Kako nova reakcija u E. coli pomaže recikliranju plastike u paracetamol

Kako nova reakcija u E. coli pomaže recikliranju plastike u paracetamol

Znanstvenici koriste novu reakciju u E. coli kako bi odbačenu plastiku pretvorili u lijekove koji spašavaju život, postavljajući održivi put za kemijsku proizvodnju.

AUsporedba strategija za stvaranje C-N veze kroz preraspodjelu gubitaka u sintetskoj organskoj kemiji ili kroz korizmatske putove u staničnom metabolizmu.bPredloženo spajanje neenzimske kemije gubitka otpada sa staničnim metabolizmom za održivu sintezu i bio-upcikliranje plastičnog otpada. LG, grupa odlazi.

U nedavnoj studijiobjavljeno u časopisuPrirodna kemijaIstraživači su pokazali jedinstveni eksperiment u kojem su aktiviraniEscherichia coliBakterije kataliziraju klasičnu, ali novu kemijsku reakciju:Katalitička transformacija aktiviranih acil hidroksamata u amine.

Njihov eksperiment označava proboj u relativno novonastalom području biokompatibilnih reakcija. Istraživačima je omogućio korištenje retransmisije gubitka, katalitičku reakciju sintetske organske kemije koja je nova u prirodi, za pretvaranje plastičnog (polietilen tereftalat [PET]) otpada u paracetamol. Miješanjem sintetičke kemije sa živim sustavima, studija je pionir u novom valu biooperacija u kojima mikrobi recikliraju naš otpad i daju nam lijekove koji spašavaju život.

pozadina

Globalni biotehnološki strojevi koriste mikrobe, posebice Escherichiu coli, kao pogonske konje za jeftinu, učinkovitu i veliku proizvodnju nekoliko vrijednih kemikalija. Nažalost, tradicionalna biotehnologija ograničena je u svojoj sposobnosti manipuliranja genetskim alatima mikroba i ozbiljno ograničava opseg svoje primjene. Nekoliko kemijskih reakcija, kao što je preuređivanje gubitak-gubitak, ostaje ograničeno na sintetičke kemijske laboratorije i njihove povezane nedostatke skalabilnosti.

Kako bi se riješilo ovo ograničenje i proširio utjecaj biotehnologije, relativno nov koncept nazvan "biokompatibilna kemija" brzo dobiva na zamahu. Koncept kombinira ljudske neenzimske organske reakcije i prirodni stanični metabolizam, što značajno proširuje sirovinu mikroba koji ih mogu proizvesti.

Iako bi biokompatibilna kemija teoretski mogla omogućiti pretvorbu genetski modificiranih mikroba za pretvorbu otpada u biogoriva ili čak lijekove, mora se odgovoriti na složeni izazov postizanja netoksične, učinkovite kemije u fiziološkim uvjetima. Do sada je postizanje ove osjetljive ravnoteže bilo značajan izazov.

O studiju

U ovoj studiji istraživači su otkrili da fosfatni ioni prisutni u standardnim medijima za rast bakterija mogu katalizirati preraspodjelu gubitka pod biološki kompatibilnim uvjetima. Opisao ga je 1872. Wilhelm Losssen, ovaj prethodno sintetski kemijski laboratorijski ograničen eksperiment uključuje fosfatno kataliziranu pregradnju estera fenilhidroksamata u produkt primarnog amina.

Kako bi reproducirali preraspodjelu gubitaka u živim stanicama, istraživači su prvo sinkronizirali aktivirani hidroksamatni supstrat s para-karboksilnom skupinom. U vodenom M9 mediju na 37 °C, fosfat u mediju za rast katalizira ovaj supstrat u para-aminobenzoat (PABA), bitan prekursor za biosintezu folata.

