合成生物学的发展逐步从元件、装置的设计拓展到路径及系统的改造。在此过程中,元件合成逐步实现标准化,路径与系统功能调控逐步走向精细化。本文开展酵母多基因路径模块化组装策略的研究,旨在突破合成生物学研究的关键性瓶颈:一,如何设计标准化元件调控多基因协同表达;二,如何构建功能基因组合改造人工合成系统。针对标准化元件调控多基因协同表达问题,本文开发了“调控衔接元件”介导多基因组装的新策略(M-PERL)。人工调控衔接元件通过两侧同源臂介导基因组装,通过中心调控区调节基因表达水平,整个元件可通过标准化流程进行设计与合成。利用调控衔接元件,实现了酿酒酵母中转录起始位点附近区域的理性截短、替换及延长,或插入5到40个连续随机碱基,转录强度拓展至多个数量级。针对包含5个基因的紫色杆菌素合成路径,成功构建出产物组成多样化的细胞文库,充分实现了多基因协同表达的微调,紫色杆菌素类产量提高80%。此外,本策略也适用于工业安琪酵母的改造。针对构建功能基因组合改造人工合成系统,本文设计的标准化“模块工具盒”实现了功能基因模块的构建与组装。利用模块的顺次重组,分别在酿酒酵母与耶氏解脂酵母中完成了紫色杆菌素、柚皮素、β-胡萝卜素及番茄红素等合成路径的组装。进一步将250多个基因构建成标准模块,并分成20个功能分组,研究了每个功能组的基因元件及其组合对酵母人工合成系统的影响,使酿酒酵母胡萝卜素类产量提升80%到100%。而其中12个分组作为异源多基因模块对耶氏解脂酵母生产番茄红素的促进更加明显,可将产量提升52倍,达到89.73mg/L。综上,本文从多个角度探究了人工合成系统的调控原理和方法:基于M-PERL策略,提出人工调控元件的标准化设计方法用于微调多基因协同表达;利用基因模块的建库与组装,研究了其对人工合成系统的改造作用。本文的结果大大提升了对人工合成系统的调控能力。