El ácido gamma-aminobutírico (GABA) puede ser utilizado como un componente bioactivo en la industria farmacéutica y como precursor para la síntesis de butirolactama, que funciona como un monómero para la síntesis de poliamida 4 (nylon 4) con mejor estabilidad térmica y alta biodegradabilidad. La producción de productos químicos a partir de fermentación basada en bioprocesos utilizando microbios como fábrica celular proporciona una alternativa para reemplazar los procesos basados en petroquímicos. Aquí, realizamos ingeniería metabólica guiada por modelos para la fermentación de GABA y butirolactama. Se construyó una vía biosintética de GABA utilizando un casete de expresión bicistrónico que contiene decarboxilasa de glutamato mutante. Una simulación in silico mostró que el aumento del flujo de acetil-CoA a alfa-cetoglutarato y la disminución del flujo de alfa-cetoglutarato a succinato impulsaron más flujo hacia la biosíntesis de GABA. El ciclo del ácido tricarboxílico fue reconstruido aumentando la expresión de genes y eliminando el gen. Bloquear el catabolismo de GABA y reconfigurar el sistema de transporte de GABA mejoró aún más la producción de GABA. Se construyó una vía dependiente de acetil-CoA para la biosíntesis in vivo de butirolactama mediante la sobreexpresión de la transferasa CoA de ß-alanina codificante. En fermentación en lote alimentado, las cepas modificadas produjeron 23.07 g/L de GABA con un rendimiento de 0.52 mol/mol a partir de glucosa y 4.58 g/L de butirolactama. Las estrategias de ingeniería metabólica pueden ser utilizadas para la modificación genética de cepas industriales para producir productos químicos objetivo a partir de alfa-cetoglutarato como precursor, y las cepas modificadas serán útiles para sintetizar el monómero bio-basado de poliamida 4 a partir de recursos renovables.