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。

【SynBioCon】获悉，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。

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。

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。

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。

原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67621-8

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