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系统生物学的高速发展过程中，高通量生物学实验技术与系统水平的理论分析工具的进步扮演着非常重要的角色。在这两方面，利用现代微加工技术实现高度集成的芯片上的生物反应体系(芯片实验室)以及以生物大分子相互作用为研究对象的网络生物学分别是最有发展潜质的热点方向。在这两个领域的研究工作构成了本论文的主题。
本论文由两部分组成。第一部分中将介绍以重要的原核模式大肠杆菌(Escherichiacoli)为对象的芯片实验室技术的开发和应用。第二部分将介绍利用网络复杂性分析为手段研究基因调控网络复杂性对有性繁殖优越性的影响及其在生物进化过程中的意义。
论文第一部分包含四章。第一章为绪论，其中我们将简要回顾当前芯片实验室技术尤其是细胞(包括哺乳动物体细胞以及细菌)阵列技术的发展状况。第二章将介绍使用直接接触式印刷法制备具有准单细胞空间分辨率的大肠杆菌阵列的技术。该技术基于我们特别研发的“反转式原位光刻技术”，能够在对细菌无损伤的前提下将E.coli印刷在琼脂糖凝胶培养基上形成具有接近单细胞精度空间分辨率的大规模二维点阵，该点阵可以在显微镜平台上进行原位培养与实时观测，为包括大规模基因表达分析以及群体生物学等研究创造了具有广泛普适性的实验平台。第三章介绍将E.coli封装在夹心式微流体芯片中进行大规模二维细菌培养以及克隆谱系相关的研究工作。微流体沟道、琼脂糖薄膜以及盖玻片构成的夹心式芯片系统使得实时追踪大克隆中每一个细菌个体的生长分裂成为现实。微流体沟道可以为细菌生长提供恒定的营养条件，并可以通过添加特定化学成分的方式动态的改变细菌的生存环境。夹心式芯片系统对大规模细菌二维培养以及细菌谱系相关的研究有重大的意义，并为细菌点阵和微流体芯片相结合创造了可能。第四章将介绍微流体技术在E.coli研究方面的另外两个应用：支持细菌长期单层生长的微流体恒化器芯片以及荧光细胞分选芯片。通过多次光刻与反应粒子束刻蚀技术相结合，我们尝试制备可用于二维以及一维细菌培养的微流体恒化器并将其应用于细菌生长动力学过程的研究，特别是原核生物“衰老”机制的研究。荧光细胞分选芯片则是通过多层软光刻技术制备能够识别和分离特定荧光标记的细菌的微流体芯片。该芯片在临床检测，药物筛选等领域有着广泛的应用前景。
论文第二部分包含两章。第五章将简要概述网络生物学的基本理论，包括生物网络特征参数以及典型的拓扑性质与动力学性质，以及现在被广泛关注的几类生物网络的研究现状。本章中也概括性的介绍了现有的用于解释有性繁殖起源与优越性的生物进化理论。这些理论由于不考虑生物个体的复杂性与繁殖方式之间的关联因此不能够用于解释有性繁殖在不同物种中的不对称分布。第六章中我们介绍了研究基因调控网络复杂程度与有性繁殖带来的收益之间的相关性的工作。系统性的研究表明，随着基因网络节点数增加与调控关联密度增大，有性繁殖相对于无性繁殖的优越性也越大。当网络结构参数超过一定的临界值时，这种相对优越性增加可以导致物种偏好的繁殖方式从无性模式向有性模式转换。该研究首次对有性繁殖在不同物种中的不对称分布给出了合理的解释。研究中在前人工作基础上所发展的基于基因调控网络的发育.进化模型将系统复杂性、个体发育、群体进化三个层次联系起来，从而可以在涉及物种分化、多性繁殖可能性等研究领域中发挥重要作用。