为了克服细胞膜的阻碍和细胞内复杂的信号通路对基因电路设计的影响,无细胞合成生物学逐渐走向研究者的视野。相比于细胞系统而言,无细胞合成系统不需要维持细胞的活性和生命活动,没有复杂的信号通路。它具有简单而开放的环境,给研究者提供了一个工程化设计的操作平台。本文首先介绍了生物传感以及无细胞系统的应用,并详细介绍了无细胞生物传感目前的研究现状。其次,以无细胞生物合成系统为平台,尝试建立一系列无细胞生物传感系统,包括无细胞无机离子生物传感系统,无细胞有机分子生物传感系统,无细胞蓝光传感系统和无细胞温度传感系统。通过筛选细胞提取物和Mg2+浓度,得到响应效果较好的5种无细胞无机离子和有机分子生物传感系统。从灵敏度,反应时间和选择性三个方面对这5种无细胞生物传感系统做了详细的探索。无细胞生物传感系统的灵敏度可以达到纳摩尔水平,在3 h左右就可以看到荧光,响应时间小于细胞生物传感系统。选择性实验结果表明无细胞无机离子生物传感系统没有信号干扰,选择性非常好。无细胞系统缺乏一种方便的开关去控制无细胞蛋白合成反应。光具有响应时间快,无毒无害,较好的时空转换性等特点,是一种理想的开关。本研究在无细胞系统中引入蓝光调控双组分YF1/Fix J进行无细胞控制蛋白质合成。经过一系列的探索,最终确定将光敏性蛋白YF1和Fix J诱导在细胞提取物中进行无细胞反应,成功的实现了无细胞蓝光传感。优化两种光敏性蛋白在无细胞系统中的比例,最终确定YF1和Fix J的质量比为0.25:1时,无细胞系统实现了较为理想的蓝光传感。光抑制蛋白表达最大能够达到5倍的差距,光激活蛋白表达最大能够达到3倍差距。为了证实无细胞蓝光传感系统的普适性,使用优化的无细胞蓝光传感系统进行了蓝光控制无细胞成像和抗体蛋白控制合成。温度是一种特殊的开关,可以在生物体内被特定的激活。在无细胞系统建立温度传感电路,可以用于体内药物的定点合成。实验将纯化的温敏性蛋白Tlp A36与其相应的启动子在体外相结合,证明了该温敏性蛋白目前不能在无细胞系统中实现温度传感。总而言之,本研究在无细胞系统中建立基因电路,成功的实现了无机离子,有机分子的生物检测以及蓝光控制无细胞蛋白质合成。这些无细胞生物传感系统不仅为无细胞基因电路的研究提供了设计方法,增加了无细胞系统的控制方式,而且扩大了无细胞系统在诊断、教育、医疗等方面的应用,推动了无细胞合成生物学的发展。