合成生物学是一个快速发展的新兴交叉学科,研究重点从设计构建简单元件模块以及基因线路向着快速设计构建复杂的人工合成系统发展。其中,精确控制的基因电路是设计构建人工合成系统中的底层元件,大片段DNA的快速合成与组装是构建人工合成系统的基础工具,基因组的理性设计和快速进化是提高人工合成系统适配性的重要方法,生物防逃逸的控制是保障人工合成系统使用安全的重要措施。本文重点从以下两方面开展研究:一,如何快速构建人工合成系统以及精确控制基因组重排与进化;二,如何设计构建生物防逃逸系统降低人工合成系统的潜在风险。针对快速构建人工合成系统以及精确控制基因组重排与进化,本文首先开发了多片段DNA酵母快速组装系统,不但可以快速合成酿酒基因组,而且可以快速构建外源模块代谢路径。然后设计“与门”开关实现对合成型酿酒酵母基因组重排的精确调控。通过合成型基因组重排产生多样化表型,提高了酵母的类胡萝卜素产量,成功发掘验证了相关的功能基因。通过进一步开发二倍体基因组重排技术,提升重排文库的多样性。开发了的多轮迭代基因组重排技术,可以持续提高类胡萝卜素产量,经过5轮迭代重排基因组,类胡萝卜素产量提升了38.8倍。深度测序分析同时揭示了基因组发生了大量的重复,缺失,易位和倒置。针对建立生物防火墙技术降低人工合成系统的潜在风险,本文设计构建了基于正交核糖体的“与门”基因电路和基于I-SceI内切酶的“非门”基因电路集成的生物防火墙系统。整个系统可通过标准化流程进行设计与合成,通过对紫色杆菌素合成路径基因以及基因组lacZ基因的加密控制可以将泄漏失控的表达分别降低到7.3%和7.8%,逃逸到环境中的菌的转基因电路DNA可以被消除到0.76%。正交核糖体防火墙可以作为一种多功能平台用于未来生态安全的需求以及生物工程工业的需求。综上,本文探究了人工合成系统的快速进化策略以及生物防逃逸的设计原理。利用快速组装合成DNA的能力以及基因组重排能力,可以快速构建和进化人工合成系统。利用“与门”基因电路具备的精确控制基因表达的能力,实现对人工合成系统的安全防控。本文的结果提升了对人工合成系统的设计和控制水平。