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基因组规模代谢网络模型(Genome-scale metabolic models，GEMs)已成为系统生物学研究的重要组成部分，且在多个研究领域得到广泛的应用，如代谢工程、药物靶点识别、宏基因组研究等。本论文主要是将基因组规模代谢网络模型仿真应用于工业生物技术中，一方面是基于模型仿真，帮助研究人员理解菌株在受到基因扰动或环境扰动时的表型变化;另一方面是基于模型仿真，预测有利于提升菌株生产特性的遗传改造或过程优化策略，指导高性能工程菌株的设计。具体内容包括以下四个部分。 首先，基于基因组规模代谢网络模型仿真理解菌株基因型与表现型的关系。根据大肠杆菌(Escherichia coli)NZN111菌株的分子改造过程，大肠杆菌核心模型被分别改造成与野生型E.coli、ldhA基因或pflB基因缺失的E.coli、以及ldhA和pflB同时缺失的E.coli(NZN111株)相对应的模型。随后通过非优化算法Artificial Centering Hit-and-Run(ACHR)对四个模型的解空间分别随机取样，分析推测导致E.coli NZN111厌氧条件下胞内NADH/NAD+不平衡的主要原因在于胞内丙酮酸-甲酸裂解酶(PFL)受抑制所致。此外，还推测强化反应NADH16(将氧化型泛醌(ubiquinone-8，q8)转化为还原型泛醌(ubiquinol-8，q8h2))将有利于厌氧条件下E.coli NZN111细胞的生长和琥珀酸的生产。 其次，基于基因组规模代谢网络模型仿真指导代谢工程菌株的设计。基于细胞生长和目标产物合成的代谢途径间的偶联关系，成功开发了生产-生长偶联分析(Analysis of Production and Growth Coupling，APGC)算法。该算法与代谢模型逻辑转换法(Logical Transformation of genome-scale Metabolic model，LTM)结合，可直接用于预测有利于提高目标产物合成效率的基因过表达策略。本研究中，APGC算法被用于识别有利于E.coli NZN111在微耗氧条件下生产琥珀酸的过表达基因靶点，其中有四个靶基因被挑选进行了实验验证。结果表明:所有验证靶基因的过表达均在一定程度上改善了菌株生长及琥珀酸生产性能，而预测所得的新靶基因gapA和pgk的过表达对E.coli NZN111琥珀酸合成的促进效果尤为显著。该结果从实验角度验证了APGC算法在一定情况下能有效地识别过表达基因靶点并指导工程菌株设计。 此外，基于工业菌株解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）的代谢网络及代谢相关的新信息，对本课题组之前构建的基因组规模代谢网络模型iYL619)_PCP进行更新重构，获得解脂耶氏酵母最新代谢网络模型iYL_v2.0。仿真结果表明模型iYL_v2.0能更为准确地仿真该菌株在葡萄糖基本培养基中的最大比生长速率以及在多种碳源上的生长情况。另外，通过CellDesigner软件绘制了与模型iYL_v2.0相匹配的代谢网络‘Map’图，该图可实现不同条件下模型仿真结果的可视化比较，这使该模型的仿真应用更加便利。 最后，基于解脂耶氏酵母在氮限培养条件和碳限培养条件下生物量组分的显著差异，模型iYL_v2.0中的生物量合成反应被分别修正以对应上述两种培养条件，同时进一步精炼整体代谢网络模型，得到一个高质量的约束模型(Constramts-Based Model,CBM)iYL_CN。该模型能更为准确地仿真Y.lipolytica在氮限条件和碳限条件下的细胞比生长速率及柠檬酸合成速率，且仿真所得的代谢流量分布与13C标记实验得到的代谢流量分布有较高的皮尔逊相关系数。本研究中，该模型被用于仿真揭示Y.lipolytica在氮限条件和碳限条件下的差异代谢情况，为菌株后续的代谢工程改造提供了相应思路。 综上所述，本论文以大肠杆菌NZN111和解脂耶氏酵母为主要研究对象，从多个角度探究了基因组规模代谢网络模型方法在工业微生物细胞代谢工程改造上的应用研究，既拓展了细胞代谢反应网络模型的构建及模拟仿真方法的开发，更注重基于模型预测结果的实际代谢工程改造效果，从而为更深入有效地开发应用细胞代谢网络模型方法、促进工业生物技术的创新发展提供相应的研究思路。