代谢工程（Metabolic engineering）是指利用多基因重组技术有目的的对细胞代谢途径进行修饰、改造，改变细胞特性，并与细胞基因调控、代谢调控及生化工程相结合，为实现构建新的代谢途径生产特定目的产物而发展起来的一个新的学科领域。可以说是基因工程的高级阶段。

在农业生物技术中，代谢工程被应用于作物抗逆育种，通过改造代谢途径来增强作物的抗逆性和提高产量。

代谢工程是利用基因工程技术改造细胞的代谢，以改善细胞的性能的一门新兴学科。2003年美国贝克莱大学J.Keasling，采用酵母细胞表达天然植物药箐篙素分子，实现工程微生物代谢工程制药。采用系统生物学原理和转基因生物技术、计算机软件辅助设计技术，将细胞内次生代谢反应链重新设计、人工合成基因与基因调控网络，从而进入了代谢工程、基因工程的合成生物学 - 系统生物学基础的遗传工程时代。

最近的发展表明，它在植物、动物代谢工程及至人体组织细胞的基因治疗及代谢分析方面有重要应用。该领域的新颖性在于分子生物技术与数学分析工具的集成，这有助于阐明基因修饰的代谢通量控制及靶标的合理选择。通过提供对细胞生物学的准确严密的描述，代谢工程也可大大促进功能基因组学研究的深入发展。

例如，2025年12月，海南大学王守创教授团队在《植物科学趋势》发表研究，系统阐释了酚胺类化合物在植物感知、适应复杂环境中的核心枢纽作用。酚胺处于植物初级代谢与次级代谢、生长发育与防御抗逆信号的交汇关键节点，堪称调控资源分配、维持细胞内环境稳定、传递胁迫信号的“总调度师”。该研究为作物抗逆育种提供了“代谢新蓝图”，为应对全球气候变化背景下的粮食安全挑战、推动绿色低耗可持续农业发展提供了创新解决方案。

代谢工程的主要目标是识别特定的遗传操作和环境条件的控制，以增强生物技术过程的产率及生产能力，或对细胞性质进行总体改性。本书最主要的内容包括途径集成和把代谢通量作为细胞生理学的基本决定因素来考虑的重要性。代谢工程把数学的复杂性减到最小，并同时提供一些必要的补充说明作为不同数学运算的背景材料。

为了满足人类对生物的特定需求而对微生物进行代谢途径操作，已有将近半个世纪的历史了。在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都可以找到一些典型实例。操作的主要方法是，用化学诱变剂处理微生物，并用创造性的筛选技术来检出已获得优良性状的突变菌株。尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的效果，但对突变株的遗传和代谢性状的鉴定是很不够的，更何况诱变是随机的，科学不足技巧补！

DNA重组的分子生物学技术的开发把代谢操作引进了一个新的层面。遗传工程使我们有可能对代谢途径的指定酶反应进行精确的修饰，因此，有可能构建精心设计的遗传背景。DNA重组技术刚进入可行阶段不久，就出现了不少可用来说明这种技术在定向的途径修饰方面的潜在应用的术语。如分子育种（1981年），体外进化（1988年），微生物工程或代谢途径工程（1988~1991年），细胞工程（1991年）和代谢工程（1991年）。尽管不同的作者提出不完全相同的定义，这些定义均传达了与代谢工程的总目标和手段相似的含义。

我们曾经把代谢工程定义为，代谢工程就是用DNA重组技术修饰特定的生化反应或引进新的生化反应，直接改善产物的形成和细胞的性能的学科。这样定义代谢工程强调了代谢工程工作目标的确切性。也就是说，先要找到要进行修饰或要引进的目标生化反应，一旦找准了目标，就用已建立的分子生物学技术去扩增、去抑制或删除、去传递相应的基因或酶，或者解除对相应的基因或酶调节，而广义的DNA重组只是常规地应用于不同步骤中，以便于达到这些目标。

尽管在所有的菌种改良方案中都有某种定向的含义，但与随机诱变育种相比较，在代谢工程中工作计划的定向性更加集中更加有针对性。这定向性在酶的目标的选择，实验的设计，数据的分析上起着支配的作用。不能把细胞改良中的所谓“定向” 解释为合理的途径设计和修饰，因为“定向选择”与随机诱变之间没有直接关系。相反地我们可借助于“逆行的代谢工程”（reverse metabolic engineering）, 从随机诱变而获得的突变株及其性状的实验结果，来提取途径及其控制的判断信息（critical information）。