《Bioresource Technology》：Genome-scale model-guided microbial engineering for valorization of agricultural waste biomass to poly(3-hydroxybutyrate)
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农业废弃物资源化利用及工程菌株构建高效生产可降解塑料聚-3-羟基丁酸酯。通过代谢工程改造大肠杆菌，利用萝卜废渣水解液为唯一碳源，结合基因组规模代谢分析和RNA测序技术，优化关键基因（gltA、acnA、phaCAB）表达，使P(3HB)产量达71.95?wt%，较野生型提升78%，并实现5.75?g/L生物量转化率75.60?wt%。
郑彩琳 | 黄在成 | 朴英权 | 姜在荣 | 韩永熙 | 郑智英 | 黄仁敏 | 金荣恩 | 杨正恩
世界泡菜研究所可持续分配研究小组，韩国光州南区泡菜路86号，邮编61755
摘要
随着对零废物和可持续性的关注日益增加，使用可再生废物的工业可行生物工艺变得越来越重要。尽管已有传统的物理化学处理方法，但将农业废弃物转化为高附加值生物化合物的先进微生物平台仍未得到充分探索。在此，我们报告了一种能够从农业废弃物生物质中生产聚(3-羟基丁酸) [P(3HB)] 的大肠杆菌菌株的开发过程。首先，构建了一种能够生产P(3HB) 的代谢工程大肠杆菌菌株，并使用五种不同的农业废弃物液体制备物对其性能进行了测试。随后，分析了其营养成分以确定P(3HB) 生产的关键成分。接着，通过RNA-seq和基因组规模的代谢分析来预测潜在的工程改造目标，以进一步提高P(3HB) 的产量。最终改造的菌株（ΔgltA ΔacnA phaCAB+）产生的P(3HB) 产量达到了71.95%（相比野生型提高了78%）。此外，在75.60%的生物质基础上，通过分批发酵成功获得了5.75克/升的P(3HB)。这些发现证实了萝卜废弃物的价值转化以及农业废弃物生物质用于生物塑料生产的可行性。
引言
化石资源的枯竭及其过度使用带来的环境负担加剧了人们对可持续替代方案的需求，以促进循环经济的发展。农业废弃物是一种在农业和食品加工过程中产生的大量有机废弃物，由于其成本效益和高营养价值，已成为一种有前景的可再生生物质原料（Duque-Acevedo等人，2020年；Sarker等人，2024年）。尽管具有这种潜力，但关于农业废弃物利用的研究主要局限于将其作为生物肥料或通过堆肥、厌氧消化处理，以及从作物残渣和蔬菜废弃物中生产生物炭（Kaur等人，2019年）。
最近，人们投入了大量努力开发结合生物技术的适当农业废弃物管理流程，以实现更高的盈利能力和环境可持续性，例如将农业废弃物转化为生物燃料、平台化学品和聚合物材料。这些技术大多依赖于“微生物细胞工厂”，利用微生物将农业废弃物转化为高价值材料。然而，精制糖（微生物快速生长和高效代谢所需的关键营养物质）的高价格限制了其应用并阻碍了工业化进程。例如，一项关于微生物生产可降解聚合物的研究发现，用于微生物培养的葡萄糖成本约占总生产成本的30%（Chavez等人，2022年）。此外，对葡萄糖的依赖往往带来经济和伦理挑战，即“食物与燃料的困境”。因此，大多数现有工艺仍然严重依赖高纯度葡萄糖，这在经济和可持续性方面都存在问题。
考虑到成本效益，已有研究报道了利用从农业废弃物中提取的糖的方法。这些方法比使用来自大宗作物（如玉米、小麦）的精制糖更为经济。然而，它们未能充分利用废弃物中剩余的其他有价值营养物质（氨基酸、矿物质、维生素），从而限制了生物质的完全价值转化。此外，关于每种农业废弃物原料的代谢过程和目标生产性能的研究有限，严重限制了农业废弃物生物质应用的潜力。
基于这些观察，本研究旨在通过全面分析蔬菜废弃物水解物中的糖、有机酸和氨基酸，探索包括萝卜在内的代表性农业废弃物作为生产可降解聚合物聚(3-羟基丁酸) [P(3HB)] 的有效原料的潜力。为了证明废弃物衍生生物塑料生产的可行性，我们改造了一种大肠杆菌菌株，并使用最有前景的废弃物水解物作为唯一的碳源进行了测试。此外，通过基因组规模的代谢建模预测并实验验证了增强农业废弃物特异性P(3HB) 生产的工程改造目标基因。总体而言，本研究建立了一个数据驱动的代谢工程框架，整合了成分分析、转录组分析和系统级建模，为从废弃物生物质中生产其他高价值生化物质（如生物燃料和药品）提供了多功能平台。
部分内容摘要
蔬菜副产品的制备和糖化
对蔬菜废弃物进行糖化处理，以获得含有支持微生物生产聚羟基烷酸（PHA）的糖类及其他营养物质（如氨基酸和有机酸）的发酵培养基。蔬菜废弃物包括来自韩国全罗南道Jindo的泡菜白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）废弃物、来自韩国江原道Hongcheon的青葱（Allium fistulosum）、萝卜（Raphanus raphanistrum subsp. sativus）和洋葱（Allium cepa）废弃物，以及大蒜（Allium sativum）废弃物。
农业废弃物营养成分分析
我们进行了营养成分分析，以确定废弃物水解物是否含有微生物代谢所需的营养物质。分析重点关注五种类型农业废弃物水解物中的主要糖类、氨基酸和有机酸：青葱、洋葱、萝卜、大蒜和泡菜白菜。如图1所示，萝卜水解物中的糖含量最高，其中葡萄糖含量为7.42克/升，果糖含量为6.06克/升。
结论
本研究报道了一种针对从萝卜废弃物生物质中生产P(3HB) 的大肠杆菌菌株的开发过程。这是通过建立合理的农业生物精炼工艺并通过多种农业废弃物生物质的成分分析实现的。此外，还基于基因组规模模型辅助的方法进行了针对性的基因操作。
未引用参考文献
Ezeorba等人，2024年；Lee等人，2007年。
CRediT作者贡献声明
郑彩琳：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据管理。
黄在成：实验研究、数据分析。
朴英权：方法论设计、数据分析。
姜在荣：数据分析。
韩永熙：数据分析。
郑智英：数据分析。
黄仁敏：数据分析。
杨正恩：撰写、审稿与编辑、项目监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了世界泡菜研究所（KEB2602-1-2）和韩国国家研究基金会（NRF）（RS-2023-00213102）的支持，资金由韩国科学与信息通信技术部提供。
