在生物体系中,双稳态是广泛存在的,从lambda噬菌体基因调控开关到大肠杆菌的菌毛的有无;从乳糖代谢过程中的All-to-None现象到真核生物的表观遗传现象。这些双稳态现象背后的分子生物学机制和相应的理论模型值得深入研究。首先,这些双稳态具有很重要的生物学功能和生理意义。比如,大肠杆菌菌毛的有无表型分化解决了细菌的菌毛能够吸附到宿主细胞同时又能够被宿主的免疫系统识别和攻击的悖论。其次,双稳态是最基本的非线性系统,对它进行理论研究能够帮助我们发展更多生物学的理论模型。我的关于双稳态理论的工作分成两部分。第一部分是利用尽可能简化的理论模型描述大肠杆菌在耐药性上的表型分化现象。目前60%的细菌重复感染是由处于休眠态的耐药性个体造成的,所以找到导致这种细菌休眠的分子机制是非常重要的。通过对HipBA这对toxin-antitoxin模块的理论建模,我发现HipB中的协同作用对于出现耐药性的表型分化至关重要。另外模型还能够解释为什么在生长速度较快的时候不能产生新的耐药性个体。第二部分,在定量试验数据最为丰富的lambda基因开关系统中,我们试图引入最精细的理论模型解决一些前人不能解释的试验现象。这个模型同时考虑了阻遏蛋白寻找其结合位点的机制和最新的有关DNA looping的分子机制,然后采用基于统计物理知识的定量模型去拟合必要的in vivo参数,最后通过把这些拟合的参数应用到上述定量模型。通过这个模型,我解释了为什么溶源态那么稳定和为什么Cro相对于CI是一个较弱的阻遏蛋白。同时,这个模型还能够预测Cro在溶源态被诱导的过程中起的作用比lambda噬菌体感染过程中的作用要大。由于双稳态是一个最基本的生物模块,我们可以把它跟其它生物学模块拼接成具有全新功能的模块。本文试图把双稳态模块与一个或非门的逻辑模块拼接成一个时序性逻辑元件。这个时序性逻辑元件的输出是由输入信号和它内部的状态决定的。这个新元件对于同样一个输入它会有不同的输出。更进一步来说,我们设计的这个生物元件还能够完成0-1的二进制生物计数器的功能。在构建这个元件的过程中,我们结合了理性设计和定向进化的策略。在成功地设计了记忆模块和或非门逻辑模块以后,我们利用定向进化的方式得到时序性逻辑元件。我们通过调节LacI和CIind-的核糖体结合位点(RBS),分别改变LacI和CIind-的表达量,最后通过筛选的方法得到了几个成功的突变体。这些突变体能够完成在给同样的输入信号刺激的条件下它们能够基于内部状态给出不同的输出信号。同时,我们还设计了一系列对照试验证明只有我们设计的网络才能完成上述功能。