3-羥基丙酸（3-HP）在化工領域是一種關鍵的中間體，可用于合成多種高價值產(chǎn)品，如丙烯腈、1,3-丙二醇、甲基丙烯酸和馬來酸。據(jù)估計，3-HP的全球市場規(guī)模約為100億美元（Zabed等人，2023年）。目前3-HP的工業(yè)生產(chǎn)主要依賴于化學合成，工藝產(chǎn)率在50%到90%之間（Vidra和Németh，2018年）。然而，這些化學工藝的成本、復雜性和環(huán)境影響限制了其規(guī)�；�生產(chǎn)，無法滿足不斷增長的全球需求。為了解決這些問題，微生物發(fā)酵作為一種有前景的替代方案應運而生，它具有減少副產(chǎn)物生成、提高能源效率和簡化工藝等優(yōu)點。此外，在發(fā)酵過程中利用可再生廢棄物資源可以進一步提高可持續(xù)性（Bozell和Petersen，2010年；Kumar等人，2013年）。

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是一種可再生且豐富的資源，全球年產(chǎn)量約為13億噸，是微生物發(fā)酵的理想原料（Council，2016年）。木質(zhì)纖維素包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，可以通過酶的作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖和木糖等單糖（Zhao等人，2022年）。雖然葡萄糖價格低廉且易于被微生物代謝，但有效轉(zhuǎn)化木糖仍然是一個主要挑戰(zhàn)。如果沒有高效的木糖利用機制，生物質(zhì)衍生的生化產(chǎn)品的經(jīng)濟潛力將受到限制（Bhagwat等人，2021年）。廣泛使用的真核細胞工廠Saccharomyces cerevisiae被認為是安全的（GRAS），具有豐富的遺傳工程工具箱，并且在低pH值下表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性，有利于生產(chǎn)乳酸、琥珀酸、左旋丁酸和3-羥基丙酸等有機酸（Abbott等人，2009年；Baptista等人，2021年）。此外，它對木質(zhì)纖維素水解物中的抑制劑具有天然耐受性，使其成為將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為有機酸的理想宿主。然而，S. cerevisiae本身缺乏天然的木糖代謝途徑，因此需要通過基因工程引入異源木糖途徑并增強戊糖磷酸途徑來實現(xiàn)高效利用木糖（Khattab等人，2025年；Kim等人，2015年；Trichez等人，2025年；Vargas等人，2025年）。因此，提高木糖向3-HP等有價值化學品的轉(zhuǎn)化效率對于充分利用木質(zhì)纖維素原料至關重要。

在工程改造的S. cerevisiae中，3-HP的生產(chǎn)主要通過兩條代謝途徑實現(xiàn)：馬來酰輔酶A途徑和β-丙氨酸途徑（Liang等人，2022年）。馬來酰輔酶A途徑利用來自脂肪酸生物合成的馬來酰輔酶A，具有碳利用效率高、酶促反應簡單和代謝負擔低的優(yōu)點（Wang等人，2023年）。該途徑在細菌中的3-HP產(chǎn)率范圍為3.7至55.4克/升（Liu等人，2023年；Tiwari等人，2024年），在酵母中的產(chǎn)率范圍為0.46至79.6克/升（Gao等人，2023年；Li等人，2025年；Qin等人，2024年）。然而，3-HP的形成效率取決于所使用的碳源。值得注意的是，與馬來酰輔酶A途徑相比，β-丙氨酸途徑使用木糖作為底物時表現(xiàn)更優(yōu)（Kildegaard等人，2015年）。在該途徑中，3-HP通過一系列酶促反應從天冬氨酸合成，涉及Tribolium castaneum的天冬氨酸脫羧酶（TcPAND）、Bacillus cereus的β-丙氨酸-丙酮酸氨基轉(zhuǎn)移酶（BcBAPAT）和Escherichia coli的3-羥基丙酸脫氫酶（EcydfG）（Borodina等人，2015年）。天冬氨酸則由草酰乙酸和l-谷氨酸在細胞質(zhì)（Aat2）和線粒體（Aat1）天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶的作用下生成，2-氧代戊二酸作為中間產(chǎn)物（圖1A）。

本研究重點改進了工程改造的S. cerevisiae菌株YE9中的β-丙氨酸途徑，以提高從木糖生產(chǎn)3-HP的效率。研究假設增強天冬氨酸的生物合成可以提高前體的可用性，同時加強中間氨基酸途徑可以促進3-HP的代謝生成。為此，實施了系統(tǒng)級的重構(gòu)策略，將天冬氨酸的供應從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體，從而直接將3-HP途徑與線粒體TCA循環(huán)連接起來，克服了細胞質(zhì)前體供應的限制。此外，優(yōu)化培養(yǎng)條件進一步提高了發(fā)酵性能。通過實施這些策略，在分批發(fā)酵過程中獲得了32.9克/升的3-HP濃度和0.21摩爾/摩爾的木糖轉(zhuǎn)化率。結(jié)果表明，代謝和工藝工程策略取得了成功，并指出了利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)3-HP的可行性。