后基因组时代涌现的组学数据使以前在生物学领域占有主导地位的还原论研究思想让位于系统生物学。如何利用组学数据和系统的研究方法进行菌种改良是当前代谢工程研究的主要课题。 本文以大肠杆菌的整体代谢网络和中心代谢网络为对象，以其代谢反应，基因-蛋白-反应关系数据为计算依据，利用通量平衡分析的方法进行了计算机辅助菌种改良的研究。 本文以提高大肠杆菌在厌氧生长条件下琥珀酸对葡萄糖的得率为目标，系统地研究了对于提高得率有关键作用的代谢途径和基因。除了使用常规方法模拟代谢通量受到抑制或基因敲除之后突变菌株的代谢表型，本文还首次使用了增大野生菌代谢通量的方法来模拟表达相应的外源基因之后工程菌的代谢表型。在从代谢途径角度进行的模拟中发现的关键途径(ADHEr，PFL，PPC等)对于提高琥珀酸得率的作用已经被文献证实。在从基因角度进行的模拟中，发现扩增表达延胡索酸还原酶的基因frdABCD能够提高琥珀酸的得率，并且该结果也被已有的文献证实。本文提供的菌种改良的研究方法比传统的“试差法”更有效，系统，而且该方法尤其适用于基因组数据或者代谢网络已经清楚的菌株。 本文还研究了如何从基元模式的角度理解大规模代谢网络通量分布的问题。首先，以拟合通量向量与原始通量向量之间的相对误差为指标，考察了利用基元模式的子集来重构代谢网络通量分布的可行性。进一步的分析发现对于研究的通量分布，存在一组基元模式集合，属于该集合的基元在重构通量向量时比其他的基元模式具有更高的频率获得一个非零的权重，并且属于这一集合的基元模式能够更好地帮助理解研究对象的代谢状态。