Come una nuova reazione nell'Escherichia coli aiuta a riciclare la plastica in paracetamolo

Come una nuova reazione nell'Escherichia coli aiuta a riciclare la plastica in paracetamolo

Gli scienziati stanno utilizzando una nuova reazione dell’Escherichia coli per trasformare la plastica scartata in medicinali salvavita, creando un percorso sostenibile per la produzione chimica.

UNUn confronto tra strategie per la formazione di legami CN attraverso riarrangiamenti di perdita nella chimica organica sintetica o attraverso percorsi corismati nel metabolismo cellulare.BLa fusione proposta della chimica non enzimatica della perdita dei rifiuti con il metabolismo cellulare per la sintesi sostenibile e il bio-upcycling dei rifiuti di plastica. LG, il gruppo se ne va.

In uno studio recentepubblicato sulla rivistaChimica naturaleI ricercatori hanno dimostrato un esperimento unico in cui sono stati attivatiEscherichia coliI batteri catalizzano una reazione chimica classica ma nuova:La trasformazione catalitica degli acil idrossammati attivati ​​in ammine.

Il loro esperimento segna una svolta nel campo relativamente nascente delle reazioni biocompatibili. Ha consentito ai ricercatori di utilizzare la ritrasmissione delle perdite, una reazione catalitica della chimica organica sintetica nuova in natura, per convertire i rifiuti di plastica (polietilene tereftalato [PET]) in paracetamolo. Mescolando la chimica sintetica con i sistemi viventi, lo studio sta aprendo la strada a una nuova ondata di biooperazione in cui i microbi riciclano i nostri rifiuti e ci forniscono farmaci salvavita.

sfondo

Il macchinario biotecnologico globale utilizza i microbi, in particolare l’Escherichia coli, come cavalli da lavoro per la produzione economica, efficiente e su larga scala di numerose sostanze chimiche preziose. Sfortunatamente, la biotecnologia tradizionale ha una capacità limitata di manipolare gli strumenti genetici dei microbi e limita fortemente la portata delle sue applicazioni. Diverse reazioni chimiche, come il riarrangiamento perdita-perdita, rimangono limitate ai laboratori di chimica sintetica e ai relativi svantaggi di scalabilità.

Per affrontare questa limitazione ed espandere l’impatto della biotecnologia, un concetto relativamente nuovo chiamato “chimica biocompatibile” sta rapidamente guadagnando slancio. Il concetto combina reazioni organiche non enzimatiche umane e metabolismo cellulare naturale, che espande in modo significativo la materia prima microbica che può produrle.

Mentre la chimica biocompatibile potrebbe teoricamente rendere possibile la conversione di microbi geneticamente modificati per convertire i rifiuti in biocarburanti o addirittura prodotti farmaceutici, la complessa sfida di ottenere una chimica non tossica ed efficiente in condizioni fisiologiche deve essere affrontata. Finora, raggiungere questo delicato equilibrio è rimasta una sfida significativa.

A proposito dello studio

Nel presente studio, i ricercatori hanno scoperto che gli ioni fosfato presenti nei terreni di crescita batterici standard possono catalizzare il riarrangiamento della perdita in condizioni biologicamente compatibili. Descritto nel 1872 da Wilhelm Losssen, questo esperimento precedentemente limitato al laboratorio di chimica sintetica prevede la riarrangiamento catalizzata dal fosfato di un estere fenilidrossammato in un prodotto amminico primario.

Per riprodurre i riarrangiamenti delle perdite nelle cellule viventi, i ricercatori hanno prima sincronizzato un substrato idrossammato attivato con un gruppo para-carbossilico. In mezzi acquosi M9 a 37 °C, il fosfato nel mezzo di crescita catalizza questo substrato in para-aminobenzoato (PABA), un precursore essenziale per la biosintesi dei folati.

