Hoe een nieuwe reactie in E. coli helpt plastic te recyclen tot paracetamol

Hoe een nieuwe reactie in E. coli helpt plastic te recyclen tot paracetamol

Wetenschappers gebruiken een nieuwe reactie in E. coli om afgedankte kunststoffen om te zetten in levensreddende medicijnen, waardoor een duurzame route voor de productie van chemische stoffen wordt opgezet.

AEen vergelijking van strategieën voor de vorming van C-N-bindingen door middel van verliesherschikkingen in de synthetische organische chemie of via chorismaatroutes in het cellulaire metabolisme.BDe voorgestelde fusie van niet-enzymatische afvalverlieschemie met cellulair metabolisme voor duurzame synthese en bio-upcycling van plastic afval. LG, groep vertrekt.

In een recente studiegepubliceerd in het tijdschriftNatuurlijke chemieDe onderzoekers demonstreerden een uniek experiment waarbij ze werden geactiveerdEscherichia coliBacteriën katalyseren een klassieke maar nieuwe chemische reactie:De katalytische transformatie van geactiveerde acylhydroxamaten in aminen.

Hun experiment markeert een doorbraak in het relatief jonge veld van biocompatibele reacties. Het stelde onderzoekers in staat om verlieshertransmissie, een katalytische reactie van synthetische organische chemie die nieuw is in de natuur, te gebruiken om plastic (polyethyleentereftalaat [PET]) afval om te zetten in paracetamol. Door synthetische chemie te combineren met levende systemen, is de studie een pionier in een nieuwe golf van bioperaties waarbij microben ons afval recyclen en ons levensreddende medicijnen geven.

achtergrond

De mondiale biotechnologiemachinerie gebruikt microben, met name Escherichia coli, als werkpaarden voor de goedkope, efficiënte en grootschalige productie van verschillende waardevolle chemicaliën. Helaas is de traditionele biotechnologie beperkt in haar vermogen om de genetische gereedschapskist van microben te manipuleren en beperkt zij de reikwijdte van haar toepassingen ernstig. Verschillende chemische reacties, zoals herschikking van verlies en verlies, blijven beperkt tot laboratoria voor synthetische chemie en de daarmee gepaard gaande nadelen op het gebied van schaalbaarheid.

Om deze beperking aan te pakken en de impact van de biotechnologie uit te breiden, wint een relatief nieuw concept genaamd ‘biocompatibele chemie’ snel aan kracht. Het concept combineert menselijke niet-enzymatische organische reacties en natuurlijk cellulair metabolisme, waardoor de grondstofmicroben die deze kunnen produceren aanzienlijk worden uitgebreid.

Hoewel biocompatibele chemie het theoretisch mogelijk zou kunnen maken om genetisch gemodificeerde microben om te zetten in biobrandstoffen of zelfs farmaceutische producten, moet de complexe uitdaging van het bereiken van niet-giftige, efficiënte chemie onder fysiologische omstandigheden worden aangegaan. Tot nu toe is het bereiken van dit delicate evenwicht een grote uitdaging gebleven.

Over de studie

In de huidige studie ontdekten onderzoekers dat fosfaationen die aanwezig zijn in standaard bacteriële groeimedia de herschikking van verliezen kunnen katalyseren onder biologisch compatibele omstandigheden. Dit voorheen laboratoriumbeperkte experiment in de synthetische chemie, beschreven in 1872 door Wilhelm Losssen, omvat de door fosfaat gekatalyseerde omlegging van een fenylhydroxamaatester in een primair amineproduct.

Om verliesherschikkingen in levende cellen te reproduceren, synchroniseerden de onderzoekers eerst een geactiveerd hydroxamaatsubstraat met een para-carboxylgroep. In waterige M9-media bij 37 ° C katalyseert fosfaat in het groeimedium dit substraat tot para-aminobenzoaat (PABA), een essentiële voorloper voor de biosynthese van foliumzuur.

Ze testten de opstelling met behulp van auxotrofe E. coli-stammen die PABA/B (δPABB of ΔPABA/B) of AROC-genen misten, dus nadat het verliessubstraat was toegevoegd, hervatten de bacteriën de groei, een proces dat ‘auxotrofe redding’ wordt genoemd. Dit suggereert dat de bacteriën nu de verliesreactie kunnen uitvoeren en dit product als voedingsbron kunnen gebruiken, wat dient als een duidelijke functionele uitlezing dat de reactie met succes is geïntegreerd in het E. coli-metabolisme.

Om het toepassingspotentieel van deze nieuwe E. coli-stam aan te tonen, voerden onderzoekers twee opeenvolgende experimenten uit: 1. PET-afgeleid substraat en 2. Paracetamolsynthese. De onderzoekers verwerkten eerst een fles polyethyleentereftalaat (PET) tot een voorloper van hydroxamaatverlies buiten de cel. Vervolgens kweekten ze een op voedingsstoffen gerichte cultuur van hun ontwikkelde E. coli op de verliesvoorloper, waarbij ze terugwonnen wat er werd teruggevonden (met een snelheid van ongeveer 0,33 H⁻¹), waarmee ze de omzetting van plastic in voedingsstoffen aantoonden.

Ten slotte gebruikten ze genetisch gemodificeerde E. coli-stammen die O₂- en NADH-afhankelijke aminobenzoaathydroxylase (ABH60) en acetyl-CoA-afhankelijke arylamine N-acyltransferase (PANAT) genen tot expressie brengen, afkomstig van respectievelijk een schimmel en een andere bacterie, om hun Lossen-voorloper om te zetten in para-hydroxyacetanilide (paracetamol). Eerste pogingen met een enkele technische belasting resulteerden in de vorming van ongewenste bijproducten; De onderzoekers hebben dit aangepakt door een efficiënter systeem met twee stammen te ontwikkelen, waarbij elke stam één conversiestap uitvoert.

Studieresultaten

Deze studie markeert een mijlpaal in biocompatibel scheikundig onderzoek, waarbij wordt aangetoond dat chemisch gesynthetiseerde niet-enzymatische organische verbindingen in de natuurlijke wereld kunnen worden geïntegreerd en verwerkt met behulp van reeds bestaand gastheermetabolisme, waardoor de reikwijdte van de biotechnologie van morgen aanzienlijk wordt uitgebreid. Zijn resultaten toonden aan dat verliesherschikking, een chemische reactie die voorheen beperkt was tot gespecialiseerde scheikundige laboratoria, haalbaar was onder routinematige waterige fysiologische omstandigheden en in vivo.

De studie identificeerde auxotrofe E. coli-stammen die in staat zijn een op maat gemaakt verliessubstraat om te zetten in groeistoornis (PABA), wat de integratie van verliesherschikking in de cellulaire machinerie van de bacterie bevestigt.

Uit het onderzoek bleek verder dat deze gemanipuleerde bacteriën niet alleen PET-afval (bioremediatie), maar ook hun genetisch verbeterde subvarianten (ABH60 en Panat tot expressie brengende stammen) konden omzetten in paracetamol.

Ten slotte bevestigde de studie dat dit systeem op vergelijkbare wijze functioneerde in een reeks verliessubstraten en reactiedoelen, wat wijst op een generaliseerbaar platform voor niet-natieve chemische transformaties in levende cellen.

Conclusies

De huidige studie toont het potentieel aan van biocompatibel chemisch onderzoek in de revolutionaire chemische productie van morgen. Het demonstreert een nieuwe stam van de E. coli-bacterie die menselijk vernuft kan combineren met zijn natuurlijke cellulaire machinerie om verliesherschikking te bereiken. Het kanaliseert de resulterende producten naar groei en farmaceutische productie, zelfs uit plastic afval (PET).

Dit onderzoek vervaagt de grens tussen chemie en biotechnologie en biedt een nieuwe route om materialen te upcyclen en verbindingen met toegevoegde waarde te synthetiseren. Hoewel dit proces momenteel een bewijs is van het principe en de optimalisatie van het rendement op investeringen en het bepalen van het pad, biedt dit werk een basis voor duurzame, celgebaseerde systemen die abiotische reacties combineren met metabolisme.

Bronnen: