微生物发酵法是目前工业化生产苏氨酸的主要方法。高生产潜力菌种的选育和高效的发酵过程控制是微生物发酵产业的两大核心问题。在菌种选育方面，通过多轮传统的物理化学诱变方法获得的苏氨酸生产菌积累了大量的负效应突变，导致菌体生长缓慢、副产物过多等问题，难以进一步提升其生产性能;通过基因敲除或过量表达等剧烈的遗传修饰方式对菌种进行定向改造往往会造成细胞的代谢失衡和生理功能损伤，并且限制了菌株的进一步代谢工程改造。在发酵过程控制方面，仍存在控制水平不精确、操作过程繁琐、级联信号可信度差和成本高等问题。本论文针对上述菌种选育和发酵过程控制方面的问题，从遗传背景清楚的野生型大肠杆菌W3110出发，应用合成生物学元件精细和动态调控苏氨酸代谢途径，构建高生产性能的工程菌;并应用最大值原理建立了以廉价葡萄糖替代蔗糖为碳源的高效、精确、可操作性强的两阶段补料策略。　　应用基因无痕敲除技术，敲除苏氨酸支路代谢途径、降解途径和转运蛋白相关基因，构建了一株底盘工程菌EC208（W3110△metA△ilvA△lysA△tdh△tdcC）。进一步通过不同拷贝数质粒、不同强度启动子和核糖体结合位点(RBS)的组合，精细调控苏氨酸操纵子的表达，全面考察了苏氨酸操纵子表达量与苏氨酸生产表型之间的关系，定量优化了苏氨酸合成途径。最优精细调控组合的工程菌EC208/pACYC184-PPL-RBS-D-AG757ABC，在7.5-L发酵罐中发酵40h，苏氨酸产量达到50.8g/L。　　过表达苏氨酸外排蛋白基因rhtA、rhtB和rhtC可以提高非生长阶段的苏氨酸生产强度，但不利于对数期菌体的生长和苏氨酸的合成。为此，采用动态控制苏氨酸外排蛋白基因表达的方法来提高苏氨酸的产量。首先构建了枯茗酸诱导的严谨控制基因表达的载体，在细胞进入非生长阶段后开始诱导表达苏氨酸三个外排蛋白基因，使苏氨酸产量提高了13.6％;并且对苏氨酸三个外排蛋白的表达和其对苏氨酸产量的影响进行分析，发现诱导表达专一性强的苏氨酸外排蛋白RhtC可使苏氨酸产量提高了45.0％，达到74.4g/L。　　在定量优化苏氨酸操纵子表达的基础上进一步改造细胞中心代谢网络。通过增强C3中间代谢物羧化和乙醛酸循环途径参与的回补途径和弱化C4中间代谢物脱羧的糖异生途径提高苏氨酸合成前体草酰乙酸（OAA）的合成量，以提高苏氨酸产量。首先通过敲除iclR基因和过表达ppc基因增强苏氨酸合成前体OAA的合成，苏氨酸产量提高了55.7％;其次敲除maeA、mae和pckA三个糖异生相关基因，阻断TCA循环中间代谢产物的回流，减少OAA的消耗，苏氨酸产量提高了16.5％。　　以大肠杆菌EC125开展发酵过程控制的研究。在非补料控制的分批发酵条件下，发现菌体生长停止时苏氨酸积累量不再提高，表明苏氨酸的积累和菌体生长相关联。通过生长限制性补加碳源、磷源和硫源，使菌体生长时间及与之相关联的苏氨酸有效积累时间得以延长，苏氨酸产量分别比分批发酵提高了2.1、2.3和1.3倍。同时，实验结果也显示限制性补加缺陷型氨基酸（异亮氨酸）解除了苏氨酸合成对菌体生长的依赖，即苏氨酸在菌体进入非生长阶段仍可高效积累。通过测定代谢副产物，发现酸性代谢产物（谷氨酸和乙酸）大量积累，与此同时大量的氨水被补加入发酵液中以平衡发酵液的酸碱度，进而导致发酵液中铵离子浓度升高。在菌体生长阶段，基于比生长速率与苏氨酸比生产速率的关系，利用Pontryagin最大值原理平衡最大比生产速率和最大比生长速率的补料操作时间，提高了苏氨酸生产强度;在非生长阶段，生长停止时剩余的低浓度的异亮氨酸和磷酸盐有利于苏氨酸积累。综上所述，建立了一套精确、高效、操作性强的补料过程调控策略，苏氨酸产量和糖酸转化率分别达到了105.39/L和0.405g/g，且该方法以廉价的葡萄糖替代蔗糖作为碳源，使原料成本降低了20％以上。　　本研究中基因表达的精细调节和动态控制，是合成生物学元件在代谢工程中的成功应用，对于设计“细胞代谢工厂”具有一定的参考价值;结合回补途径和糖异生途径的改造，对于三羧酸循环中间代谢物及其衍生代谢物合成途径的代谢工程改造具有借鉴意义;此外，解除生长关联的补料策略和精确高效的补料控制方法对于工程菌发酵性能验证和氨基酸工业化生产均具有广泛的指导意义。