丁醇耐受性进化菌株筛选。通过5～8轮(1-1.5个月)的突变筛选，得到丁醇耐受性和高渗压环境耐受性同时提高的进化菌株，其中丁醇最小抑制浓度提高了33％～57％，获得在12 g/L丁醇环境下具有生长能力的E.coli进化菌株。在基础无机盐M9培养基和低pH的胁迫环境下，这些适应性进化菌株的生长速率与野生型菌株相似，表明积累的有害突变较少。所以，压力诱导细胞适应性进化的方法，采用稳定期(生长缓慢)或非分裂的细胞，不需要诱变剂造成DNA大规模损伤，结合传统的诱变育种和适应性驯化的优点，提高自发的适应性进化速率，在短时间内获得适应性进化菌株(如丁醇耐受性)。研究结果表明这是一种有效地改造生物鲁棒性的新方法。