Hanno testato la configurazione utilizzando ceppi auxotrofi di E. coli privi di geni PABA/B (δPABB o ΔPABA/B) o AROC, quindi dopo l’aggiunta del substrato di perdita, i batteri hanno ripreso la crescita, un processo chiamato “salvataggio auxotrofico”. Ciò suggerisce che ora i batteri possono eseguire la reazione di perdita e utilizzare questo prodotto come fonte di nutrienti, fungendo da chiara lettura funzionale del fatto che la reazione si è integrata con successo nel metabolismo dell'E. coli.

Per dimostrare il potenziale applicativo di questo nuovo ceppo di E. coli, i ricercatori hanno condotto due esperimenti sequenziali: 1. Substrato derivato dal PET e 2. Sintesi del paracetamolo. I ricercatori hanno prima trasformato una bottiglia di polietilene tereftalato (PET) in un precursore della perdita di idrossammato all'esterno della cellula. Hanno poi coltivato una coltura mirata ai nutrienti del loro E. coli ingegnerizzato sul suo precursore di perdita, recuperando ciò che è stato recuperato (a una velocità di circa 0,33 H⁻¹), dimostrando la conversione della plastica in nutriente.

Infine, hanno utilizzato ceppi di E. coli geneticamente modificati che esprimono i geni dell’aminobenzoato idrossilasi O₂ e NADH-dipendente (ABH60) e dell’arilammina N-aciltransferasi acetil-CoA-dipendente (PANAT), provenienti rispettivamente da un fungo e da un altro batterio, per convertire il loro precursore Lossen in para-idrossiacetanilide (paracetamolo). I primi tentativi con un unico carico tecnico hanno portato alla formazione di prodotti collaterali indesiderati; I ricercatori hanno affrontato questo problema sviluppando un sistema a due ceppi più efficiente, in cui ciascun ceppo esegue una fase di conversione.

Risultati dello studio

Questo studio segna una pietra miliare nella ricerca chimica biocompatibile, dimostrando che i composti organici non enzimatici sintetizzati chimicamente possono essere integrati nel mondo naturale ed elaborati utilizzando il metabolismo ospite preesistente, ampliando significativamente la portata della biotecnologia di domani. I suoi risultati hanno mostrato che il riarrangiamento delle perdite, una reazione chimica precedentemente limitata ai laboratori chimici specializzati, era realizzabile in condizioni fisiologiche acquose di routine e in vivo.

Lo studio ha identificato ceppi auxotrofi di E. coli in grado di convertire un substrato di perdita su misura in un disturbo della crescita (PABA), confermando l'integrazione del riarrangiamento delle perdite nel meccanismo cellulare dei batteri.

Lo studio ha inoltre rivelato che questi batteri ingegnerizzati erano in grado di convertire non solo i rifiuti PET (biorisanamento), ma anche le loro sottovarianti geneticamente migliorate (ceppi ABH60 e che esprimono Panat) in paracetamolo.

Infine, lo studio ha confermato che questo sistema funzionava in modo simile in una gamma di substrati di perdita e bersagli di reazione, indicando una piattaforma generalizzabile per trasformazioni chimiche non native nelle cellule viventi.

Conclusioni

Il presente studio mostra il potenziale della ricerca chimica biocompatibile nella rivoluzionata produzione chimica di domani. Dimostra un nuovo ceppo di batteri E. coli in grado di combinare l'ingegno umano con il suo macchinario cellulare naturale per ottenere un riarrangiamento delle perdite. Incanala i prodotti risultanti verso la crescita e la produzione farmaceutica, anche dai rifiuti di plastica (PET).

Questa ricerca sfuma il confine tra chimica e biotecnologia e offre un nuovo percorso per riciclare i materiali e sintetizzare composti a valore aggiunto. Sebbene questo processo sia attualmente una prova di principio e di ottimizzazione del ritorno sull’investimento e di definizione del percorso, questo lavoro fornisce una base per sistemi sostenibili basati su cellule che fondono le reazioni abiotiche con il metabolismo.

Fonti: