随着后基因组时代的到来,工业微生物的代谢工程改造在工业生产上发挥着越来越重要的作用。基因组规模代谢网络模型(Genome-scale metabolic model,GSMM)将生物体内所有已知的代谢信息进行整合,为全局理解生物体的代谢状态和理性指导代谢工程改造提供了良好的平台。本研究以乳酸乳球菌NZ9000作为目标菌株,通过构建其特有的GSMM对其生理特性和代谢能力进行分析,以期为全局掌握L.lactis NZ9000的胞内代谢机制和指导该模式菌株的代谢工程理性改造提供新工具。主要研究内容如下:(1)依据最新公布的L.lactis NZ9000的全基因组序列,使用基因组功能注释和比较基因组学相结合的半自动构建方法,基于MATLAB平台完成了L.lactis NZ9000的基因组规模代谢网络模型i WK560的构建。模型iWK560包含560个基因,668个代谢物,840个反应。基因覆盖率达到23.89%,840个反应分别分布于细胞内和细胞外两个区间,其中有明确基因关联的反应有638个,占比76%。(2)对模型进行性能参数验证。经碳源利用能力分析发现,L.lactis NZ9000可利用16种碳源作为底物进行生长,且模型预测与实验的吻合率为100%,说明模型对碳源底物利用预测的准确性。氨基酸利用能力验证发现,菌株在精氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸和丝氨酸缺失情况下无法生长,且模型预测结果与实验结果一致,说明模型对氨基酸代谢计算的准确性。基于CDM培养基,分别利用分批发酵实验及不同稀释率下的恒化实验数据对i WK560的性能参数进行验证,模型模拟计算的平均偏差小于5%,表明模型对于菌株生长和产物合成预测的准确性。以上分析验证表明,i WK560能够准确预测菌株的生长和产物生成,反映细胞的真实生理状态,可作为代谢工程改造及发酵优化的指导工具。(3)基于模型iWK560进行生理功能分析。(i)对模型的特征进行解析,并将其与其他乳酸菌模型进行比对;(ii)通过模拟基因敲除预测了三种不同培养基条件下(MS15、CDM、M17)的必需基因与必需反应,必需基因数量分别为88个、62个和54个,必需反应数量分别为189个、137个和135个,并对其代谢亚系统分布进行了分析;(iii)基于模型利用多因素缺失和单因素添加对菌株的营养物质吸收进行解析,并将其应用于合成培养基优化,使得生物量提高了100.19%;(iv)对模型的中心碳代谢网络进行分析,结果表明单糖类碳源底物更有利于菌株的吸收生长;(v)利用FVA算法对菌株作为细胞工厂合成不同产物的能力进行了分析,研究表明野生型菌株较适于生产丙酮酸衍生产物,且乙酰辅酶A及乙酰乳酸衍生物也具有较大潜力。(4)以(S,S)-2,3-丁二醇(S-BDO)为目标产物进行了代谢途径分析与发酵策略优化。(i)对S-BDO的代谢途径进行了解析和验证,并通过代谢流分析得到了S-BDO合成过程中的三个代谢节点和8个代谢改造靶点;(ii)研究了维生素、氨基酸添加及pH变化对产物合成和细胞生长的影响,其中乳清酸、天冬酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸对产物生成有显著促进作用,且相较于S-BDO的生产,细胞生长对于pH的变化更为敏感,因此通过适当维持弱酸性环境更有利于S-BDO的生成。