Как нова реакция в E. coli помага за рециклирането на пластмаса в парацетамол

Как нова реакция в E. coli помага за рециклирането на пластмаса в парацетамол

Учените използват нова реакция в E. coli, за да превърнат изхвърлената пластмаса в животоспасяващи лекарства, създавайки устойчив път за химическо производство.

АСравнение на стратегии за образуване на C-N връзка чрез пренареждане на загуби в синтетичната органична химия или чрез хоризматични пътища в клетъчния метаболизъм.bПредложеното сливане на неензимна химия за загуба на отпадъци с клетъчен метаболизъм за устойчив синтез и биопрециклиране на пластмасови отпадъци. LG, групата напуска.

В скорошно проучванепубликувани в списаниетоЕстествена химияИзследователите демонстрираха уникален експеримент, при който те бяха активираниЕшерихия колиБактериите катализират класическа, но нова химична реакция:Каталитична трансформация на активирани ацил хидроксамати в амини.

Техният експеримент бележи пробив в сравнително зараждащата се област на биосъвместимите реакции. Това позволи на изследователите да използват повторно предаване на загуба, каталитична реакция на синтетична органична химия, нова по природа, за превръщане на пластмасови (полиетилен терефталат [PET]) отпадъци в парацетамол. Чрез смесване на синтетична химия с живи системи, изследването е пионер в нова вълна от биооперации, при които микробите рециклират нашите отпадъци и ни дават животоспасяващи лекарства.

фон

Глобалната биотехнологична машина използва микроби, особено Escherichia coli, като работни коне за евтиното, ефективно и широкомащабно производство на няколко ценни химикали. За съжаление, традиционната биотехнология е ограничена в способността си да манипулира генетичните инструменти на микробите и силно ограничава обхвата на нейните приложения. Няколко химични реакции, като пренареждането загуба-загуба, остават ограничени до лабораториите по синтетична химия и свързаните с тях недостатъци на мащабируемостта.

За да се отговори на това ограничение и да се разшири въздействието на биотехнологиите, сравнително нова концепция, наречена „биосъвместима химия“, бързо набира скорост. Концепцията съчетава човешки неензимни органични реакции и естествен клетъчен метаболизъм, което значително разширява микробите от суровината, които могат да ги произвеждат.

Докато биосъвместимата химия теоретично би могла да направи възможно преобразуването на генетично модифицирани микроби за превръщане на отпадъци в биогорива или дори фармацевтични продукти, сложното предизвикателство за постигане на нетоксична, ефективна химия при физиологични условия трябва да бъде изпълнено. Досега постигането на този деликатен баланс остава значително предизвикателство.

Относно изследването

В настоящото проучване изследователите установиха, че фосфатните йони, присъстващи в стандартната среда за растеж на бактерии, могат да катализират пренареждането на загубите при биологично съвместими условия. Описан през 1872 г. от Wilhelm Losssen, този предишно синтетичен химичен лабораторно ограничен експеримент включва фосфатно катализирано пренареждане на фенилхидроксаматен естер в първичен амин продукт.

За да възпроизведат пренарежданията на загубите в живите клетки, изследователите първо синхронизираха активиран хидроксаматен субстрат с пара-карбоксилна група. Във водна среда M9 при 37 °C, фосфатът в растежната среда катализира този субстрат в пара-аминобензоат (PABA), основен прекурсор за биосинтезата на фолат.

Те тестваха настройката, използвайки ауксотрофни щамове на E. coli, които нямаха PABA/B (δPABB или ΔPABA/B) или AROC гени, така че след добавянето на субстрата за загуба бактериите възобновиха растежа, процес, наречен „спасяване на ауксотрофи“. Това предполага, че бактериите вече могат да извършат реакцията на загуба и да използват този продукт като източник на хранителни вещества, служейки като ясен функционален показател, че реакцията успешно се е интегрирала в метаболизма на E. coli.

За да демонстрират потенциала за приложение на този нов щам E. coli, изследователите проведоха два последователни експеримента: 1. Субстрат, получен от PET и 2. Синтез на парацетамол. Изследователите първо преработиха бутилка полиетилен терефталат (PET) в прекурсор за загуба на хидроксамат извън клетката. След това те отгледаха насочена към хранителни вещества култура от техния инженерен E. coli върху неговия прекурсор на загуба, възстановявайки това, което беше възстановено (със скорост от приблизително 0,33 H⁻¹), демонстрирайки превръщането на пластмасата в хранително вещество.

И накрая, те са използвали генетично модифицирани щамове на E. coli, експресиращи гени на O₂- и NADH-зависима аминобензоат хидроксилаза (ABH60) и ацетил-CoA-зависима ариламин N-ацилтрансфераза (PANAT), получени съответно от гъбички и друга бактерия, за да превърнат техния Lossen прекурсор в пара-хидроксиацетанилид (парацетамол). Първоначалните опити с едно техническо натоварване доведоха до образуването на нежелани странични продукти; Изследователите се справиха с това, като разработиха по-ефективна система от два щама, като всеки щам извършва една стъпка на преобразуване.

Резултати от изследването

Това проучване бележи крайъгълен камък в изследванията на биосъвместимата химия, демонстрирайки, че химически синтезирани неензимни органични съединения могат да бъдат интегрирани в естествения свят и обработени с помощта на вече съществуващ метаболизъм на гостоприемника, значително разширявайки обхвата на биотехнологиите на утрешния ден. Неговите резултати показват, че пренареждането на загубите, химическа реакция, която преди това е била ограничена до специализирани химически лаборатории, е постижима при рутинни водни физиологични условия и in vivo.

Проучването идентифицира ауксотрофни щамове на Е. coli, способни да преобразуват адаптиран субстрат за загуба в разстройство на растежа (PABA), потвърждавайки интегрирането на пренареждането на загубата в клетъчния механизъм на бактериите.

Проучването допълнително разкри, че тези създадени бактерии са успели да превърнат не само PET отпадъци (биоремедиация), но и техните генетично подобрени подварианти (ABH60 и Panat-експресиращи щамове) в парацетамол.

И накрая, проучването потвърди, че тази система функционира по подобен начин в редица субстрати за загуба и реакционни мишени, което показва обобщаваща платформа за неприродни химически трансформации в живи клетки.

Изводи

Настоящото проучване показва потенциала на изследванията на биосъвместимата химия в революционизираното химическо производство на утрешния ден. Той демонстрира нов щам на бактерия E. coli, който може да комбинира човешката изобретателност с естествената си клетъчна машина, за да постигне пренареждане на загубите. Той насочва получените продукти към растеж и фармацевтично производство, дори от пластмасови отпадъци (PET).

Това изследване размива границата между химията и биотехнологиите и предлага нов път за преработка на материали и синтезиране на съединения с добавена стойност. Докато този процес в момента е доказателство за принципа и оптимизирането на възвръщаемостта на инвестицията и определянето на пътя, тази работа осигурява основа за устойчиви клетъчно базирани системи, които сливат абиотичните реакции с метаболизма.

източници: