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半胱氨酸作为含有巯基的氨基酸，它在医药、食品、饲料、化妆品等行业具有广泛的用途。目前半胱氨酸很难通过微生物发酵来生产，因此一直采用毛发水解法进行生产。本实验室保存一株能够以DL-ATC（DL-2-Amino-2-thiazoline-4-Carboxylic Acid）为底物生物合成L-半胱氨酸的Pseudomonas sp.QR-101菌株。为了研究Pseudomonas sp. QR-101在DL-ATC诱导条件下，在基因转录水平、蛋白表达水平以及代谢物合成和分解水平上的差异，以期找到一个Pseudomonas sp. QR-101高效合成L-半胱氨酸的策略，本论文利用转录组学、蛋白质组学和代谢物组学的分析方法对Pseudomonas sp. QR-101的基因转录、蛋白表达和代谢物进行整体的系统生物分析。通过比较转录组学的方法对DL-ATC诱导下Pseudomonas sp. QR-101的转录水平进行分析。结果发现，在诱导和无诱导两组样品的差异表达基因中，FDR≤0.001且倍数差异在2倍以上的基因有90个，其中有55个基因发生转录上调，有35个基因发生转录下调。涉及包括能量代谢途径，硫代谢途径，以DL-ATC为底物合成L-半胱氨酸的代谢途径，氨基酸代谢途径等有关细菌代谢的各方面。其中ATC水解酶差异表达倍数的log2值增加17.4倍，是受DL-ATC诱导影响最大的一个基因，也是与DL-ATC代谢最为相关的一个基因。由于该基因的显著上调，使得菌体内的L-半胱氨酸得到积累，因此与L-半胱氨酸分解的相关基因也发生了上调。此外，与硫代谢相关的基因发生了转录下调，与能量代谢相关的基因发生了转录上调。通过细菌总蛋白进行双向电泳分析，比较Pseudomonas sp. QR-101在DL-ATC诱导下的蛋白表达差异，并将蛋白丰度差异明显的蛋白点进行质谱测定，进行比较蛋白组学分析。结果鉴定出9个表达差异较大的蛋白，包括转运系统的鞭毛蛋白、氨基酸ABC转运系统周质空间结合蛋白，信号转导系统的丝氨酸蛋白激酶，磷代谢系统的PhoH家族蛋白，氨基酸代谢相关的半胱氨酸合成酶/胱硫醚酶beta合酶家族蛋白，以及与DL-ATC代谢相关的ATC消旋酶、ATC水解酶以及β-内酰胺酶、β-内酰胺酶域蛋白。在DL-ATC的诱导下，除了氨基酸ABC转运系统周质空间结合蛋白表达下调外，其余几个蛋白均为表达上调，涉及细菌代谢活动的多个方面，使Pseudomonas sp. QR-101的整个代谢网络发生了改变，代谢更加旺盛和积极。采用代谢物组学的方法，研究了DL-ATC诱导条件下Pseudomonas sp.QR-101生物合成L-半胱氨酸时代谢物组学发生的变化情况。利用UPLC/Q-TOF-MS对有无诱导的Pseudomonas sp. QR-101代谢物组样本进行测定，通过主成分分析（PCA）的方法，筛查出组间差异性显著的32个潜在生物标志物。这些代谢物分别属于细菌中不同的代谢途径，主要涉及能量代谢途径和氨基酸代谢途径。这一结果表明，底物DL-ATC的加入使得Pseudomonas sp.QR-101的代谢过程变得更加旺盛，L-半胱氨酸的积累导致其他氨基酸的合成和积累水平也受到了影响。进一步通过液相色谱-质谱联用手段对Pseudomonas sp. QR-101利用DL-ATC为底物合成L-半胱氨酸的代谢途径进行鉴定，结果表明，该菌株以N-代途径来合成L-半胱氨酸。合成途经涉及到三个酶，分别为DL-ATC消旋酶（AtcA）、L-ATC水解酶（AtcB）以及L-NCC氨甲酰水解酶（AtcC）。以Pseudomonas sp. QR-101基因组为模板，通过PCR的方法克隆了编码这三个酶的基因，分别构建到表达载体pET-28a(+)中，转化至Escherichia coli BL21中进行表达，并通过催化实验验证了三个酶的功能，此外，本论文首次报道了DL-ATC消旋酶AtcA的克隆表达，并证明了其能够使得从DL-ATC到L-半胱氨酸的生物转化效率有较大提高。同时，对它们的生化特性包括蛋白分子质量、反应最适pH值、最适温度和金属离子耐受性等酶学性质进行了研究。本研究采用系统生物学的手段，对Pseudomonas sp. QR-101酶法转化生产L-半胱氨酸的过程涉及的转录组学、蛋白组学和代谢组学的变化进行了较全面的表征，基本阐明了酶法转化的生物学过程。发现了假单胞菌属涉及N-代途径中的atcA、atcB及atcC基因，并对其功能进行了初步表征，这使得N-代途径的L-半胱氨酸的转化能够首次被完整揭示，为酶法合成L-半胱氨酸进行工业化生产的研究奠定了基础。