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本文围绕―构建模型—预测靶点—指导实验‖的基因工程改造策略，建立了FK506菌株筑波链霉菌基因组尺度代谢网络模型指导的菌株理性代谢初级和次级途径改造方法，提高了菌株的FK506合成能力。为了构建筑波链霉菌基因组尺度代谢网络，以天蓝色链霉菌基因组尺度代谢网络模型为基础，在添加FK506生物合成的特征反应和菌体合成反应并对网络反应进行手动精炼后，获得了FK506菌株筑波链霉菌基因组尺度代谢网络模型，网络总共含865个反应和621个代谢物。基于构建的代谢网络模型，利用通量平衡分析和最小代谢调节分析预测了能够提高FK506产量的靶基因。根据菌株的生理代谢状态，从初级途径和次级途径筛选到合理的基因改造策略。初级途径靶基因包括对gdhA和ppc的单基因敲除，对dahp、pntAB、accA2、zwf2的单基因扩增。次级途径靶基因包括对fkbO、fkbL、fkbP、fkbD和fkbM的单基因扩增。为了验证模型预测的准确性并有效提高野生菌株的FK506生产能力，根据模型预测的初级途径基因，分别失活NADPH依赖的谷氨酸脱氢酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，FK506产量提高了37.8%和30%，6d达到197.7±7.9mg/L和189.8±6.7mg/L。对3-脱氧-D-阿拉伯糖基-heptulosonate-7-磷酸合酶、烟酰胺核苷转氢酶、乙酰辅酶A羧化酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶分别进行单基因扩增，构建的菌株FK506生产水平是野生菌的1.51、1.46、1.4、1.35倍，达到216.8±11.9mg/L、203.2±10.1mg/L、200.5±15.1mg/L、193.2±12.8mg/L。对这些基因进行组合操作，敲除gdhA同时扩增dahp、accA2、zwf2后可以生产398.9±14.8mg/L FK506，是原始菌株的2.8倍，表明该模型能够准确预测靶标基因并指导菌株初级途径改造。在开展初级途径目标基因改造的同时，对野生菌进行了次级途径理性改造以提高菌株的FK506生产能力。对次级途径基因分别进行单基因扩增，构建的菌株HT-FKBO、HT-FKBL、HT-FKBP、HT-FKBD、HT-FKBM于6d可以生产FK506200.1±9.3mg/L、186.3±7.2mg/L、161.9±4.1mg/L、173.1±10.8mg/L、178.3±9.9mg/L，比野生菌提高了39.4%、29.8%、12.8%、20.6%、24.3%。对次级途径五个基因同时串联过表达，构建的菌株HT-FKBOPLMD可以在分批发酵6d生产353.2±8.5mg/L FK506，是原始菌D852的2.5倍。菌株进行前体添加物优化，发酵后可以生产457.5±10.3mg/L的FK506，比未添加时提高了29.5%，而且FK520和FK506D浓度与未添加条件相比分别降低了44%和35%。该结果表明了代谢网络模型对菌株理性改造的指导意义，同时揭示了通过外源前体优化进一步提高FK506的生产能力，并减少副产物的合成。