微生物基因調控的研究不僅是分子生物學的歷史核心，也是合成生物學基因迴路設計的理論基礎。
lac 操縱子的定量生物學
lac 操縱子是定量基因調控研究的典範。LacI 的 operator 結合具有超高親和力（Kd ~10⁻¹³ M for O₁），透過 facilitated diffusion（1D sliding + 3D hopping）在基因體上搜索目標——von Hippel & Berg 計算其 in vivo 結合速率接近理論擴散極限。
三個 operator（O₁ 主要、O₂ 下游、O₃ 上游）的 DNA looping 協同抑制是 lac 調控的精髓。LacI tetramer 同時結合 O₁+O₃（或 O₁+O₂）形成 DNA loop，使阻遏效率比單一 operator 結合高 ~50-70 倍（Müller-Hill 的經典突變分析）。
CRP(CAP)-cAMP 的活化機制：CRP 結合位（TGTGA-N₆-TCACA consensus）位於 lac 啟動子 -61.5 位置（Class I activation），CRP 的 AR1 表面直接接觸 RNAP α-CTD，促進 open complex 形成。在某些啟動子（如 gal p1），CRP 同時接觸 α-CTD（AR1）和 σ⁷⁰ region 4（AR2），為 Class II activation。
Riboswitch 的結構生物學
核糖開關是 mRNA 5'UTR 中不需蛋白質輔助即可感知代謝物的 cis-acting RNA 元件。已知 >40 類核糖開關，感知的配體包括 TPP、FMN、SAM、adenine/guanine、glycine、lysine、c-di-GMP、c-di-AMP、preQ₁ 等。
結構機制（以 TPP riboswitch 為例，Serganov et al., 2006）：aptamer domain 的兩個平行螺旋分別結合 TPP 的 pyrimidine 和 pyrophosphate 部分，形成 compact tertiary structure → 穩定 expression platform 的終止子結構 → 轉錄提前終止。無 TPP 時 aptamer 未折疊 → 反終止子結構形成 → 全長轉錄。
sRNA 調控網路
E. coli 基因體編碼 >100 種 sRNA。Hfq（Sm-like hexameric RNA chaperone）是大多數 trans-acting sRNA 的必要輔助蛋白：Hfq 的 proximal face 結合 sRNA 的 poly-U 尾部，distal face 結合 mRNA 的 A-rich 區域，促進 sRNA-mRNA 互補配對。
調控模式：
- 負調控：sRNA 結合 mRNA RBS 區域 → 阻擋核糖體結合 → 招募 RNase E 降解 mRNA（如 OxyS 抑制 fhlA）
- 正調控：sRNA 結合 mRNA 解開抑制性二級結構 → 暴露 RBS → 促進翻譯（如 DsrA 活化 rpoS mRNA 翻譯）
CRISPR-Cas 的基因調控功能（CRISPRi）
Qi et al.（2013）開發 CRISPRi：催化失活的 dCas9（D10A/H840A）+ guide RNA 結合目標基因啟動子或 ORF → 物理阻擋 RNAP 通過 → 可逆轉錄抑制。CRISPRi 可用於系統性基因功能研究、代謝工程中的通量調控，以及必需基因的條件性敲降。
dCas9 融合不同效應域可實現精確調控：dCas9-ω（RNAP ω 亞基融合）激活基因、dCas9-KRAB 在真核系統中抑制基因。