Comment une nouvelle réaction chez E. coli aide à recycler le plastique en paracétamol

Comment une nouvelle réaction chez E. coli aide à recycler le plastique en paracétamol

Les scientifiques utilisent une nouvelle réaction chez E. coli pour transformer les plastiques jetés en médicaments salvateurs, ouvrant ainsi une voie durable pour la fabrication de produits chimiques.

UNUne comparaison des stratégies de formation de liaisons C-N via des réarrangements de perte en chimie organique synthétique ou via des voies chorismates dans le métabolisme cellulaire.bLa fusion proposée de la chimie non enzymatique de perte de déchets avec le métabolisme cellulaire pour une synthèse durable et un bio-upcyclage des déchets plastiques. LG, le groupe s'en va.

Dans une étude récentepublié dans la revueChimie naturelleLes chercheurs ont démontré une expérience unique dans laquelle ils ont été activésEscherichia coliLes bactéries catalysent une réaction chimique classique mais nouvelle :La transformation catalytique des hydroxamates d'acyle activés en amines.

Leur expérience marque une percée dans le domaine relativement naissant des réactions biocompatibles. Il a permis aux chercheurs d’utiliser la retransmission des pertes, une réaction catalytique de chimie organique synthétique nouvelle par nature, pour convertir les déchets plastiques (polyéthylène téréphtalate [PET]) en paracétamol. En mélangeant la chimie de synthèse avec les systèmes vivants, l’étude ouvre la voie à une nouvelle vague de biopération dans laquelle les microbes recyclent nos déchets et nous donnent des médicaments qui sauvent des vies.

arrière-plan

La machinerie biotechnologique mondiale utilise les microbes, en particulier Escherichia coli, comme bêtes de somme pour la production bon marché, efficace et à grande échelle de plusieurs produits chimiques précieux. Malheureusement, la biotechnologie traditionnelle est limitée dans sa capacité à manipuler les outils génétiques des microbes et limite considérablement la portée de ses applications. Plusieurs réactions chimiques, telles que le réarrangement perte-perte, restent limitées aux laboratoires de chimie de synthèse et présentent les inconvénients d'évolutivité qui leur sont associés.

Pour remédier à cette limitation et étendre l’impact de la biotechnologie, un concept relativement nouveau appelé « chimie biocompatible » prend rapidement de l’ampleur. Le concept combine des réactions organiques non enzymatiques humaines et un métabolisme cellulaire naturel, ce qui augmente considérablement la matière première microbienne capable de les produire.

Si la chimie biocompatible pourrait théoriquement permettre de convertir des microbes génétiquement modifiés pour transformer des déchets en biocarburants, voire en produits pharmaceutiques, le défi complexe de parvenir à une chimie non toxique et efficace dans des conditions physiologiques doit être relevé. Jusqu’à présent, parvenir à cet équilibre délicat reste un défi de taille.

À propos de l'étude

Dans la présente étude, les chercheurs ont découvert que les ions phosphate présents dans les milieux de croissance bactérienne standard peuvent catalyser le réarrangement des pertes dans des conditions biologiquement compatibles. Décrit en 1872 par Wilhelm Losssen, cette expérience auparavant limitée aux laboratoires de chimie synthétique implique le réarrangement catalysé par le phosphate d'un ester de phénylhydroxamate en un produit aminé primaire.

Pour reproduire les réarrangements de perte dans les cellules vivantes, les chercheurs ont d’abord synchronisé un substrat hydroxamate activé avec un groupe para-carboxyle. Dans les milieux aqueux M9 à 37 °C, le phosphate présent dans le milieu de croissance catalyse ce substrat en para-aminobenzoate (PABA), un précurseur essentiel à la biosynthèse du folate.

Ils ont testé l’installation en utilisant des souches auxotrophes d’E. coli dépourvues de gènes PABA/B (δPABB ou ΔPABA/B) ou AROC. Ainsi, après l’ajout du substrat de perte, les bactéries ont repris leur croissance, un processus appelé « sauvetage auxotrophe ». Cela suggère que les bactéries peuvent désormais effectuer la réaction de perte et utiliser ce produit comme source de nutriments, ce qui indique clairement que la réaction a été intégrée avec succès dans le métabolisme d'E. coli.

Pour démontrer le potentiel d'application de cette nouvelle souche d'E. coli, les chercheurs ont mené deux expériences séquentielles : 1. Substrat dérivé du PET et 2. Synthèse du paracétamol. Les chercheurs ont d’abord transformé une bouteille de polyéthylène téréphtalate (PET) en un précurseur de perte d’hydroxamate à l’extérieur de la cellule. Ils ont ensuite cultivé une culture ciblée sur les nutriments de leur E. coli modifié sur son précurseur de perte, récupérant ce qui a été récupéré (à un taux d'environ 0,33 H⁻¹), démontrant la conversion du plastique en nutriment.

Enfin, ils ont utilisé des souches d’E. coli génétiquement modifiées exprimant les gènes de l’aminobenzoate hydroxylase (ABH60) dépendant de l’O₂ et du NADH et de l’arylamine N-acyltransférase (PANAT) dépendant de l’acétyl-CoA, provenant respectivement d’un champignon et d’une autre bactérie, pour convertir leur précurseur Lossen en para-hydroxyacétanilide (paracétamol). Les premières tentatives avec une seule charge technique ont abouti à la formation de produits secondaires indésirables ; Les chercheurs ont résolu ce problème en développant un système à deux souches plus efficace, chaque souche effectuant une étape de conversion.

Résultats de l'étude

Cette étude marque une étape importante dans la recherche en chimie biocompatible, démontrant que des composés organiques non enzymatiques synthétisés chimiquement peuvent être intégrés dans le monde naturel et traités à l'aide du métabolisme hôte préexistant, élargissant ainsi considérablement la portée de la biotechnologie de demain. Ses résultats ont montré que le réarrangement des pertes, une réaction chimique auparavant limitée aux laboratoires de chimie spécialisés, était réalisable dans des conditions physiologiques aqueuses courantes et in vivo.

L'étude a identifié des souches auxotrophes d'E. coli capables de convertir un substrat de perte adapté en trouble de croissance (PABA), confirmant l'intégration du réarrangement de perte dans la machinerie cellulaire de la bactérie.

L’étude a en outre révélé que ces bactéries modifiées étaient capables de convertir non seulement les déchets PET (bioremédiation), mais également leurs sous-variantes génétiquement améliorées (souches exprimant ABH60 et Panat) en paracétamol.

Enfin, l’étude a confirmé que ce système fonctionnait de manière similaire dans une gamme de substrats de perte et de cibles de réaction, indiquant une plate-forme généralisable pour les transformations chimiques non natives dans les cellules vivantes.

Conclusions

La présente étude montre le potentiel de la recherche en chimie biocompatible dans la production chimique révolutionnée de demain. Il présente une nouvelle souche de bactérie E. coli capable de combiner l'ingéniosité humaine avec sa machinerie cellulaire naturelle pour réaliser un réarrangement des pertes. Elle canalise les produits obtenus vers la croissance et la production pharmaceutique, même à partir de déchets plastiques (PET).

Cette recherche brouille la frontière entre chimie et biotechnologie et offre une nouvelle voie pour recycler les matériaux et synthétiser des composés à valeur ajoutée. Bien que ce processus soit actuellement une preuve de principe et une optimisation du retour sur investissement et une définition de la voie, ce travail constitue une base pour des systèmes cellulaires durables qui fusionnent les réactions abiotiques avec le métabolisme.

Sources :