Πώς μια νέα αντίδραση στο E. coli βοηθά στην ανακύκλωση του πλαστικού σε παρακεταμόλη

Πώς μια νέα αντίδραση στο E. coli βοηθά στην ανακύκλωση του πλαστικού σε παρακεταμόλη

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μια νέα αντίδραση στο E. coli για να μετατρέψουν τα απορριπτόμενα πλαστικά σε φάρμακα που σώζουν ζωές, δημιουργώντας μια βιώσιμη οδό για την παραγωγή χημικών.

ΕΝΑΜια σύγκριση στρατηγικών για το σχηματισμό δεσμών C-N μέσω αναδιατάξεων απώλειας στη συνθετική οργανική χημεία ή μέσω οδών χορισμού στον κυτταρικό μεταβολισμό.σιΗ προτεινόμενη σύντηξη της μη ενζυμικής χημείας απώλειας αποβλήτων με τον κυτταρικό μεταβολισμό για βιώσιμη σύνθεση και βιο-ανακύκλωση πλαστικών απορριμμάτων. LG, γκρουπ φεύγει.

Σε πρόσφατη μελέτηδημοσιεύεται στο περιοδικόΦυσική χημείαΟι ερευνητές παρουσίασαν ένα μοναδικό πείραμα στο οποίο ενεργοποιήθηκανEscherichia coliΤα βακτήρια καταλύουν μια κλασική αλλά νέα χημική αντίδραση:Ο καταλυτικός μετασχηματισμός των ενεργοποιημένων υδροξαμικών ακυλίων σε αμίνες.

Το πείραμά τους σηματοδοτεί μια σημαντική ανακάλυψη στο σχετικά εκκολαπτόμενο πεδίο των βιοσυμβατών αντιδράσεων. Επέτρεψε στους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν αναμετάδοση απώλειας, μια καταλυτική αντίδραση συνθετικής οργανικής χημείας νέας φύσης, για να μετατρέψουν τα πλαστικά απόβλητα (τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο [PET]) σε παρακεταμόλη. Με την ανάμειξη της συνθετικής χημείας με τα ζωντανά συστήματα, η μελέτη πρωτοπορεί σε ένα νέο κύμα βιολειτουργίας στο οποίο τα μικρόβια ανακυκλώνουν τα απόβλητά μας και μας δίνουν φάρμακα που σώζουν ζωές.

φόντο

Ο παγκόσμιος μηχανισμός βιοτεχνολογίας χρησιμοποιεί μικρόβια, ιδιαίτερα την Escherichia coli, ως άλογα εργασίας για τη φθηνή, αποτελεσματική και μεγάλης κλίμακας παραγωγή πολλών πολύτιμων χημικών ουσιών. Δυστυχώς, η παραδοσιακή βιοτεχνολογία είναι περιορισμένη στην ικανότητά της να χειρίζεται τις γενετικές εργαλειοθήκες των μικροβίων και περιορίζει σοβαρά το εύρος των εφαρμογών της. Αρκετές χημικές αντιδράσεις, όπως η αναδιάταξη απώλειας-απωλειών, παραμένουν περιορισμένες στα εργαστήρια συνθετικής χημείας και στα σχετικά μειονεκτήματα επεκτασιμότητας τους.

Για να αντιμετωπιστεί αυτός ο περιορισμός και να επεκταθεί ο αντίκτυπος της βιοτεχνολογίας, μια σχετικά νέα έννοια που ονομάζεται «βιοσυμβατή χημεία» κερδίζει γρήγορα δυναμική. Η ιδέα συνδυάζει ανθρώπινες μη ενζυματικές οργανικές αντιδράσεις και φυσικό κυτταρικό μεταβολισμό, ο οποίος διευρύνει σημαντικά τα μικρόβια πρώτης ύλης που μπορούν να τα παράγουν.

