触发式基因开关是合成生物学经典的基因调控系统,它们不仅可以作为基本构件用于组装复杂、多层次的基因装置,也可以作为控制器直接应用于疾病治疗中。而人工定制化细胞疗法正是将基因开关与细胞治疗相结合,使原有的细胞疗法更具安全性和智能性,因而成为了现下极具应用前景的治疗方式。然而,该类治疗方式目前在临床应用中频频受阻,其最大原因在于目前基因开关所使用的大部分诱导物在临床应用中并不适用。例如,第一代基因开关是以抗生素如四环素、雷帕霉素等作为诱导物,但抗生素本身存在的耐药性问题使其受限于临床治疗;第二代基因开关虽采用了常见的食品添加剂或化妆品防腐剂等小分子物质作为诱导物,但其存在的局限性如溶解性差或长期食用的安全性争议等影响了它们的进一步应用。因此,本论文旨在开发健康有益且经济高效的基因开关,从而更好地服务于临床应用中。相比于上述第一、第二代基因开关的诱导物,原儿茶酸（protocatechuic acid,PCA）具有以下两点优势:首先,原儿茶酸是一种天然存在的酚酸类物质,且具有抗氧化、抗菌、抗炎症等多种生物活性;其次,原儿茶酸是绿茶中茶多酚的主要代谢产物,人体通过饮用绿茶便可获取。因此,鉴于原儿茶酸具有上述健康经济的特点,我们在本论文中巧妙构建了原儿茶酸调控的转基因表达控制开关,并将其应用于基因编辑、生物计算机以及糖尿病治疗中。首先,利用来源于天蓝色链霉菌Streptomyces coelicolor的转录抑制因子Pca V与真核表观遗传效应结构域（KRAB、VP16）进行融合表达,我们分别构建了原儿茶酸调控的“开”系统(PCA_ON switch)和“关”系统(PCA_OFFswitch)。通过操纵子拷贝数、启动子强度以及哺乳动物细胞系种类等各方面的优化,我们获得了调控效果最佳的PCA_ON和PCA_OFF系统,且“开”和“关”系统在细胞水平上的调控倍数分别高达300倍和160倍。体内、外系统调控基因表达的动力学测试表明PCA_ON和PCA_OFF系统均具有长期良好的剂量、时间依赖性以及可逆性。并且实验表明,无论是注射、口服原儿茶酸或是饮用绿茶的方式都可以调控移植在小鼠体内的开关系统进行转基因表达。鉴于上述原儿茶酸调控系统的高度可控性,我们将其系统应用于以下三个方面,分别是（1）构建原儿茶酸调控的基因编辑控制装置。利用原儿茶酸调控的“开”系统和CRISPR-（d）Cas9系统相结合,我们分别构建并优化了原儿茶酸调控的基因抑制（Pca Ri）、激活（Pca Ra）以及删除（Pca Rdel）装置。经测试,这些基因编辑装置在各自内、外源基因的抑制、激活或删除上都具有良好的调控效果;（2）构建生物计算机。利用原儿茶酸和香草酸调控的开关系统构建了由酚酸类小分子物质调控的逻辑门,包括蕴含非门（A NIMPLY B、B NIMPLY A）,与门（AND）,或门（OR）以及或非门（NOR）。细胞和动物水平上的测试均可证明这些逻辑门能进行正确计算;（3）构建原儿茶酸定制化细胞治疗糖尿病。利用原儿茶酸调控的“开”系统构建了两种不同类型的原儿茶酸调控的定制化细胞,分别含有原儿茶酸调控的胰岛素和胰高血糖素样肽1（sh GLP-1）表达的降血糖装置,并将其用于Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病的治疗。当上述定制化细胞相应地移植至Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病鼠中,通过腹腔注射途径摄入的原儿茶酸能够分别诱导基因装置表达胰岛素或sh GLP-1。血糖监测、葡萄糖或胰岛素耐受性实验均能证明这两种降血糖装置具有良好的糖尿病治疗效果。并且我们还评估了原儿茶酸调控胰岛素表达装置植入至大动物即Ⅰ型糖尿病猴中的治疗效果,结果显示该装置不仅能维持猴子长达15天的血糖稳态,且通过血常规和血生化指标测试表明该治疗方式也不会引起严重的炎症反应或免疫排斥。最后,为了解决上述糖尿病治疗过程中的局限性,即需要采取高剂量注射的给药方式,我们通过引入原儿茶酸转运蛋白Pca K成功构建出升级版的原儿茶酸调控系统（PCA-v2 switch）。细胞水平上的测试证明PCA-v2系统对诱导物原儿茶酸的灵敏度比旧版的PCA-v1系统提升了一个数量级。将含有PCA-v2系统的定制化细胞应用于糖尿病治疗,通过低剂量口服原儿茶酸或者饮用绿茶均达到了降血糖效果,从而最终实现了口服绿茶就能降血糖的目的。综上所述,我们构建了一个新型的原儿茶酸调控转基因表达控制平台,它不仅可以丰富合成生物学构建复杂基因装置的工具箱,并且为未来实现“喝茶治病”的理念奠定科学基础。