中文摘要：

大肠杆菌是现代生物工程产业和合成生物学最常采用的生产菌种或宿主。在大规模发酵过程中，各种环境胁迫因素，如高盐、极端温度和低pH值等，通常会严重影响大肠杆菌的发酵性能和外源基因的表达。本项目从全局基因转录调控出发，提出了一种进化全局性转录因子CRP从而能直接或间接地调控菌体在全基因组规模上的转录水平的原始性创新策略。在这一新策略指导下，不仅有可能获得以定向进化CRP有效调控多种相关基因的高性能生产菌种，从而能够在各种恶劣环境胁迫下，保持或提高目标生产性能。采用以上相同策略，实验进一步以绿色荧光蛋白为示例蛋白，有可能直接提高大肠杆菌在环境胁迫条件下的合成外源蛋白的产率。本项原创性研究不仅有助阐明转录因子在微生物多基因转录过程中所起的核心作用，而且对生物工程核心问题之一微生物菌种的改造提供了一个具有革命性的解决新策略。

结论摘要：

微生物菌种改造是生物工程研究领域的核心问题之一，菌株性状的改变涉及菌体中多基因的共同作用。本研究从全局基因转录调控出发，提出了一种进化全局性转录因子从而能直接或间接地调控菌体在全基因组规模上的转录水平的创新策略。实验以番茄红素为示例目标，通过进化大肠杆菌全局转录因子CRP，提高了番茄红素的合成能力，结合全基因转录水平分析，找到了影响菌体性状和目标合成能力的关键基因群，为转录因子定向进化改进菌体性能的研究提供了理论支持。研究还通过定向进化两种全局转录因子（CRP和FNR），提高了大肠杆菌对乙醇和丁醇的耐受性，进一步验证了通过转录因子定向进化实现菌株改良的可行性。在此基础上，尝试定向进化CRP以优化大肠杆菌无细胞抽提物的制备，从而达到提高无细胞体系合成能力的目标。在大肠杆菌无细胞体系中成功表达了水通道蛋白Z和嗅觉受体ODR-10，这对构建高效表达功能性膜蛋白的平台具有指导意义。首次建立了体外合成胞壁酸的反应体系，为新药筛选模型的建立奠定了良好基础。本项研究有助阐明转录因子在微生物多基因转录过程中所起的核心作用，对大肠杆菌合成体系的优化提供了一个解决新策略。