合成生物学通过构建新功能、新特性人工生物体系,极大地促进了生命科学的发展,而启动子、调控因子等生物元件是构建人工生物体系的基础。随着合成生物学的快速发展,人工生物体系构建日益复杂,对生物元件也提出了更高的要求。作用更加精准,性能更加稳定,具备新功能的高性能生物元件的开发已成为合成生物学的研究热点。本研究基于合成生物学的思路和基因工程手段对基因表达调控元件进行深入挖掘,开发了启动子改造的新策略,构建新型启动子。并通过启动子和调控因子的适配,开发了高效蛋白表达系统及异源群体感应系统,为合成生物学的发展提供了理论基础和技术支持。主要研究结果如下:（1）建立了半理性启动子改造策略（Stepwise Evolution Targeting the Spacer Region of the Core Promoter,SETarSCoP）,实现了启动子的快速改造。通过挖掘分析枯草芽孢杆菌转录组数据,发现σ^A依赖的强弱启动子在-10区上游序列保守性差异明显,推测该区域序列对启动子活性具有潜在影响。基于此,开发了对核心区间隔序列进行定向进化的半理性改造策略SETarSCoP。以启动子P_srfA为模板,针对-10区上游序列进行“3 bp+4 bp”的两轮叠加定向进化,成功获得高活性和高鲁棒性突变体BH4。使用BH4表达外源蛋白时,绿色荧光蛋白GFP、葡糖醛酸酶GusA和纳豆激酶NK的表达水平分别是野生型P_srfA的2.8倍、14.8倍和1.3倍。进一步使用SETarSCoP策略对强组成型启动子P_ylbP和木糖诱导型启动子P_xylA改造,均成功获得活性显著提高的突变体,证实了该策略具有普适性。（2）构建多σ亚基识别的人工启动子,显著提高了基因表达强度及稳定性。为突破单一σ亚基识别的启动子在细胞生长不同时期性能的限制,提高基因表达稳定性,本研究在枯草芽孢杆菌中创新性地构建受多种σ亚基识别调控的人工杂合启动子（Artificial Hybrid Promoter,AHP）。首先,基于转录组数据,分析并鉴定了分属于σ^A、σ^H和σ^W的高活性天然最小启动子（NMP）,P_rpoB、P_spoVG和P_sigW。随后,将这三种NMP排列组合,串联构建多σ亚基识别的AHP。通过在群体和单细胞水平上综合鉴定AHP的功能特性,发现AHP在菌体生长的不同阶段均具有较高活性,且与RBS和转录调控因子都能良好适配。研究还进一步探讨了AHP具有独特转录性能的机制,发现NMP间功能互补效应是AHP具备更高活性和稳定性的基础。在此基础上开发了诱导型AHP,可通过诱导剂的添加量实现AHP对外源基因及复杂基因线路的精确调控。（3）构建钴离子诱导启动子并应用于腈水合酶的高效生产。基于大肠杆菌rcn操纵子摄取钴离子的机理,构建了Co²⁺诱导型启动子,并进一步开发了Co²⁺诱导的大肠杆菌表达系统（Cobalt-induced Expression System,CIES）。通过对系统各个生物元件的优化,实现了CIES本底水平低、诱导率高的调控特点。以GFP为报告基因时,加入500μM Co²⁺可使基因表达水平达到最高。通过对Co²⁺摄取和外排系统的优化改造,使Co²⁺利用效率得到进一步提高,在更低浓度的Co²⁺条件下可实现外源基因的高效表达。当利用CIES表达腈水合酶时,Co²⁺既作为表达的诱导剂同时也是酶的金属配体,实现了腈水合酶的高产,表明CIES具有进一步工业应用前景。（4）启动子和调控元件适配,构建异源群体感应系统,为B.subtilis提供了细胞生长依赖的动态基因表达调控体系。将金黄色葡萄球菌的agr群体感应系统的信号分子AIP合成基因（agrD、agrB）、应答基因（agrC、agrA）和效应启动子P3,进行模块化设计与重构,在枯草芽孢杆菌中构建外源群体感应系统（Heterogenous Quorum-Sensing System,HQSS）。通过模块化的调节,实现了HQSS系统对外源基因在开启时间和基因表达强度两个层面的调控;HQSS能够灵敏响应0.01 nM～1 nM浓度的AIP,可作为生物传感器,应用于高通量筛选平台的开发;通过设计并筛选系列AIP突变体,使信号的感受、传导在一定范围内受到精确微调,进一步扩展了HQSS的动态调控范围。基于RNA-seq测序及分析,探讨了HQSS对枯草芽孢杆菌内源基因表达的影响,揭示出HQSS与宿主内源基因串扰少,可在枯草芽孢杆菌中稳定发挥作用。