基因组规模重建代谢模型是一种包含了某种特定生物或者是细胞基因组范围代谢反应,及其酶及基因关联的数学模型。这种新型的模型在过去十多年中已经被广泛地应用到了代谢工程方面的研究中,用于帮助和指导研究者们对代谢工程菌株的理性改造。不仅如此,近年来研究者们还开始了对其在其他生物技术及系统医药学方面的应用尝试。但是,目前基因组规模重建代谢模型仍存在一些问题,例如仿真计算时较高的计算时间、过于粗糙的基因-蛋白-反应之间的数学关联以及缺乏信号转导与转录调控方面的信息等。这些问题一定程度上限制了基因组规模重建代谢模型更广泛的应用。通过新型仿真代谢工程方法IdealKnock的开发,极大地提高了仿真代谢工程的计算效率,使得原本在基因组规模重建代谢模型中计算困难的高水平反应敲除策略的预测变得十分高效。通过IdealKnock模拟预测得到的敲除策略不会受到具体敲除数目的影响,并且运算时间仅仅为数分钟。不仅如此,IdealKnock仿真得到的目标菌株所拥有的比生长速率和产量都相比于传统方法有了较大提高。另外,通过对部分敲除策略的可视化,深入解读了敲除策略背后的原理,发现了将目标产物与菌体生长偶联起来的关键代谢途径以及目标产物的竞争产物,对进一步理性改造工程菌株提供了指导。通过开发对基因组规模重建代谢模型的逻辑变换方法,对模型中所包含的基因-反应关联矩阵进行了分解与重组,将具体控制代谢反应的多个基因之间的逻辑关系整合到了变换后的基因-反应关联矩阵中,而同时又保留了与初始基因组规模重建代谢模型等价的化学计量关系。在模型逻辑变换的基础上,将两个传统的基于反应的方法OptKnock和FastSL进行了基因水平的拓展,得到了OptGeneKnock和FastGeneSL。对这两种基因水平仿真方法的检测发现两者都要优于传统的方法,证明了模型的逻辑变换能够拓展基因组规模重建代谢模型在基因水平的应用能力。根据米氏方程酶动力学的原理,通过搜集整理公开网络数据库中已有的相关数据,在传统的酿酒酵母基因组规模重建代谢模型的基础上加入了基因组范围的酶水平的限制条件。加入了酶学限制后的模型能够准确预测Crabtree效应,并且较为精准地预测了酿酒酵母以不同碳源为底物时的最大生长速率。这些充分说明了对基因组规模重建代谢模型加入酶学限制后能够大大提高它们的仿真预测能力。根据公开数据库中的信息,对酿酒酵母菌株转录调控网络以及蛋白质-蛋白质相互作用网络进行了重建。系统研究了转录调控网络与蛋白质-蛋白质相互作用网络对基因之间的共表达关系。结果表明,当一对基因在转录调控网络和蛋白质-蛋白质相互作用网络中都被相似“调控子”调控时,它们更倾向于共表达。本研究的结果显示了微生物的转录调控网络与蛋白质-蛋白质相互作用网络之间在调节靶标基因表达量这一功能上很可能存在合作关系。这一发现为今后将转录调控与蛋白质-蛋白质相互作用网络水平信息整合到基因组规模重建代谢模型中提供了线索。综上,本研究从不同角度尝试了对基因组规模重建代谢模型的应用与拓展,显示了基因组规模重建代谢模型的应用潜力。同时,本研究对基因共表达与共调控关系的探索也为基因组规模重建代谢模型在调控层面的进一步拓展作了必要准备。本研究的工作能够推广与促进基因组规模重建代谢模型在代谢工程、生物信息及系统医药学等方面的应用。