光遗传学在合成生物学中的应用日益广泛，本项目依托于国家重大科研仪器研制项目“智能光控微生物反应器的研制”，为工业化过程动态调控提供全新的解决方案。以聚酮类药物阿维菌素为示范案例，通过在基因回路中添加光诱导元件，使细胞工厂在发酵前期高效合成菌体，为生产积累足够的物质、能量和还原力基础，而在发酵后期在光诱导作用下关键代谢通路受到调控使生长减缓而产物合成途径马力开足，从而提高阿维菌素高产菌的生产性能。由于光调控方式具有无添加、调控精准的优点，可以预期智能光控微生物反应器将在工业发酵领域产生巨大的应用价值。

随着科技的不断发展以及为满足相应的生产需求，人们不断追求一种有效的方法能够在时间以及空间上实现对基因表达的精准调控。其中，化学诱导是生物系统中最常用的操控基因表达方法之一，通过一些化学分子诱导物可以高效诱导外源基因的表达。然而，当涉及到工业规模的合成生物学应用时，化学分子的毒性、多效性、非特异性等问题限制了这些系统的广泛应用，而且化学诱导无法实现在空间上特异性地调控基因表达。

光遗传学，是一种结合了遗传学和光学的技术，它允许科学家通过光来控制活细胞中的特定细胞类型，尤其是神经元的活动。这项技术最初由斯坦福大学的Karl Deisseroth博士在2005年左右发展起来，并且迅速成为神经科学研究中一个强大的工具。

    光遗传学的核心在于光敏蛋白，这些蛋白对光敏感，并且可以被光激活或抑制。这些蛋白通常来源于某些微生物，例如藻类或细菌，它们在光的作用下可以改变其构象，从而开启或关闭特定的细胞信号通路。科学家将这些光敏蛋白的基因通过遗传工程手段转入目标细胞，使得这些细胞能够响应光信号。在神经活动控制、行为研究、研究疾病模型、药物发现等领域有重要应用。

    光遗传学技术的一个关键优势是其精确性和时空分辨率，它允许科学家在特定的时间和地点精确控制细胞活动，这对于理解复杂的神经网络和行为模式至关重要。随着技术的发展，光遗传学也在不断地被改进和扩展，以适应更广泛的研究和潜在的临床应用。

而光控基因表达是一种利用光信号来精确调控基因表达的技术，属于光遗传学的一个分支。利用光具有低毒性、易获取、易操控以及高时空分辨率等优点，将其作为诱导剂，通过控制某种特定波长的光的照射，进而启动或终止目的基因的转录与表达。实现对基因表达极高时空精度的动态控制。因此，光控基因表达系统的构建成为近年来的研究热点。

    阿维菌素是一种由微生物发酵生产的高效低毒生物杀虫剂，属于大环内酯类抗生素，是土壤微生物灰色链霉菌的发酵代谢产物。其主要用于蔬菜、果树、花卉、烟草、棉花、粮食作物等，用于防治鳞翅目、同翅目害虫。它通过干扰害虫神经生理活动，刺激虫体产生释放γ-氨基丁酸，阻断运动神经信息的传递使害虫迅速麻痹拒食，最终导致死亡。其对螨类害虫和线虫也具有很好的防治效果。阿维菌素在土内被土壤吸附不会移动，并且被微生物分解，在环境中无累计作用，因此对环境十分友好。

    本选题将基于以上背景，将深度探究光控基因表达原理、探索以链霉菌作为宿主细胞构建光控基因表达系统的方法，并不断摸索并优化基因表达载体的性能，实现对阿维菌素有关基因表达的精准调控以及更高效的生产。

华东理工生物反应器工程国家重点实验室实验室面向生物工程学科前沿，面向国家战略需求，面向国民经济主战场，以生物反应器智能化为核心, 促进基础科研的原始创新和产业化集成创新，致力研究和解决生物技术工程化与产业化中的关键科学与技术问题，比如生物医学，研究药物，研发生物，材料医疗技术，生物信息学。

    目前校内有生物信息采集系统，生物反应器，生物制造筛选检测系统，荧光定量pcr系统，荧光定量基因扩增仪，温控箱，培养箱，超净工作台等，为细胞培养和微生物实验提供了严谨的操作环境。

    校内实验场地有微生物实验室、细胞培养室，以及发酵罐等相关配套设施等，这些都为实验研究提供了良好的条件。此外，实验室配备了高性能计算机及先进的数据挖掘与机器学习软件，具备实时数据处理和分析能力，能够满足大规模生物数据的分析需求。

    同时，实验室包含了符合生物安全规范的实验区域和多功能研发平台，可以支持各类生物实验和工程化试验。

了解阿维链霉菌光控基因表达系统构建，并给出一些可行的应用方案。

    通过研究和实践，发表一篇学术论文，若有机会希望能发表在某一刊物上。

    参与各类创新创业竞赛也是我们获取成果一个重要方式，比如参加全国大学生生命科学竞赛。

第一阶段：前期文献检索，仔细研究课题，了解光遗传学的研究现状以及阿维链霉菌的信息，初步设计构建阿维链霉菌的光控基因表达系统；接受实验室安全培训，训练实验所需的相关基础操作，熟悉实验仪器并完成实验前期准备工作。

第二阶段：正式系统性开展第一期实验，尝试构建并完善阿维链霉菌的光控基因表达系统，记录相关现象及数据。

第三阶段：初步整理第一期的实验结果，分析数据并进行中期检查，优化实验方案。

第四阶段：根据优化后的实验方案进行第二期实验，如有需要重复试实验第二、第三阶段，直至数据达到预期。

第五阶段：整理并分析所有实验数据，汇总成图表等形式，填写结题表、撰写总结报告，撰写研究论文并发表、参加结题答辩，后续参加各类大创竞赛。