Wie eine neue Reaktion in E. coli hilft, Kunststoff in Paracetamol zu recyceln

Wissenschaftler nutzen eine neue Reaktion in E. coli, um weggeworfene Kunststoffe in lebensrettende Medikamente zu verwandeln, und stellt einen nachhaltigen Weg für die chemische Herstellung auf.

AEin Vergleich von Strategien für die Bildung von C -N -Bindungen durch Verlustumlagerung in der synthetischen organischen Chemie oder durch Chorismatwege im zellulären Metabolismus. BDie vorgeschlagene Verschmelzung der nicht enzymatischen Verlustverlustchemie mit dem Zellstoffwechsel für eine nachhaltige Synthese und das Bio-Upcycling von Plastikmüll. LG, Gruppe verlässt.

In einer kürzlich durchgeführten Studie veröffentlicht im Journal NaturchemieDie Forscher zeigten ein einzigartiges Experiment, in dem sie aktiviert wurden Escherichia coli Bakterien katalysieren eine klassische, aber neuartige chemische Reaktion: Die katalytische Transformation von aktivierten Acylhydroxamaten in Amine.

Ihr Experiment markiert einen Durchbruch im relativ entstehenden Feld biokompatibler Reaktionen. Es ermöglichte den Forschern, die Verlustummeldung, eine katalytische Reaktion der synthetischen organischen Chemie, die neu in der Natur ist, zu nutzen, um Kunststoff zu konvertieren (Polyethylen -Terephthalat [PET]) Abfall in Paracetamol. Durch die Mischung der synthetischen Chemie mit lebenden Systemen pioniere die Studie eine neue Welle der Bioperation, in der Mikroben unseren Abfall recyceln und uns lebensrettende Medikamente geben.

Hintergrund

Die globale Biotechnologie-Maschinerie nutzt Mikroben, insbesondere Escherichia coli, als Arbeitspferde für die billige, effiziente und großflächige Herstellung mehrerer wertvoller Chemikalien. Leider ist die traditionelle Biotechnologie in ihrer Fähigkeit begrenzt, die genetischen Toolkits von Mikroben zu manipulieren und den Umfang ihrer Anwendungen stark zu begrenzen. Mehrere chemische Reaktionen, wie die Umlagerung der Verlustverlust, bleiben auf synthetische Chemielabors und ihre damit verbundenen Skalierbarkeitsnachteile beschränkt.

Um diese Einschränkung anzugehen und den Einfluss der Biotechnologie zu erweitern, gewinnt ein relativ neuartiges Konzept, das als „Biokompatible Chemie“ bezeichnet wird, rasch an Dynamik. Das Konzept kombiniert von nicht enzymatische organische Reaktionen von Menschen und natürlichen Zellstoffwechsels, die die Rohstoffmikroben, die sie produzieren können, erheblich erweitert werden.

Während die biokompatible Chemie theoretisch es ermöglichen könnte, gentechnisch veränderte Mikroben umzuwandeln, um Müll in Biokraftstoffe oder sogar Pharmazeutika umzuwandeln, muss die komplexe Herausforderung der Erreichung einer ungiftigen, effizienten Chemie unter physiologischen Bedingungen erfüllt werden. Bisher ist das Erreichen dieses empfindlichen Gleichgewichts eine bedeutende Herausforderung geblieben.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie stellten die Forscher fest, dass Phosphationen, die in Standard -Bakterienwachstumsmedien vorhanden sind, die Verlustumlagerung unter biologisch kompatiblen Bedingungen katalysieren können. Dieses 1872 von Wilhelm Losssen beschriebene dieses bisher synthetische Chemie-laborbeschränkte Experiment umfasst die phosphatkatalysierte Umlagerung eines Phenylhydroxamatester in ein primäres Aminprodukt.

Um Verlustumlagerungen in lebenden Zellen zu reproduzieren, synchronisierten die Forscher zunächst ein aktiviertes Hydroxamat-Substrat mit einer Para-Carboxylgruppe. In wässrigen M9-Medien bei 37 ° C katalysiert Phosphat im Wachstumsmedium dieses Substrat in Para-Aminobenzoat (PABA), einem wesentlichen Vorläufer für die Folat-Biosynthese.

Sie testeten das Setup unter Verwendung von auxotrophen E. coli -Stämmen, denen PABA/B (δPABB oder ΔPABA/B) oder AROC -Gene fehlten, so Nachdem das Verlustsubstrat hinzugefügt wurde, nahmen die Bakterien das Wachstum wieder auf, ein Prozess, der als „Auxotroph -Rettung“ bezeichnet wurde. Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien nun die Verlustreaktion durchführen und dieses Produkt als Nährstoffquelle verwenden können, was als eindeutige funktionelle Anzeige dient, die die Reaktion erfolgreich in den E. coli -Metabolismus integriert hat.

Um das Anwendungspotential dieses neuen E. coli-Stammes zu demonstrieren, führten Forscher zwei aufeinanderfolgende Experimente durch: 1. PET-abgeleitete Substrat und 2. Paracetamol-Synthese. Die Forscher verarbeiteten zuerst eine Flasche mit Polyethylen -Terephthalat (PET) in einen Hydroxamatverlustvorläufer außerhalb der Zelle. Anschließend bauten sie eine von Nährstoff ausgerichtete Kultur ihres technischen E. coli auf ihren Verlustvorläufer an, wobei sie wiederhergestellt wurden, was wiederhergestellt wurde (mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,33 H⁻¹), was die Umwandlung von Kunststoff zu Nährstoff zeigt.

Finally, they used genetically modified E. coli strains expressing O₂- and NADH-dependent aminobenzoate hydroxylase (ABH60) and acetyl-CoA-dependent arylamine N-acyltransferase (PANAT) genes, sourced from a fungus and another bacterium, respectively, to convert their Lossen precursor into para-hydroxyacetanilide (Paracetamol). Erste Versuche mit einer einzelnen technischen Belastung führten zur Bildung unerwünschter Seitenprodukte; Die Forscher befassten sich durch die Entwicklung eines effizienteren Zwei-Dehnungs-Systems, wobei jeder Stamm einen Schritt der Umwandlung durchführte.

Studienergebnisse

Diese Studie markiert einen Meilenstein in der biokompatiblen Chemieforschung, was zeigt, dass chemisch synthetisierte nicht-enzymatische organische Verbindungen in die natürliche Welt integriert und unter Verwendung des bereits bestehenden Wirtsstoffwechsels verarbeitet werden können, wodurch der Umfang der Biotechnologie von morgen wesentlich erweitert wird. Seine Ergebnisse zeigten, dass die Verlust-Umlagerung, eine zuvor auf spezialisierte Chemielabors beschränkte chemische Reaktion, unter routinemäßigen, wässrigen, physiologischen Bedingungen und in vivo erreichbar war.

In der Studie wurden auxotrophe E. coli-Stämme identifiziert, die ein maßgeschneidertes Verlustsubstrat in Wachstumsstörungen (PABA) umwandeln können, was die Integration der Umlagerung der Verlustverlust in die zellulären Maschinerie der Bakterien bestätigt.

Die Studie ergab ferner, dass diese technischen Bakterien nicht nur in der Lage waren, PET-Abfälle (Bioremediation), sondern auch ihrer gentechnisch verbesserten Subvarianten (ABH60- und Panat-exprimierende Stämme) in Paracetamol umzuwandeln.

Schließlich bestätigte die Studie, dass dieses System in einer Reihe von Verlustsubstraten und Reaktionszielen ähnlich funktionierte, was auf eine verallgemeinerbare Plattform für nicht native chemische Transformationen in lebenden Zellen hinwies.

Schlussfolgerungen

Die vorliegende Studie zeigt das Potenzial der biokompatiblen Chemieforschung bei der revolutionierten chemischen Produktion von morgen. Es zeigt einen neuartigen Stamm von E. coli -Bakterien, die den menschlichen Einfallsreichtum mit seinen natürlichen zellulären Maschinen kombinieren können, um eine Verlustumlagerung zu erreichen. Es kanalisiert die resultierenden Produkte in Wachstum und pharmazeutische Produktion, sogar aus Plastikabfällen (PET).

Diese Forschung verwischt die Grenze zwischen Chemie und Biotechnologie und bietet einen neuartigen Weg zu Upcycle-Materialien und synthetisieren Mehrwertverbindungen. Während dieser Prozess derzeit ein prinzipielles Nachweis und eine Rendite-Optimierung und -pfadeinstellung ist, bildet diese Arbeit eine Grundlage für nachhaltige, zellbasierte Systeme, die abiotische Reaktionen mit dem Stoffwechsel verschmelzen.

Quellen: