RNA-Moleküle bilden ein Kernstück lebender Organismen, wo sie mit den meisten zellulären Prozessen in Verbindung gebracht werden. Sie sind in jüngerer Zeit hervorgetreten als eines der vielversprechendsten Elemente für die Entwicklung programmierbarer genetischer Regulationssysteme. RNA-Regulatoren bieten große Vorteile dabei, die Kraft der synthetischen Biologie zu nutzen. Durch die Vielseitigkeit ihrer Funktionen, der Vorhersagbarkeit beim Design und ihrer geringen Stoffwechselkosten sind RNA-basierte Elemente von grundlegender Bedeutung für therapeutische, diagnostische und biotechnologische Anwendungen. Fortgeschrittene Aufgaben erfordern jedoch die Verwendung von sequentiellen Logikschaltungen, die viele Bestandteile in dasselbe System einbetten. Das Kombinieren von RNA-Komponenten zu komplexeren Schaltkreisen bleibt experimentell herausfordernd und schwierig vorherzusagen. Im Gegensatz zu proteinbasierten Netzwerken wurden nur wenige Arbeiten zur Integration von RNA-Komponenten in mehrstufig geregelte Schaltkreise durchgeführt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Kombinationen verschiedener kleiner Transkriptionsaktivator-RNAs, small transcriptional activator RNAs (STARs), und Toehold-Schalter in hochwirksame AND-Gatter eingebaut. Zur Charakterisierung der Komponenten und ihres Dynamikbereichs wurde ein zellfreies Escherichia coli (E. coli) -Transkriptions-Translations-System (TX-TL) verwendet, das über Nanolitertröpfchen verteilt wurde. Zellfreie Systeme, die eine offene Umgebung darstellen, haben viele der Komplexitäten, die mit der traditionellen Verwendung lebender Zellen verbunden sind, beseitigt und aufregende Möglichkeiten für die rationale Gestaltung genetischer Schaltkreise eröffnet. Zur qualitativen und quantitativen Analyse des Expressionskonstrukts wurde ein auf gewöhnlichen Differentialgleichungen, ordinary differential equations (ODEs), basierendes Modellierungsframework erstellt, dessen Parameter durch parallel tempering abgeleitet wurden. Basierend auf dieser Analyse wurden neun zusätzliche AND-Gatter gebaut und in vitro getestet. Es wurde festgestellt, dass die Funktionalität der Gatter stark von der Konzentration der aktivierenden RNA für den STAR- beziehungsweise den Toehold-Schalter abhängt. Alle Gatter wurden erfolgreich in vivo implementiert und wiesen einen Dynamikbereich auf, der mit dem von Proteinkreisläufen vergleichbar ist. Ein anschließendes Spacer-Screening-Experiment ermöglichte die Isolierung einer Gatter-Mutante mit einem Dynamikbereich von bis zu 1087-facher Veränderung, womit der Weg geebnet wurde für mehrschichtige Bauelemente, bei denen enge OFF-Level für eine effiziente Schaltung erforderlich sind. Die Erweiterung des Repertoires der RNA-Regulatoren um wirksame Inhibitoren würde die für den Aufbau dynamischer Schaltkreise, wie Speicherbausteine oder Oszillatoren, erforderlichen logischen Operationen vervollständigen. Das TX-TL-System wurde mit vorexprimiertem dSpyCas9, einer mutierten Version von Cas9 ohne Endonukleaseaktivität, funktionalisiert. Vier funktionelle Small-Guide-RNAs (sgRNAs), die auf den sfGFP-Reporter abzielen, wurden konstruiert und charakterisiert und wiesen eine hohe Repressionseffizienz auf. Eine Logikschaltung mit drei Eingängen, die Toehold, STAR und sgRNA enthielt, wurde erfolgreich co-exprimiert und validierte die Orthogonalität von NOT- und AND-Gattern ausschließlich auf der Grundlage der RNA-basierten Regulation. Um Wechselwirkungen zu minimieren, die durch einen immer komplexer werdenden RNA-Schaltkreis entstehen könnten, wurde das TX-TL-System mit einem zweiten Protein, der Csy4-Endoribonuklease, funktionalisiert, welches selektiv eine kleine RNA-Haarnadel bindet und schneidet. Die Normierung der Genexpression verschiedener nicht translatierter Regionskontexte und die verbesserte Verarbeitung von kleinen RNA-Operons mit drei Eingängen wurde mithilfe von Csy4 demonstriert. Zuletzt erfordert die Charakterisierung komplexer RNA-basierter Schaltkreise Techniken um Dynamiken zu erfassen. Um die mit TX-TL-Systemen verbundenen Einschränkungen des Batch-Formats zu überwinden, wurde ein mikrofluidischer Nanoliter-Reaktor implementiert, der es ermöglicht, die Syntheseraten über die Zeit konstant zu halten. Die dynamische Kontrolle der RNA-Schaltkreise wurde durch Modulation der Ligandenkonzentration und Umkehrung des Genzustands durch Konformationsänderung von Riboschaltern demonstriert. Diese Arbeit zeigt das Potenzial eines Rapid-Prototyping-Ansatzes für das Design von RNA-Schaltkreisen in TX-TL-Systemen in Kombination mit einem Modellierungsframework. Zusammengefasst bilden die Charakterisierung einer Vielzahl von RNA-Teilen wie Aktivatoren, Repressoren oder Controllern, die in Logikmodulen gipfeln, sowie funktionserweiterte Zellextrakte, eine komplette RNA-Toolbox für zellfreie Systeme. Die Nutzung dieser einzigartigen Prototyping- Plattform wird es letztendlich ermöglichen, hochdynamische RNA-Schaltkreise in vitro zu konstruieren und zu untersuchen.