Hvordan en ny reaktion i E. coli hjælper med at genanvende plastik til paracetamol

Hvordan en ny reaktion i E. coli hjælper med at genanvende plastik til paracetamol

Forskere bruger en ny reaktion i E. coli til at omdanne kasseret plastik til livreddende medicin, der etablerer en bæredygtig rute for kemisk fremstilling.

ENEn sammenligning af strategier for C-N-bindingsdannelse gennem tabsomlægninger i syntetisk organisk kemi eller gennem chorismat-veje i cellulær metabolisme.bDen foreslåede fusion af ikke-enzymatisk affaldstabskemi med cellulær metabolisme til bæredygtig syntese og bio-upcycling af plastaffald. LG, gruppen forlader.

I en nylig undersøgelseoffentliggjort i tidsskriftetNaturlig kemiForskerne demonstrerede et unikt eksperiment, hvor de blev aktiveretEscherichia coliBakterier katalyserer en klassisk, men ny kemisk reaktion:Den katalytiske omdannelse af aktiverede acylhydroxamater til aminer.

Deres eksperiment markerer et gennembrud i det relativt begyndende felt af biokompatible reaktioner. Det gjorde det muligt for forskere at bruge tab retransmission, en katalytisk reaktion af syntetisk organisk kemi ny i naturen, til at omdanne plastik (polyethylenterephthalat [PET]) affald til paracetamol. Ved at blande syntetisk kemi med levende systemer er undersøgelsen banebrydende for en ny bølge af biodrift, hvor mikrober genbruger vores affald og giver os livreddende medicin.

baggrund

Det globale bioteknologiske maskineri bruger mikrober, især Escherichia coli, som arbejdsheste til billig, effektiv og storstilet produktion af flere værdifulde kemikalier. Desværre er traditionel bioteknologi begrænset i sin evne til at manipulere de genetiske værktøjssæt af mikrober og begrænser i høj grad omfanget af dens anvendelser. Adskillige kemiske reaktioner, såsom tab-tab omarrangering, forbliver begrænset til syntetisk kemiske laboratorier og deres tilknyttede skalerbarhedsulemper.

For at imødegå denne begrænsning og udvide bioteknologiens indvirkning er et relativt nyt koncept kaldet "biokompatibel kemi" hurtigt ved at tage fart. Konceptet kombinerer menneskelige ikke-enzymatiske organiske reaktioner og naturlig cellulær metabolisme, som udvider de råstofmikrober, der kan producere dem, markant.

Mens biokompatibel kemi teoretisk set kunne gøre det muligt at omdanne genetisk modificerede mikrober til at omdanne affald til biobrændstoffer eller endda lægemidler, skal den komplekse udfordring med at opnå ikke-toksisk, effektiv kemi under fysiologiske forhold opfyldes. Indtil videre har det været en betydelig udfordring at opnå denne delikate balance.

Om studiet

I denne undersøgelse fandt forskerne ud af, at fosfationer til stede i standard bakterievækstmedier kan katalysere tabsomlægning under biologisk kompatible forhold. Beskrevet i 1872 af Wilhelm Losssen, dette tidligere syntetisk kemi laboratorie-begrænsede eksperiment involverer den fosfat-katalyserede omlejring af en phenylhydroxamatester til et primært aminprodukt.

For at reproducere tabsomlægninger i levende celler synkroniserede forskerne først et aktiveret hydroxamatsubstrat med en para-carboxylgruppe. I vandige M9-medier ved 37 °C katalyserer fosfat i vækstmediet dette substrat til para-aminobenzoat (PABA), en essentiel forløber for folatbiosyntese.

De testede opsætningen ved hjælp af auxotrofe E. coli-stammer, der manglede PABA/B (δPABB eller ΔPABA/B) eller AROC gener, så efter tabssubstratet var tilføjet, genoptog bakterierne væksten, en proces kaldet "auxotroph rescue." Dette tyder på, at bakterierne nu kan udføre tabsreaktionen og bruge dette produkt som en næringskilde, hvilket tjener som en klar funktionel udlæsning af, at reaktionen med succes er integreret i E. coli-metabolismen.

For at demonstrere anvendelsespotentialet af denne nye E. coli-stamme udførte forskere to sekventielle eksperimenter: 1. PET-afledt substrat og 2. Paracetamolsyntese. Forskerne forarbejdede først en flaske polyethylenterephthalat (PET) til et forløber for hydroxamattab uden for cellen. De dyrkede derefter en næringsstofmålrettet kultur af deres konstruerede E. coli på dens tabsforstadium, og genvindede det, der blev genvundet (med en hastighed på ca. 0,33 H⁻¹), hvilket demonstrerede omdannelsen af ​​plastik til næringsstof.

Endelig brugte de genetisk modificerede E. coli-stammer, der udtrykker O₂- og NADH-afhængige aminobenzoathydroxylase (ABH60) og acetyl-CoA-afhængige arylamin N-acyltransferase (PANAT) gener, hentet fra henholdsvis en svamp og en anden bakterie til at omdanne deres Lossen-paraacemoltasor til deres Lossen-paraacemoltasor (hhv. Indledende forsøg med en enkelt teknisk belastning resulterede i dannelsen af ​​uønskede biprodukter; Forskerne adresserede dette ved at udvikle et mere effektivt to-stamme-system, hvor hver stamme udførte et trin af konvertering.

Studieresultater

Denne undersøgelse markerer en milepæl inden for biokompatibel kemiforskning, der viser, at kemisk syntetiserede ikke-enzymatiske organiske forbindelser kan integreres i den naturlige verden og behandles ved hjælp af allerede eksisterende værtsmetabolisme, hvilket markant udvider omfanget af morgendagens bioteknologi. Hans resultater viste, at tabsomlægning, en kemisk reaktion, der tidligere var begrænset til specialiserede kemiske laboratorier, var opnåelig under rutinemæssige vandige fysiologiske forhold og in vivo.

Undersøgelsen identificerede auxotrofe E. coli-stammer, der er i stand til at omdanne et skræddersyet tabssubstrat til vækstforstyrrelse (PABA), hvilket bekræfter integrationen af ​​tabsomlægning i bakteriens cellulære maskineri.

Undersøgelsen afslørede yderligere, at disse konstruerede bakterier var i stand til at omdanne ikke kun PET-affald (bioremediering), men også deres genetisk forbedrede subvarianter (ABH60 og Panat-udtrykkende stammer) til paracetamol.

Endelig bekræftede undersøgelsen, at dette system fungerede på samme måde i en række tabssubstrater og reaktionsmål, hvilket indikerer en generaliserbar platform for ikke-native kemiske transformationer i levende celler.

Konklusioner

Denne undersøgelse viser potentialet i biokompatibel kemiforskning i morgendagens revolutionerede kemiske produktion. Det demonstrerer en ny stamme af E. coli-bakterier, der kan kombinere menneskelig opfindsomhed med dets naturlige cellulære maskineri for at opnå tabsomlægning. Det kanaliserer de resulterende produkter til vækst og farmaceutisk produktion, selv fra plastaffald (PET).

Denne forskning udvisker grænsen mellem kemi og bioteknologi og tilbyder en ny vej til at upcycle materialer og syntetisere værdiskabende forbindelser. Selvom denne proces i øjeblikket er bevis på princippet og optimering af investeringsafkast og stisætning, danner dette arbejde grundlaget for bæredygtige, cellebaserede systemer, der fusionerer abiotiske reaktioner med metabolisme.

Kilder: