近日，美国先进生物能源与生物产品创新中心（CABBI）的科学家开发出一种经济高效的生物基方法，用于生产 3 - 羟基丙酸（3-Hydroxypropanoic acid，简称 3-HP）。

 

目前，3-HP 几乎完全通过石油化学合成生产，这一过程能耗极高。但3-HP也可以利用基因工程改造的微生物，通过发酵植物糖分，从可再生植物材料中生产这种高价值化学品。然而，迄今为止，这种生物制造工艺尚未实现盈利。

 

在一项新的研究中，美国伊利诺伊大学香槟分校和宾州州立大学的科学家们开发出了一种成本更低的生物基 3-HP 生产方法，并验证了其商业潜力。

 

在Nature Communications上1月9日发表的新论文显示，研究团队培育出了高产 3-HP 的东方伊萨酵母（Issatchenkia orientalis）菌株，并通过全面的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），证实了该方法的商业可行性和环境效益。

 

 

根据美国能源部的数据，3-HP 的商业潜力巨大：仅丙烯酸市场就估计价值约 200 亿美元，2019 年全球需求约为 660 万吨。此外，3-HP 还可转化为其他有价值的工业化学品。

 

研究负责人、伊利诺伊大学化工与生物分子工程系教授赵惠民指出，数十年来，大型公司如 BASF、Cargill 到小型生物技术企业一直致力于利用各类细菌和酵母开发生物基 3-HP 生产技术。但无论是从葡萄糖等基质中获得的3-羟基丙酸产量（产率），还是其浓度（滴度），都始终处于极低水平。

 

CABBI科学家通过多重途径攻克这一难题。他们选定东方酵母（I. orientalis）作为发酵载体——这种酵母能在低pH酸性环境中茁壮生长，并已被用于生产其他有机酸。此举简化了工艺流程，省去了其他酵母或细菌所需的中性高pH环境带来的高成本环节。

 

该团队还运用独特的代谢工程策略，通过此前为东方芽孢杆菌开发的基因工具箱，提升了酵母中的3-羟丙酸产量。首先，研究人员将β-丙氨酸代谢途径确定为最优选择。宾夕法尼亚州立大学化学工程教授Costas Maranas通过全基因组建模证实，该途径具有最高理论产量且氧气需求最低。

 

随后，研究人员从 β- 丙氨酸途径中筛选出三种高产基因变体，大幅提升了生产效率。共同作者Teresa Martin发现了 3-HP 生物合成中的一种活性酶，名为 PAND（丙氨酸脱氢酶）。论文第一作者Harry Shih-I Tan将多个拷贝的 PAND 酶整合到新的东方伊萨酵母菌株中，显著提高了 3-HP 产量。团队进一步采用其他新型工程策略，使产物滴度和产率得到额外提升。

 

研究团队不仅成功地将摇瓶发酵的3HP产量提升至29 g/L，更在补料分批发酵中实现了92 g/L的高滴度、0.7 g/g葡萄糖的高产率以及0.55 g/L/h的生产率。这一结果超过了此前研究设定的商业可行性阈值。

 

赵惠民教授表示：“据我们所知，这项研究在所有工程化细菌和酵母宿主中实现了3-HP生产的最高产量和滴度。”

 

研究团队还使用他们开发的 BioSTEAM 软件模拟了一个 3-HP 生物制造工厂，并评估了其向丙烯酸升级生产的经济性和环境影响，结果表明这一工艺在财务上是可行的。

 

分析显示，使用纯葡萄糖为原料，基于DASbox发酵性能的丙烯酸最低产品售价估计为1.36美元/kg。若将整个生产链与现场玉米干磨工艺整合，则最低产品售价可进一步降至1.13美元/kg，这一价格在100%的模拟情景中都低于当时丙烯酸的市场价格范围。在环境效益方面，玉米基路线的碳强度为3.26 kg CO₂当量/kg丙烯酸，在98.5%的模拟中低于化石基丙烯酸的碳强度范围。如果采用甘蔗原料，利用其发电潜力，碳强度可进一步降至2.12 kg CO₂当量/kg。

 

赵惠民说，此项工作确立了 I. orientalis 作为下一代用于经济高效生产 3-HP 的生物平台，为未来产业化迈出了关键一步。

 

研究团队成员

 

研究团队接下来将努力将工艺规模放大、完善下游工序，并引入其他可再生原料，以提高整体经济性。同时，CABBI 的其他研究人员还在探索 3-HP 的更多应用，例如将其转化为马来酸等其他高价值化学品，用于维生素、药物、生物降解塑料及农业化学品等领域。

 

图文速览

图1 |3HP合成途径的模拟生产包络线。该图展示了七种不同生物合成途径（I-VII）生产3HP（3-羟基丙酸）的代谢模拟结果。途径编号（罗马数字）遵循先前研究（表2）中的命名，具体如下：I: 丙酮酸 → 乳酸 → 乳酰辅酶A → 丙烯酰辅酶A → 3HP-CoA → 3HP；II: 丙酮酸 → 乙酰辅酶A → 丙二酰辅酶A → 3-氧代丙酸 → 3HP；III: 丙酮酸 → 草酰乙酸 → 天冬氨酸 → β-丙氨酸 → 3-氧代丙酸 → 3HP；IV: 丙酮酸 → 草酰乙酸 → 天冬氨酸 → β-丙氨酸 → β-丙氨酰辅酶A → 丙烯酰辅酶A → 3HP-CoA → 3HP；V: 丙酮酸 → 琥珀酸 → 丙酰辅酶A → 丙烯酰辅酶A → 3HP-CoA → 3HP；VI: 丙酮酸 → α-丙氨酸 → β-丙氨酸 → 3-氧代丙酸 → 3HP；VII: 丙酮酸 → α-丙氨酸 → β-丙氨酸 → β-丙氨酰辅酶A → 丙烯酰辅酶A → 3HP-CoA → 3HP。其中，途径III（标有上标p，表示利用NADPH）对应于本研究当前工作的β-丙氨酸途径。 结论：通过代谢模拟比较了多种3HP合成途径的理论性能，其中途径III（β-丙氨酸途径）是本研究的重点。模拟结果显示了不同途径在生物量产量和氧气需求之间的权衡关系，为后续实验途径的选择和优化提供了理论依据。

 

图2 | 用于3HP生产的β-丙氨酸途径中新途径基因的发现与表征。A. 作者在过表达PAND候选基因的菌株中检测了β-丙氨酸的积累情况。结果显示，过表达这些基因导致了β-丙氨酸的积累，表明这些基因参与了β-丙氨酸的代谢途径。B. 作者对BAPAT和YDFG基因进行了体外酶活测定。该实验旨在验证这些基因编码的蛋白质是否具有预期的催化活性。C. 作者通过测量OD540来定量体外BAPAT酶活测定的结果。该数据反映了BAPAT酶的活性水平。D. 作者通过测量3HP的产量来定量体外YDFG酶活测定的结果。该数据直接反映了YDFG酶将底物转化为3HP的催化效率。

结论：作者发现并表征了在3HP生产的β-丙氨酸途径中的新基因（BAPAT和YDFG）。过表达这些基因能导致β-丙氨酸积累，且体外实验证实了它们编码的蛋白质具有将相关底物转化为3HP途径中间体或产物的酶活性。

 

图3 | 代谢工程策略提高I. orientalis SD108菌株中3-羟基丙酸(3HP)产量。A. 基于β-丙氨酸途径的3HP合成路线。B. 不同工程菌株的3HP产量比较。结论：通过系统代谢工程改造，包括途径优化、基因剂量调控及宿主代谢网络重构，显著提升3HP生物合成效率。

 

图4 | 2AP菌株分批补料发酵的优化。A. 在摇瓶培养中，2AP菌株在CSM培养基和CSL培养基中的葡萄糖消耗情况。数据显示三个生物学独立样本的平均值±标准差（n=3）。B. 在摇瓶培养中，2AP菌株在CSM培养基和CSL培养基中的丙酮酸积累情况。数据显示三个生物学独立样本的平均值±标准差（n=3）。C. 在摇瓶培养中，2AP菌株在CSM培养基和CSL培养基中的3HP产量。数据显示三个生物学独立样本的平均值±标准差（n=3）。D. 在300 mL分批补料发酵中，2AP菌株的发酵情况。接种后24小时开始补加葡萄糖。在发酵过程中监测丙酮酸和葡萄糖水平。未观察到丙酮酸积累或其他代谢物浓度超过1 g/L。培养条件为溶解氧（DO）维持在5%至15%，pH为4，并通入CO2。分批补料发酵进行了两个独立的生物学重复（n=2），图中显示两个重复的平均值。

 

结论：2AP菌株在分批补料发酵中表现出稳定的葡萄糖消耗和3HP生产，且未出现丙酮酸积累或其他代谢物过量积累的情况。

 

图5 | 基于不同原料通过3-羟基丙酸生产丙烯酸的系统成本与碳强度不确定性和敏感性。A-B. 箱线图展示（A）最低产品售价（MPSP）和（B）摇篮到坟墓碳强度（CI，以100年全球变暖潜能值计/kg丙烯酸）的不确定性分析结果。数据来源于东方伊萨酵母微生物转化糖类催化升级3HP的四种情景（标记为基线值）：(i) DASbox生物反应器中葡萄糖发酵（葡萄糖，菱形标记）；(ii) 玉米基3HP生物制造（假设与DASbox相同发酵性能，方形标记）；(iii) 甘蔗基3HP生物制造（三角形标记）；(iv) 玉米秸秆基3HP生物制造（五边形标记）。箱线图触须、箱体和中线分别代表6000次蒙特卡洛模拟的5/95、25/75和50百分位数。C-F. 葡萄糖基生物制造在基准生产率（0.548 g/L/h）下，2500种发酵产量-滴度组合的（C,E）MPSP和（D,F）CI分析：中图（C,D）为中性pH发酵，右图（E,F）为低pH发酵；产量以理论最大值百分比表示（1.00 g/g葡萄糖当量碳平衡基准）；菱形标记显示葡萄糖情景基线值；灰色阴影区表示（A,C,E）丙烯酸市场价格范围（1.40-1.65美元/kg）；斜线区表示（B,D,F）化石基丙烯酸的CI范围（1.83 kg CO2当量/kg，含被动氧化降解的终生影响）。

 

结论：不同原料路径的MPSP和CI分布显示，玉米秸秆基生物制造在低pH发酵条件下可能具有最佳经济与环境效益，但其产量-滴度组合需进一步优化以匹配化石基丙烯酸的竞争力。