Ενώ η βιοσυμβατή χημεία θα μπορούσε θεωρητικά να καταστήσει δυνατή τη μετατροπή γενετικά τροποποιημένων μικροβίων για τη μετατροπή των απορριμμάτων σε βιοκαύσιμα ή ακόμη και σε φαρμακευτικά προϊόντα, η περίπλοκη πρόκληση της επίτευξης μη τοξικής, αποτελεσματικής χημείας υπό φυσιολογικές συνθήκες πρέπει να αντιμετωπιστεί. Μέχρι στιγμής, η επίτευξη αυτής της λεπτής ισορροπίας παρέμεινε μια σημαντική πρόκληση.

Σχετικά με τη μελέτη

Στην παρούσα μελέτη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα φωσφορικά ιόντα που υπάρχουν σε τυπικά βακτηριακά μέσα ανάπτυξης μπορούν να καταλύσουν την αναδιάταξη της απώλειας υπό βιολογικά συμβατές συνθήκες. Περιγράφεται το 1872 από τον Wilhelm Losssen, αυτό το προηγουμένως περιορισμένο εργαστηριακό πείραμα συνθετικής χημείας περιλαμβάνει την καταλυόμενη από φωσφορικά αναδιάταξη ενός φαινυλυδροξαμικού εστέρα σε ένα προϊόν πρωτοταγούς αμίνης.

Για να αναπαράγουν αναδιατάξεις απώλειας σε ζωντανά κύτταρα, οι ερευνητές συγχρονίστηκαν αρχικά ένα ενεργοποιημένο υπόστρωμα υδροξαμικού με μια παρα-καρβοξυλική ομάδα. Σε υδατικά μέσα Μ9 στους 37 °C, τα φωσφορικά στο μέσο ανάπτυξης καταλύουν αυτό το υπόστρωμα σε παρα-αμινοβενζοϊκό (PABA), έναν απαραίτητο πρόδρομο για τη βιοσύνθεση του φυλλικού οξέος.

Δοκίμασαν τη ρύθμιση χρησιμοποιώντας αυξοτροφικά στελέχη E. coli που δεν είχαν γονίδια PABA/B (δPABB ή ΔPABA/B) ή AROC, έτσι αφού προστέθηκε το υπόστρωμα απώλειας, τα βακτήρια συνέχισαν την ανάπτυξη, μια διαδικασία που ονομάζεται «διάσωση αυξότροφου». Αυτό υποδηλώνει ότι τα βακτήρια μπορούν τώρα να εκτελέσουν την αντίδραση απώλειας και να χρησιμοποιήσουν αυτό το προϊόν ως πηγή θρεπτικών συστατικών, χρησιμεύοντας ως σαφής λειτουργική ένδειξη ότι η αντίδραση έχει ενσωματωθεί επιτυχώς στον μεταβολισμό του E. coli.

Για να αποδείξουν τη δυνατότητα εφαρμογής αυτού του νέου στελέχους E. coli, οι ερευνητές διεξήγαγαν δύο διαδοχικά πειράματα: 1. Υπόστρωμα που προέρχεται από PET και 2. Σύνθεση παρακεταμόλης. Οι ερευνητές πρώτα επεξεργάστηκαν ένα μπουκάλι τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET) σε έναν πρόδρομο απώλειας υδροξαμικού έξω από το κύτταρο. Στη συνέχεια ανέπτυξαν μια καλλιέργεια στοχευμένη σε θρεπτικά συστατικά του κατασκευασμένου τους E. coli στον πρόδρομο απώλειας του, ανακτώντας ό,τι ανακτήθηκε (με ρυθμό περίπου 0,33 H-1), επιδεικνύοντας τη μετατροπή του πλαστικού σε θρεπτικό συστατικό.

