Jak nová reakce v E. coli pomáhá recyklovat plast na paracetamol

Jak nová reakce v E. coli pomáhá recyklovat plast na paracetamol

Vědci používají novou reakci v E. coli k přeměně vyřazených plastů na život zachraňující léky, čímž vytvářejí udržitelnou cestu pro chemickou výrobu.

ASrovnání strategií tvorby vazby C-N prostřednictvím ztrátových přeskupení v syntetické organické chemii nebo prostřednictvím chorismátových drah v buněčném metabolismu.bNavrhovaná fúze neenzymatické chemie ztráty odpadu s buněčným metabolismem pro udržitelnou syntézu a bio-upcyklaci plastového odpadu. LG, skupina odchází.

V nedávné studiizveřejněno v časopisePřírodní chemieVědci předvedli unikátní experiment, při kterém došlo k jejich aktivaciEscherichia coliBakterie katalyzují klasickou, ale novou chemickou reakci:Katalytická přeměna aktivovaných acylhydroxamátů na aminy.

Jejich experiment znamená průlom v relativně se rodící oblasti biokompatibilních reakcí. To umožnilo výzkumníkům použít retransmisi ztrát, katalytickou reakci syntetické organické chemie nové v přírodě, k přeměně plastového (polyethylentereftalátového [PET]) odpadu na paracetamol. Smícháním syntetické chemie s živými systémy je studie průkopníkem nové vlny bioperace, ve které mikrobi recyklují náš odpad a dávají nám život zachraňující léky.

pozadí

Globální biotechnologická mašinérie využívá mikroby, zejména Escherichia coli, jako tahouna pro levnou, efektivní a ve velkém měřítku produkci několika cenných chemikálií. Bohužel, tradiční biotechnologie je omezená ve své schopnosti manipulovat s genetickými sadami mikrobů a vážně omezuje rozsah jejích aplikací. Několik chemických reakcí, jako je přeskupení ztrát a ztrát, zůstává omezeno na laboratoře syntetické chemie as nimi spojené nevýhody škálovatelnosti.

K vyřešení tohoto omezení a rozšíření dopadu biotechnologie rychle nabírá na síle relativně nový koncept zvaný „biokompatibilní chemie“. Koncept kombinuje lidské neenzymatické organické reakce a přirozený buněčný metabolismus, což výrazně rozšiřuje surovinové mikroby, které je dokážou produkovat.

Zatímco biokompatibilní chemie by teoreticky mohla umožnit přeměnu geneticky modifikovaných mikrobů za účelem přeměny odpadu na biopaliva nebo dokonce léčiva, musí být splněna složitá výzva dosáhnout netoxické a účinné chemie za fyziologických podmínek. Dosažení této křehké rovnováhy dosud zůstávalo významnou výzvou.

O studiu

V této studii vědci zjistili, že fosfátové ionty přítomné ve standardních bakteriálních růstových médiích mohou katalyzovat přeskupení ztrát za biologicky kompatibilních podmínek. Tento experiment, který byl v roce 1872 popsán Wilhelmem Losssenem, v laboratoři omezené syntetické chemie, zahrnuje fosfátem katalyzované přeskupení fenylhydroxamátového esteru na primární aminový produkt.

K reprodukci ztrátových přeskupení v živých buňkách vědci nejprve synchronizovali aktivovaný hydroxamátový substrát s para-karboxylovou skupinou. Ve vodném médiu M9 při 37 °C fosfát v růstovém médiu katalyzuje tento substrát na para-aminobenzoát (PABA), základní prekurzor pro biosyntézu folátu.

Testovali nastavení pomocí auxotrofních kmenů E. coli, které postrádaly geny PABA/B (δPABB nebo ΔPABA/B) nebo AROC, takže po přidání ztrátového substrátu bakterie obnovily růst, což je proces zvaný „záchrana auxotrofů“. To naznačuje, že bakterie nyní mohou provádět ztrátovou reakci a používat tento produkt jako zdroj živin, sloužící jako jasný funkční údaj, že reakce byla úspěšně integrována do metabolismu E. coli.

K prokázání aplikačního potenciálu tohoto nového kmene E. coli vědci provedli dva po sobě jdoucí experimenty: 1. Substrát odvozený z PET a 2. Syntéza paracetamolu. Vědci nejprve zpracovali láhev polyethylentereftalátu (PET) na prekurzor ztráty hydroxamátu mimo buňku. Poté vypěstovali kulturu své upravené E. coli zaměřenou na živiny na jejím prekurzoru ztráty, čímž obnovili to, co bylo obnoveno (rychlostí přibližně 0,33 H⁻¹), což dokazuje přeměnu plastu na živinu.

Nakonec použili geneticky modifikované kmeny E. coli exprimující geny O₂ a NADH-dependentní aminobenzoáthydroxylázy (ABH60) a acetyl-CoA-dependentní arylamino N-acyltransferázy (PANAT), pocházející z houby a jiné bakterie, k přeměně jejich Lossenova prekurzoru na para-hydroxyacetamolilid (). Počáteční pokusy s jedinou technickou zátěží vedly k tvorbě nežádoucích vedlejších produktů; Výzkumníci to řešili vývojem účinnějšího systému dvou kmenů, kde každý kmen provádí jeden krok konverze.

Výsledky studie

Tato studie představuje milník v biokompatibilním chemickém výzkumu, který prokazuje, že chemicky syntetizované neenzymatické organické sloučeniny mohou být integrovány do přirozeného světa a zpracovány pomocí již existujícího hostitelského metabolismu, což významně rozšiřuje rozsah zítřejší biotechnologie. Jeho výsledky ukázaly, že ztrátové přeskupení, chemická reakce dříve omezená na specializované chemické laboratoře, byla dosažitelná za rutinních vodných fyziologických podmínek a in vivo.

Studie identifikovala auxotrofní kmeny E. coli schopné přeměnit přizpůsobený ztrátový substrát na poruchu růstu (PABA), což potvrzuje integraci přeskupení ztrát do buněčného aparátu bakterií.

Studie dále odhalila, že tyto upravené bakterie dokázaly přeměnit nejen PET odpad (bioremediace), ale také jejich geneticky vylepšené subvarianty (kmeny exprimující ABH60 a Panat) na paracetamol.

Nakonec studie potvrdila, že tento systém fungoval podobně v řadě ztrátových substrátů a reakčních cílů, což ukazuje na zobecněnou platformu pro nepůvodní chemické transformace v živých buňkách.

Závěry

Tato studie ukazuje potenciál biokompatibilního chemického výzkumu v revoluční chemické výrobě zítřka. Demonstruje nový kmen bakterií E. coli, který může kombinovat lidskou vynalézavost se svým přirozeným buněčným aparátem a dosáhnout tak ztrátového přeskupení. Směřuje výsledné produkty do růstu a farmaceutické výroby, a to i z plastového odpadu (PET).

Tento výzkum stírá hranici mezi chemií a biotechnologií a nabízí novou cestu k upcyklaci materiálů a syntéze sloučenin s přidanou hodnotou. Zatímco tento proces je v současnosti důkazem principu a optimalizace návratnosti investic a nastavení cesty, tato práce poskytuje základ pro udržitelné systémy založené na buňkách, které spojují abiotické reakce s metabolismem.

Zdroje: