合成生物学是以传统生物学的研究为基础,在工程学思想的指导下,结合计算机科学、物理学、数学等多门学科的方法,改造自然界中原本的生物系统或者重新设计新的生物系统的一门新兴学科。与传统生物学相反,合成生物学“自下而上”地对生命系统进行研究,从最基本的生物元件开始合成组装生物器件,进而组装成生命系统。人工基因电路以标准化生物元件为元器件,根据己有的生物规则或者人造规则,对细胞生命活动进行重新编程,以获得期望的细胞行为。人工基因电路作为合成生物学的关键性技术,在短短二十年间发展迅速,己然受到了各界人士的广泛关注。人工基因电路的研究方向从最初的基础科研开始向实际应用中转变,除了加深人类对生命调控机制的认识,为人类改造和重新设计生命系统提供方法,还在医药健康、农业环境和工业发酵等方面发挥重要作用。本文首先介绍合成生物学和人工基因电路进而概括本文的研究背景及研究意义,对合成生物学、元件工程及人工基因电路进行国内外研究现状的分析。这一部分内容是本文研究工作的大前提,深入了解这些内容,才能进行接下来的研究工作。本文接着分别对合成生物学软件GenoCAD的基本原理及应用现状、绘图软件PlasMapper的说明以及生物逻辑门的基本原理和应用实例进行介绍。这些都是在之后的研究工作中会用到的研究工具,为本文的研究工作提供技术支撑。之后本文详细描述生物基因表达调控机制,分别对原核生物基因表达调控机制以及真核生物基因表达调控机制进行叙述。这部分内容是本文设计人工基因电路的理论基础,为本文的研究工作提供理论依据。在此基础上,本文在合成生物学软件GenoCAD上模拟合成一个调控TetR蛋白表达的人工基因电路。第一步设计基于生物基本调控规则的变量和上下文无关语法规则,接着在合成生物学软件GenoCAD中创建数据库并添加已经处理过的生物元件数据,最后根据语法规则自动化地设计合成人工基因电路。根据其模型,本文简化成三输入逻辑门以更清楚地预测结果,并在PlasMapper中输入序列而获得质粒图谱。另一方面,本文还依据沃丁顿表观遗传景观,设计一个具有多重稳定性的人工基因电路,并分析其可能会出现的三个稳定状态,绘出表示三个状态的示意图。此模型是基于细胞分化的理论设计的,或许会给细胞分化的研究工作带来新思路。最后本文对所设计的两个人工基因电路模型进行分析、归纳与总结,论述本研究中存在的创新点与不足之处,并对合成生物学以及人工基因电路的后续发展进行展望,期望人工基因电路能够在更多的领域发挥作用。