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异戊二烯主要用于生产合成橡胶，还用于生产多种精细化工品、及粘合剂和润滑剂。目前异戊二烯完全由石化原料生产。随着全球气候变暖和化石资源的日益短缺，构建以廉价生物质或CO2为原料的异戊二烯生物法合成线路已引起研究者的极大关注。本研究通过代谢工程和合成生物学的方法，对蓝细菌和大肠杆菌进行优化设计和改造来生产异戊二烯。 本研究利用代谢流量分析和代谢组学分析指导蓝细菌的代谢工程设计和改造，实现在光照的条件下将CO2直接转化为异戊二烯。通过比较甲基赤藓糖醇磷酸途径(MEP)和甲羟戊酸途径合成异戊二烯的碳利用效率和前体代谢物的推动力，选择在蓝细菌中利用MEP途径合成异戊二烯。通过比较了各种植物来源的异戊二烯合酶的催化水平及在蓝细菌中的表达水平，并且过表达了异戊二烯基焦磷酸异构酶(IDI)以提高细胞内二甲基丙烯基焦磷酸(DMAPP)与异戊二烯基焦磷酸(IPP)的浓度比例，同时通过构建IDI与异戊二烯合酶的融合蛋白以提高异戊二烯合成的活性，进而通过动态流量分析技术识别了MEP途径的限速步骤并对其进行疏通。经过一系列改造后获得的工程菌，将光合作用所固定的碳的40％用于异戊二烯的合成，以CO2为原料异戊二烯的产量达到1.26g/L，生产速率达到4.26mg/L/h，显著高于目前文献上所报道的光合自养微生物生产萜类化合物的产率。工程菌的光合放氧和固碳速率明显提高，说明异戊二烯的大量合成刺激了光合效率的提高。除了高效合成异戊二烯，本研究所构建的工程菌还可以作为平台，构建光自养细胞工厂，合成各种萜类化合物。 同时，通过与杨晟老师课题组合作，对合成异戊二烯的大肠杆菌工程菌进行了系统的代谢流量分析，与单独表达MEP途径的菌以及单独表达MVA途径的菌相比，通过13C代谢流量分析，发现在同时表达MEP途径和MVA途径的工程菌中，MEP途径的代谢流量提高4.8倍，MVA途径的代谢流量提高1.5倍。通过定量解析添加甲羟戊酸或MEP途径的抑制剂磷胺霉素，对于MEP途径和MVA途径代谢流量的影响，证实了在双途径菌中MEP途径与MVA途径之间存在协同效应。两条途径之间还原力和ATP的需求与供给相互偶联很可能是存在协同效应的关键原因。另外还发现MEP途径与MVA途径之间的协同效应也能够显著提高番茄红素的产量和产率，说明该协同效应可用于提高微生物合成其他萜类化合物的产率。