一、引言

在生物制造领域（如氨基酸、有机酸、生物基材料），微生物的代谢路径活性直接影响产物得率与生产效率。通过生物计量手段构建代谢通量模型（Metabolic Flux Analysis, MFA），定量分析关键节点的碳流分布，是实现精准调控、提升发酵经济性的核心技术。

二、代谢通量分析的基本原理

基于质量守恒与同位素标记实验（如¹³C-葡萄糖示踪），结合气相色谱-质谱（GC-MS）或核磁共振（NMR）测定氨基酸、有机酸等中间代谢物的同位素富集度，利用数学模型反推细胞内各反应路径的通量大小（mmol/gDCW/h）。

三、核心技术与系统组成

同位素标记底物供给系统
精确控制¹³C-葡萄糖等示踪剂添加时机与浓度。

高分辨质谱与NMR检测平台
分析胞内代谢物同位素异构体分布（isotopomer）。

代谢网络模型与求解软件
如COBRA Toolbox、13CFLUX2，支持基因-反应关联建模。

与过程参数联动分析模块
结合DO、pH、补料速率等数据优化通量预测。

四、典型应用场景

大肠杆菌生产L-赖氨酸通量瓶颈识别
发现TCA循环分流过多，指导基因敲除策略。

酵母合成β-法尼烯的途径优化
提高MVA路径通量，降低副产物乙醇生成。

新型合成菌群分工代谢评估
量化不同菌株在共培养中的功能贡献。

工业放大过程代谢行为一致性验证
比较实验室与万吨级发酵罐的通量差异。

五、挑战与未来发展趋势

挑战：

模型依赖基因组注释准确性；

胞内取样破坏细胞稳态；

计算复杂度高，求解耗时。

未来方向：

发展在线原位代谢物检测技术（如微流控+拉曼）；

推进AI驱动的通量快速预测模型；

建立工业菌株标准代谢通量数据库；

实现从静态MFA到动态dMFA的升级，支持全过程优化。