丁二酸又称琥珀酸，因其具有广泛的用途而成为美国能源部2004-2010年认定的5种最具价值的生物基平台化合物之一。近年来，由于化石能源的利用所带来的一系列环境和气候问题，生物法生产丁二酸则逐渐成为当今的研究热点。尽管自然界中存在诸多天然产丁二酸菌株，但大肠杆菌却因其遗传背景清晰、遗传操作简单、营养要求简单等优点而被认为是最具有潜力的丁二酸生产菌株。本研究以Escherichia coli生产丁二酸为核心，就目前在提高E.coli丁二酸产量、转化率、生产速率三方面仍存在的潜力进行了深入挖掘，同时，由于丁二酸合成过程伴随CO2的固定，因此，提高丁二酸合成效率对提高化能固定CO2的能力同样具有积极的意义。　　首先，良好的耐高渗能力是提高E.coli丁二酸产量和生产速率的一个关键因素。本研究通过解析丁二酸细胞工厂耐受高渗透压的分子机制，发现了3个新的点突变（CusS，MreC，RpoB）能提高E.coli耐受高渗透压能力。随后对这三个突变逐一进行了耐高渗遗传机制解析。其中，CusS和MreC点突变分别提高了CusCFBA和mreBCD的表达水平，且cusCFBA和mreBCD表达水平的高低与细胞的耐高渗能力分别呈现出正相关关系。结合转录组数据分析表明，Cus系统的激活通过提高高渗胁迫下Cu(Ⅰ)的外排能力来增强细胞的耐高渗能力。同时发现Cu(Ⅰ)螯合剂甲硫氨酸和半胱氨酸可作为新的渗透保护物质来增强细胞的耐高渗能力;结合透射电子显微镜分析，细胞杆状形态决定蛋白MreBCD的过表达增强了细胞骨架强度，从而使细胞在高渗胁迫下不易发生质壁分离。转录组数据分析表明RpoB突变通过以下两种机制使细胞获得耐高渗能力，一方面，增强了细胞在正常生长条件下相容性物质如甘氨酸甜菜碱、谷氨酸以及脯氨酸等的合成与转运能力;另一方面，在高渗胁迫下，大部分糖转运系统的抑制表达得到解除，进一步实验表明Mal系统的激活，麦芽糖孔蛋白LamB和转运蛋白MalEFG的激活可通过提高细胞在高渗胁迫下葡萄糖吸收利用能力来提高细胞的耐高渗能力。　　其次，以E.coli生产丁二酸为模型，对化能固定CO2的能力进行了探索研究。一方面，引入蓝细菌的碳浓缩机制(CCM)，通过提高胞内无机碳浓度来提高羧化反应速率，进而提高CO2固定速率和丁二酸合成速率。在Suc-T110中分别过表达Synechococcus sp.PCC7002来源的HCO3-转运蛋白(BT)和碳酸酐酶(CA)，发酵36h时间节点，丁二酸合成速率较Suc-T110分别提高了22％和35％，其中过表达CA使PCK催化的羧化反应速率由2.46提高至3.92umol/min/mg蛋白。除此之外，在Suc-T110中共同过表达BT与CA，发酵36h时间节点，丁二酸合成速率提高了44％。从而表明，BT与CA在提高丁二酸合成速率方面具有协同作用。　　另一方面，联合利用E.coli外源和内源的甲酸脱氢酶，提高丁二酸合成过程中丁二酸的转化率和CO2的固定量。首先，通过对E.coli自身甲酸脱氢酶的敲除验证，表明FdhF是E.coli主要的分解甲酸提供丁二酸合成所需还原力的甲酸脱氢酶。在提供外源甲酸的条件下，丁二酸的糖酸转化率由1.34mol/mol提高至1.50mol/mol。其次，采用染色体多拷贝技术过表达外源甲酸脱氢酶Fdh1-Cb，联合利用E.coli自身的甲酸脱氢酶，丁二酸糖酸转化率则进一步提高至1.85mol/mol。　　总之，本论文围绕如何进一步提高E.coli丁二酸合成效率与CO2固定能力，从提高耐渗透压能力、提高羧化速率和提高还原力供给三个方面进行了深入研究，增强了E.coli作为丁二酸细胞工厂的潜在竞争力。