Cómo una nueva reacción en E. coli ayuda a reciclar plástico en paracetamol

Cómo una nueva reacción en E. coli ayuda a reciclar plástico en paracetamol

Los científicos están utilizando una nueva reacción en E. coli para convertir los plásticos desechados en medicamentos que salvan vidas, estableciendo una ruta sostenible para la fabricación de productos químicos.

AUna comparación de estrategias para la formación de enlaces C-N mediante reordenamientos de pérdidas en química orgánica sintética o mediante vías de corismato en el metabolismo celular.bLa fusión propuesta de la química no enzimática de pérdida de residuos con el metabolismo celular para la síntesis sostenible y el bioreciclaje de residuos plásticos. LG, el grupo se va.

En un estudio recientepublicado en la revistaquimica naturalLos investigadores realizaron un experimento único en el que se activaronEscherichia coliLas bacterias catalizan una reacción química clásica pero novedosa:La transformación catalítica de hidroxamatos de acilo activados en aminas.

Su experimento marca un gran avance en el campo relativamente incipiente de las reacciones biocompatibles. Permitió a los investigadores utilizar la retransmisión de pérdidas, una reacción catalítica de química orgánica sintética nueva en la naturaleza, para convertir residuos de plástico (tereftalato de polietileno [PET]) en paracetamol. Al mezclar la química sintética con sistemas vivos, el estudio es pionero en una nueva ola de biooperación en la que los microbios reciclan nuestros desechos y nos brindan medicamentos que salvan vidas.

fondo

La maquinaria biotecnológica mundial utiliza microbios, en particular Escherichia coli, como caballos de batalla para la producción barata, eficiente y a gran escala de varias sustancias químicas valiosas. Desafortunadamente, la biotecnología tradicional tiene una capacidad limitada para manipular las herramientas genéticas de los microbios y limita severamente el alcance de sus aplicaciones. Varias reacciones químicas, como la reordenación de pérdidas, siguen estando limitadas a los laboratorios de química sintética y sus desventajas de escalabilidad asociadas.

Para abordar esta limitación y ampliar el impacto de la biotecnología, un concepto relativamente novedoso llamado “química biocompatible” está ganando rápidamente impulso. El concepto combina reacciones orgánicas no enzimáticas humanas y el metabolismo celular natural, lo que amplía significativamente la materia prima de los microbios que pueden producirlas.

Si bien la química biocompatible en teoría podría hacer posible convertir microbios genéticamente modificados para convertir desechos en biocombustibles o incluso productos farmacéuticos, es necesario enfrentar el complejo desafío de lograr una química eficiente y no tóxica en condiciones fisiológicas. Hasta ahora, lograr este delicado equilibrio sigue siendo un desafío importante.

Sobre el estudio

En el presente estudio, los investigadores encontraron que los iones de fosfato presentes en los medios de crecimiento bacteriano estándar pueden catalizar la reordenación de pérdidas en condiciones biológicamente compatibles. Descrito en 1872 por Wilhelm Losssen, este experimento de química sintética, anteriormente limitado al laboratorio, implica la transposición catalizada por fosfato de un éster de fenilhidroxamato en un producto de amina primaria.

Para reproducir los reordenamientos de pérdidas en células vivas, los investigadores primero sincronizaron un sustrato de hidroxamato activado con un grupo paracarboxilo. En medios acuosos M9 a 37 °C, el fosfato en el medio de crecimiento cataliza este sustrato en paraaminobenzoato (PABA), un precursor esencial para la biosíntesis de folato.

Probaron la configuración utilizando cepas auxotróficas de E. coli que carecían de genes PABA/B (δPABB o ΔPABA/B) o AROC, por lo que después de agregar el sustrato perdido, las bacterias reanudaron su crecimiento, un proceso llamado "rescate auxótrofo". Esto sugiere que las bacterias ahora pueden realizar la reacción de pérdida y utilizar este producto como fuente de nutrientes, lo que sirve como una lectura funcional clara de que la reacción se ha integrado con éxito en el metabolismo de E. coli.

Para demostrar el potencial de aplicación de esta nueva cepa de E. coli, los investigadores realizaron dos experimentos secuenciales: 1. Sustrato derivado de PET y 2. Síntesis de paracetamol. Los investigadores primero procesaron una botella de tereftalato de polietileno (PET) para convertirla en un precursor de pérdida de hidroxamato fuera de la célula. Luego cultivaron un cultivo dirigido a nutrientes de su E. coli modificada en su precursor de pérdida, recuperando lo recuperado (a una tasa de aproximadamente 0,33 H⁻¹), lo que demuestra la conversión de plástico en nutrientes.

Finalmente, utilizaron cepas de E. coli modificadas genéticamente que expresan genes de aminobenzoato hidroxilasa (ABH60) dependiente de O₂ y NADH y de arilamina N-aciltransferasa dependiente de acetil-CoA (PANAT), procedentes de un hongo y otra bacteria, respectivamente, para convertir su precursor Lossen en parahidroxiacetanilida (paracetamol). Los primeros intentos con una única carga técnica dieron como resultado la formación de productos secundarios indeseables; Los investigadores abordaron esto desarrollando un sistema de dos cepas más eficiente, en el que cada cepa realizaba un paso de conversión.

Resultados del estudio

Este estudio marca un hito en la investigación de la química biocompatible, ya que demuestra que los compuestos orgánicos no enzimáticos sintetizados químicamente pueden integrarse en el mundo natural y procesarse utilizando el metabolismo del huésped preexistente, ampliando significativamente el alcance de la biotecnología del mañana. Sus resultados mostraron que la reordenación de pérdidas, una reacción química que antes estaba limitada a laboratorios de química especializados, se podía lograr en condiciones fisiológicas acuosas de rutina e in vivo.

El estudio identificó cepas auxotróficas de E. coli capaces de convertir un sustrato de pérdida personalizado en un trastorno del crecimiento (PABA), lo que confirma la integración de la reordenación de la pérdida en la maquinaria celular de la bacteria.

El estudio reveló además que estas bacterias diseñadas fueron capaces de convertir no solo los desechos de PET (biorremediación), sino también sus subvariantes genéticamente mejoradas (cepas que expresan ABH60 y Panat) en paracetamol.

Finalmente, el estudio confirmó que este sistema funcionaba de manera similar en una variedad de sustratos de pérdida y objetivos de reacción, lo que indica una plataforma generalizable para transformaciones químicas no nativas en células vivas.

Conclusiones

El presente estudio muestra el potencial de la investigación en química biocompatible en la revolucionada producción química del mañana. Demuestra una nueva cepa de bacteria E. coli que puede combinar el ingenio humano con su maquinaria celular natural para lograr la reordenación de pérdidas. Canaliza los productos resultantes hacia el crecimiento y la producción farmacéutica, incluso a partir de residuos plásticos (PET).

Esta investigación desdibuja la línea entre química y biotecnología y ofrece una ruta novedosa para reciclar materiales y sintetizar compuestos de valor agregado. Si bien este proceso es actualmente una prueba de principio y una optimización del retorno de la inversión y el establecimiento de un camino, este trabajo proporciona una base para sistemas sostenibles basados ​​en células que fusionan reacciones abióticas con el metabolismo.

Fuentes: