玉米秸秆是农业生产过程中最丰富的副产品之一。随着对双碳和绿色制造的追求，玉米秸秆已不再单纯是农业废弃物，这是农业生产中储量丰富且可再生的天然高分子聚合物。其不仅可以做肥料、饲料、燃料，还可以作为原料生成人造粮食、再生燃料和高价值化学品等。

这种高效转化有助于实现农业和工业生产的可持续发展。为了提高农业废弃物的利用率以及经济可行性，领域内正在利用合成生物学等技术提高转化效率。

近日，来自江苏大学的研究人员提出了一种高效将玉米秸秆“变废为宝”的策略。即通过代谢重组方式将玉米秸秆的纤维素水解产物转化为化学品 3-羟基丙酸（3-hydroxypropionic acid，3-HP），并最终在发酵过程中以水解产物为底物生产出了 32.91 g/L 的 3-羟基丙酸。这是一种多功能平台化学品，可用于合成多种生物可降解聚合材料。

（来源：Journal of Agricultural and Food Chemistry）

这项研究已发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry上。本论文的通讯作者是江苏大学食品与生物工程学院教授齐向辉，食品与生物工程学院副教授张存胜以及Hossain M. Zabed。齐向辉是江苏大学微生物生物合成与智造创新团队负责人，主要从事合成生物学的基础与应用研究，尤其是在高附加值化学品、医药、功能性糖醇等的生物合成与制造方面。该团队围绕微生物工程菌开发、新酶挖掘与酶的定向进化和理性设计、底盘细胞设计与改造等方面开展了一系列研究工作，且在 D-阿拉伯糖醇、D-塔格糖、D-阿洛酮糖、3-羟基丙酸等产品生物合成方面具有产业优势。

与葡萄糖转化相关的途径主要包括丙二酰辅酶 A 途径和 β-丙氨酸途径，甘油转化的途径包括辅酶 A 非依赖性途径和辅酶 A 依赖性途径。相关研究已表明，优化延伸途径即不依赖于辅酶 A 的甘油转化途径和直接使用木质纤维素水解产物作为廉价糖源对生物合成 3-HP 具有重要意义。

领域内尝试了多种代谢工程方法优化目标途径提高甘油和 3-HP 的产量，但是这些研究大多集中在将甘油转化为 3-HP 上，而将葡萄糖转化为 3-HP 的途径涵盖甘油转化以及从葡萄糖合成甘油。

在这项研究中，该团队在大肠杆菌中设计了一系列代谢工程方法构建合适的底盘菌株，从而将玉米秸秆纤维素水解产物中的葡萄糖转化为 3-HP。

该团队首先在大肠杆菌中通过异源表达生产甘油的关键酶构建了葡萄糖到甘油的途径，即重组菌株 ECZ01。为了将甘油转化为 3-HP，随后在 ECZ01 菌株基础上通过基因修饰引入编码甘油脱氢酶及其再激活剂的 dhaB123-gdrAB 操纵子和编码醛脱氢酶的 gabD4 基因，构建新菌株 ECZ02，该菌株可直接以葡萄糖为底物生产 3-HP。ECZ02 在 MH9 培养基中生产 3-HP 的最高产量为 1.55 g/L，产率为 0.16 g/g。

试验表明，这种基因融合策略显著提高了葡萄糖生产甘油的水平。不过，在引入 gpdp12、dhaB123-gdrAB 和 gabD4 基因的菌株 ECZ03 中，甘油积累的增加同时伴随着 3-HP 产量和细胞生长的下降。接下来，研究人员试图平衡 gpdp12 和 dhaB123-gdrAB 之间的表达，以防止潜在的 3-羟基吡啶甲酸（3-HPA）积累。

研究人员发现 gpdp12 的活性对甘油的产生至关重要，而在将甘油转化为 3-HP 的过程中，甘油脱水酶（dhaB123- gdrAB）发挥着关键作用。基于此，该团队利用 3 个不同强度的 5'-UTR，通过 5'-UTR 工程进一步调节 dhaB123-gdrAB 和 gpdp12 的表达水平，让 dhaB123-gdrAB 和 gpdp12 高、中、低表达，并构建 9 株重组菌株（ECZ03A 至 ECZ03I）进行评估。试验数据表明，dhaB123-gdrAB 操纵子更适合中等表达水平，而 gpdp12 可能需要高表达水平。

▲图 | 玉米秸秆的纤维素馏分和摇瓶中发酵液葡萄糖生产工艺优化（来源：上述论文）

通过发酵，研究人员还发现发酵液中存在 2.4 g/L 的残留甘油，这表明甘油可能流出细胞，敲除 glpF 基因可以轻微减少甘油流出细胞，不过出现这种情况也可能与其他相关转运蛋白激活相关。

接下来，研究人员发现删除 glpF 基因的菌株 ECZ04D 可将葡萄糖转化为 3-HP，但产量明显较低，推测这可能由于甘油对中央代谢产生了影响。由于 glpK、glpD 和/或 gldA 基因参与甘油的中心代谢，研究人员构建了三个菌株 ECZ05D（ΔglpK）、ECZ06D（ΔglpKΔglpD）和 ECZ07D（ΔglpKΔglpDΔgldA）进行分析。他们观察到敲低 glpK 可能增加了代谢中间体 (3-HPA) 的产生，而非目标产物 3-HP。

完成上述试验之后，研究人员制备了含葡萄糖的玉米秸秆纤维素水解产物，初步试验得到的葡萄糖浓度为 30.41 g/L。为了进一步提高葡萄糖产量，该团队对稀硫酸浓度、水解时间、pH、温度等因素进行了优化。试验表明，制备最佳反应条件为：反应温度=60℃、酶解 pH 值=5.0、硫酸浓度=1%、水解时间为 48 小时。在最佳优化条件下，玉米秸秆水解液中葡萄糖浓度为 35.4 g/L。该团队还证明了在将浓度稀释到 20 g/L 时，秸秆水解液发酵对整体效率没有影响。

最后，在 5L 生物反应器中发酵，以葡萄糖浓度为 20 g/L 的玉米秸秆水解物为底物。持续发酵 60 h，性能最佳菌株生产 3-HP 的滴度为 32.91 g/L，共消耗葡萄糖 137.12 g/L，产率为 0.54 g/L/h。最终的滴度和产率低于以往研究中报道的产量，研究人员指出这可能是由于使用了纤维素水解物而非纯葡萄糖作为底物等因素。

▲图 | 以葡萄糖或相关碳源为底物生产 3-羟基丙酸（来源：上述论文）

“通过后续优化和改进，我们认为这些方法有潜力为 3-HP 这种平台化合物的生物制造提供可持续性。后续，以这些方式开发的底盘和生物加工技术同样适用于多种木质纤维素生物质。”

素材来源官方媒体/网络新闻

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