Testirali su postavu pomoću auksotrofnih sojeva E. coli kojima su nedostajali geni PABA/B (δPABB ili ΔPABA/B) ili AROC, pa je nakon dodavanja supstrata za gubitak bakterija nastavila s rastom, što je proces nazvan "spašavanje auksotrofa". To sugerira da bakterije sada mogu izvesti reakciju gubitka i koristiti ovaj proizvod kao izvor hranjivih tvari, služeći kao jasna funkcionalna očitanja da se reakcija uspješno integrirala u metabolizam E. coli.

Kako bi demonstrirali potencijal primjene ovog novog soja E. coli, istraživači su proveli dva sekvencijska eksperimenta: 1. PET-izvedeni supstrat i 2. Sinteza paracetamola. Istraživači su prvo preradili bocu polietilen tereftalata (PET) u prekursor gubitka hidroksamata izvan stanice. Zatim su uzgojili kulturu ciljanu na hranjive tvari svoje projektirane E. coli na njezinom gubitku prethodniku, oporavljajući ono što je oporavljeno (brzinom od približno 0,33 H⁻¹), pokazujući pretvorbu plastike u hranjivu tvar.

Konačno, upotrijebili su genetski modificirane sojeve E. coli koji eksprimiraju gene aminobenzoat hidroksilaze (ABH60) ovisne o O₂ i NADH i arilamin N-aciltransferaze (PANAT) ovisne o acetil-CoA, dobivene iz gljivice odnosno druge bakterije, kako bi pretvorili njihov prethodnik Lossen u para-hidroksiacetanilid (paracetamol). Početni pokušaji s jednim tehničkim opterećenjem rezultirali su stvaranjem nepoželjnih nusproizvoda; Istraživači su to riješili razvijanjem učinkovitijeg sustava s dva soja, pri čemu svaki soj izvodi jedan korak konverzije.

Rezultati studije

Ova studija označava prekretnicu u istraživanju biokompatibilne kemije, pokazujući da se kemijski sintetizirani neenzimski organski spojevi mogu integrirati u prirodni svijet i obraditi koristeći već postojeći metabolizam domaćina, značajno proširujući opseg biotehnologije sutrašnjice. Njegovi su rezultati pokazali da je preuređivanje gubitaka, kemijska reakcija koja je prethodno bila ograničena na specijalizirane kemijske laboratorije, moguće postići u rutinskim vodenim fiziološkim uvjetima i in vivo.

Studija je identificirala auksotrofne sojeve E. coli sposobne pretvoriti prilagođeni supstrat gubitka u poremećaj rasta (PABA), potvrđujući integraciju preuređivanja gubitka u staničnu mašineriju bakterije.

Studija je nadalje otkrila da su ove modificirane bakterije bile u stanju pretvoriti ne samo PET otpad (bioremedijacija), već i njihove genetski poboljšane podvarijante (ABH60 i sojevi koji eksprimiraju Panat) u paracetamol.

Naposljetku, studija je potvrdila da ovaj sustav funkcionira na sličan način u nizu supstrata za gubitak i ciljeva reakcije, što ukazuje na generalizirajuću platformu za neprirodne kemijske transformacije u živim stanicama.

Zaključci

Ova studija pokazuje potencijal istraživanja biokompatibilne kemije u revolucioniranoj kemijskoj proizvodnji sutrašnjice. Prikazuje novi soj bakterije E. coli koji može kombinirati ljudsku genijalnost sa svojim prirodnim staničnim strojevima kako bi se postiglo preuređivanje gubitaka. Dobivene proizvode usmjerava u rast i farmaceutsku proizvodnju, čak i od plastičnog otpada (PET).

Ovo istraživanje briše granicu između kemije i biotehnologije i nudi novi put za preradu materijala i sintetiziranje spojeva s dodanom vrijednošću. Iako je ovaj proces trenutačno dokaz načela i optimizacije povrata ulaganja i postavljanja puta, ovaj rad pruža temelj za održive sustave koji se temelje na stanicama i spajaju abiotičke reakcije s metabolizmom.

Izvori: