芳香族氨基酸衍生物是一类由芳香族氨基酸衍化而来具有特殊生理活性的化合物,蕴藏着极高的商业价值。该类化合物通常具有复杂的化学结构和手性中心,植物提取常因含量低需要占用大面积耕地导致成本昂贵,而化工生产往往难以分离手性异构体导致纯度低、残留多种溶剂导致生物安全性低,重组微生物发酵的绿色生产方式填补了上述不足。近年来经过菌种改造在合成芳香族氨基酸衍生物方面已取得显著进展,但部分芳香族氨基酸衍生物由于代谢通量不平衡、合成途径未解析仍存在产量低、甚至无法合成的问题。本研究以3-苯丙醇和S-雌马酚的生物合成为例,通过碳代谢流重定向实现了3-苯丙醇的高效合成,通过理性设计人工生物合成途径,实现了S-雌马酚在大肠杆菌中的首次从头生物合成。3-苯丙醇由于独特的芳香气味广泛应用于化妆品、食品等领域,且由于其促胆汁分泌和温和的解痉作用被临床用于治疗胆结石症。在通过途径筛选确立其生物合成途径的基础上,本研究通过调整代谢途径下游酶的表达强度实现代谢通量平衡,通过比较底盘细胞、培养基成分及培养方式确立最优发酵模式,过表达代谢途径上游关键基因加强莽草酸途径、敲除竞争途径减少碳源分流以及增强辅因子供应使3-苯丙醇产量提高到1005 mg/L,是目前已见报道的最高产量。S-雌马酚由于其雌激素性质和强抗氧化活性被广泛用于预防癌症、降低心血管疾病风险和减轻更年期症状等。本研究通过对异黄酮合酶Ge2-HIS及其氧化还原伴侣Cr CPR2进行密码子优化、N端截断、替换亲水肽及更换连接方式改造使提高转化甘草素的效率,最终从200 mg/L甘草素中产出56.7 mg/L大豆苷元;通过对途径另一关键酶二氢大豆苷元DHDR进行P212A定向突变并优化dzr、ifc A、ddr、tdr的表达强度平衡代谢通量,最终从150 mg/L大豆苷元中产出55mg/L S-雌马酚;最终与途径上游宿主菌采用共培养的方式从头合成2.8 mg/L S-雌马酚,是首次在大肠杆菌中从头合成S-雌马酚。本研究为生物合成芳香族氨基酸衍生物途径的构建及优化提供了值得借鉴的思路,并为3-苯丙醇和S-雌马酚的工业化生产奠定基础。