Τέλος, χρησιμοποίησαν γενετικά τροποποιημένα στελέχη E. coli που εκφράζουν εξαρτώμενα από O2 και NADH αμινοβενζοϊκή υδροξυλάση (ABH60) και εξαρτώμενα από ακετυλο-CoA γονίδια αρυλαμίνης Ν-ακυλοτρανσφεράσης (PANAT), που προέρχονται από έναν μύκητα και ένα άλλο βακτήριο, αντίστοιχα, για να μετατρέψουν την παρασεταληνυδρολιδεοξένη τους σε παρακεταμίνη (Paracetami-Paracetam) Οι αρχικές προσπάθειες με ένα μόνο τεχνικό φορτίο είχαν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ανεπιθύμητων παραπροϊόντων. Οι ερευνητές το αντιμετώπισαν αυτό αναπτύσσοντας ένα πιο αποτελεσματικό σύστημα δύο παραμορφώσεων, με κάθε στέλεχος να εκτελεί ένα βήμα μετατροπής.

Αποτελέσματα μελέτης

Αυτή η μελέτη σηματοδοτεί ένα ορόσημο στην έρευνα βιοσυμβατής χημείας, αποδεικνύοντας ότι οι χημικά συντιθέμενες μη ενζυματικές οργανικές ενώσεις μπορούν να ενσωματωθούν στον φυσικό κόσμο και να υποστούν επεξεργασία χρησιμοποιώντας προϋπάρχοντα μεταβολισμό ξενιστή, επεκτείνοντας σημαντικά το πεδίο της αυριανής βιοτεχνολογίας. Τα αποτελέσματά του έδειξαν ότι η αναδιάταξη της απώλειας, μια χημική αντίδραση που προηγουμένως περιοριζόταν σε εξειδικευμένα εργαστήρια χημείας, ήταν εφικτή υπό συνήθεις υδατικές φυσιολογικές συνθήκες και in vivo.

Η μελέτη εντόπισε αυξοτροφικά στελέχη E. coli ικανά να μετατρέψουν ένα προσαρμοσμένο υπόστρωμα απώλειας σε διαταραχή ανάπτυξης (PABA), επιβεβαιώνοντας την ενσωμάτωση της αναδιάταξης της απώλειας στον κυτταρικό μηχανισμό των βακτηρίων.

Η μελέτη αποκάλυψε περαιτέρω ότι αυτά τα κατασκευασμένα βακτήρια ήταν σε θέση να μετατρέψουν όχι μόνο τα απόβλητα PET (βιοαποκατάσταση), αλλά και τις γενετικά βελτιωμένες υποπαραλλαγές τους (στελέχη που εκφράζουν το ABH60 και Panat) σε παρακεταμόλη.

Τέλος, η μελέτη επιβεβαίωσε ότι αυτό το σύστημα λειτούργησε παρόμοια σε μια σειρά υποστρωμάτων απώλειας και στόχων αντίδρασης, υποδεικνύοντας μια γενικεύσιμη πλατφόρμα για μη εγγενείς χημικούς μετασχηματισμούς σε ζωντανά κύτταρα.

συμπεράσματα

Η παρούσα μελέτη δείχνει τις δυνατότητες της έρευνας βιοσυμβατής χημείας στην επανάσταση της χημικής παραγωγής του αύριο. Επιδεικνύει ένα νέο στέλεχος βακτηρίων E. coli που μπορεί να συνδυάσει την ανθρώπινη εφευρετικότητα με τον φυσικό κυτταρικό μηχανισμό του για να επιτύχει αναδιάταξη των απωλειών. Διοχετεύει τα προϊόντα που προκύπτουν στην ανάπτυξη και τη φαρμακευτική παραγωγή, ακόμη και από πλαστικά απόβλητα (PET).

Αυτή η έρευνα θολώνει τη γραμμή μεταξύ χημείας και βιοτεχνολογίας και προσφέρει μια νέα διαδρομή για την ανακύκλωση υλικών και τη σύνθεση ενώσεων προστιθέμενης αξίας. Αν και αυτή η διαδικασία είναι επί του παρόντος απόδειξη της βελτιστοποίησης της αρχής και της απόδοσης της επένδυσης και του καθορισμού διαδρομής, αυτή η εργασία παρέχει τη βάση για βιώσιμα, βασισμένα σε κύτταρα συστήματα που συνδυάζουν τις αβιοτικές αντιδράσεις με το μεταβολισμό.

Πηγές: