运用计算系统生物学分析方法指导代谢工程改造已经成为当前研究的一个热点。基元模式分析是代谢途径分析的一种，基元网络的拓扑结构，分析时不需要动力学参数信息，得到网络中所包含的所有路径信息，被用于分析网络的鲁棒性、指导菌种改造等方面。CASOP算法基于基元模式分析，将产率和得率综合考虑，用于模拟以产率目标为主的代谢工程靶点。本文运用CASOP算法指导大肠杆菌好氧发酵生产琥珀酸代谢工程改造并进行发酵试验。根据已报道的代谢网络模型，构建了以葡萄糖为碳源的大肠杆菌中心碳代谢网络。为了比较系统地研究羧化反应对琥珀酸生产的影响，网络中引入了由丙酮酸羧化酶PYC催化丙酮酸生成草酰乙酸的反应，并将由苹果酸酶MAEA催化苹果酸生成丙酮酸的反应分为两个不可逆反应。运用CASOP对所构建网络进行模拟，得到5个敲除靶点（sdhA, ackA-pta, poxB, mgsA, iclR）和5个过表达靶点（aceA, aceB, pyc, ppc, maeA）。根据这些靶点对野生型大肠杆菌W1485进行基因操作，得到一系列工程菌株。对这些菌株进行摇瓶发酵，结果显示野生型大肠杆菌中琥珀酸没有积累。突变株ZJG13（sdhA, ackA-pta, poxB, mgsA, iclR）生长状态近似于野生型，平均琥珀酸产率达到0.50mmol g CDW^-1h^-1。置换乙醛酸循环酶基因aceA, aceB启动子为trc启动子，对琥珀酸生产没有影响。通过载体过表达乙醛酸循环酶基因，琥珀酸得率提高13.9%，但葡萄糖耗速率下降56.3%。过表达丙酮酸羧化酶基因pyc有利于提高菌体生长速率、葡萄糖消耗速率和琥珀酸产率，该酶表达水平的差异对琥珀酸生产影响较大；共表达pyc和ppc，琥珀酸产量低于单表达pyc；共表达pyc和乙醛酸循环相关酶基因，琥珀酸产量高于单表达乙醛酸循环相关酶基因，但低于单表达pyc。经发酵摸索分析，菌株ZJG13^-1Y是所构建菌株中琥珀酸生产速率最高的菌株。对菌株ZJG13^-1Y分批补料发酵，结果显示琥珀酸积累量为36.6g/L，平均比琥珀酸产率为0.88mmol/g CDW/h，最高比琥珀酸产率达到2.75mmol/g CDW/h，得率达到0.72mol/mol。该菌株可通过发酵优化进一步提高琥珀酸产量。