环磷酸腺苷(cAMP)是有机体中广泛存在的一种具有生理活性的重要物质，在细胞内起到调节生理活动的重要作用，如细胞增殖与分化、激素的合成与分泌、膜蛋白活性、神经活动和基因表达等。研究人员对cAMP进行的大量研究表明，cAMP在疾病治疗和肉畜食品方面中起着非常重要的作用。化学合成法是目前产业化生产cAMP的主要方法，但是化学合成所用溶剂有一定毒性，易污染环境，因此需开发条件温和、成本廉价、环境友好的新工艺来进行替代。本论文所用菌株Arthrobacter sp.CGMCC3584是一株能在胞外积累cAMP的节杆菌。节杆菌广泛存在于自然界中，主要分布于土壤中，也存在于很多极端环境中。研究发现节杆菌具有很多的功能，主要包括降解环境污染物，具有多种抗逆性，生物产能，具有固氮作用等。因此，节杆菌有很重要的理论研究意义和实际应用价值。为了探明细胞的生长机理和cAMP高效合成的关键因素，本研究基于13C标记实验构建了其中心碳代谢网络以及通量分析模型，采用基因芯片技术、双向凝胶电泳(2-DE)技术和质谱鉴定技术分析不同培养条件下基因表达和蛋白表达水平的差异变化，并考察了关键基因增强表达对目标产物合成的实际影响。　　在13C代谢通量分析方面，首先测定Arthrobacter sp.CGMCC3584的生物质大分子的组成，结合其相对应的前体和能量需求得到生物质的合成通量。然后采用13C标记实验和气质联用(GC-MS)的分析方法，构建了Arthrobacter sp.CGMCC3584的中心碳代谢网络模型并且估计了不同培养条件下胞内通量的分布。GC-MS分析有助于反映胞内途径和反应的活性。构建的代谢网络主要包括了糖酵解途径、磷酸戊糖途径、TCA循环以及部分回补反应。结果表明，添加前体物质次黄嘌呤和糖酵解途径抑制物氟化钠增加了cAMP的产量，同时使得流向磷酸戊糖途径的碳通量从22.3％分别提高到28.3％和28.1％。　　在转录组学分析方面，首先采用454测序技术对Arthrobacter sp.CGMCC3584全基因组进行测序，拼接后获得46个contigs，总长度为4，297，441bp，GC含量为65.87％。根据全基因组信息定制了包含了4075个核酸探针的DNA芯片。基因芯片实验结果表明，在不同供氧条件下共有351个基因显著差异表达，其中高供氧条件下显著上调基因主要参与氨基酸运输和代谢，显著下调基因主要参与碳水化合物运输和代谢。差异基因的代谢途径分析表明，低氧刺激细胞通过非氧途径利用葡萄糖，导致大量副产物的积累，而高的供氧水平强化了TCA循环，且与前体物质PRPP的合成相关的基因上调，说明增强进入嘌呤代谢的流量有利于cAMP的合成。　　在差异蛋白质组学分析方面，采用2-DE技术对不同供氧条件下节杆菌的胞内可溶性蛋白进行分离，得到了67个较为明显的差异蛋白点，经过质谱分析鉴定后总共得到有效鉴定54个，共代表了48个差异蛋白。差异蛋白的COG分类显示高供氧条件使得碳水化合物运输和代谢相关的蛋白显著下调。途径分析表明，差异蛋白涉及糖酵解途径、磷酸戊糖途径、TCA循环、氨基酸代谢、核苷代谢过程、ATP代谢过程、氧化还原过程、蛋白代谢过程、翻译过程等等。在高溶氧条件下，可能更多的葡萄糖通过磷酸戊糖途径流进了嘌呤代谢途径，且TCA循环中的差异表达蛋白上调显著，这与转录组分析结果相类似。　　最后，在节杆菌中过表达了假定的PRPP转酰胺酶基因(purF)、琥珀酰辅酶A合成酶β亚基基因（sucC）、NAD/NADP转氢酶β亚基基因（pntB）、NAD+激酶基因（ppnK）、苹果酸酶(NAD+)基因（maeA）和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶基因(gnd)，分别构建得到重组菌AR-purF、AR-sucC、AR-pntB、AR-ppnK、AR-maeA和AR-gnd。与出发菌株相比，AR-pntB、AR-gnd和AR-ppnK的cAMP产量分别提高了14.7％、13.2％和11.0％，因而推测调控胞内辅酶的形式和水平在cAMP的合成中有着积极的作用。而过表达基因purF、maeA和sucC对cAMP的积累有不同程度的抑制作用，说明糖酵解途径、TCA循环和磷酸戊糖途径之间的代谢流合理分配是cAMP最优合成的关键所在。