Hvordan en ny reaksjon i E. coli hjelper til med å resirkulere plast til paracetamol

Hvordan en ny reaksjon i E. coli hjelper til med å resirkulere plast til paracetamol

Forskere bruker en ny reaksjon i E. coli for å gjøre kassert plast om til livreddende medisiner, og etablerer en bærekraftig rute for kjemisk produksjon.

ENEn sammenligning av strategier for C-N-bindingsdannelse gjennom tapsomstillinger i syntetisk organisk kjemi eller gjennom korismatveier i cellulær metabolisme.bDen foreslåtte fusjonen av ikke-enzymatisk avfallstapskjemi med cellulær metabolisme for bærekraftig syntese og bio-upcycling av plastavfall. LG, gruppen går.

I en fersk studiepublisert i tidsskriftetNaturlig kjemiForskerne demonstrerte et unikt eksperiment der de ble aktivertEscherichia coliBakterier katalyserer en klassisk, men ny kjemisk reaksjon:Den katalytiske transformasjonen av aktiverte acylhydroksamater til aminer.

Eksperimentet deres markerer et gjennombrudd i det relativt begynnende feltet av biokompatible reaksjoner. Det tillot forskere å bruke tapsretransmisjon, en katalytisk reaksjon av syntetisk organisk kjemi som er ny i naturen, for å konvertere plastavfall (polyetylentereftalat [PET]) til paracetamol. Ved å blande syntetisk kjemi med levende systemer, er studien banebrytende for en ny bølge av biooperasjon der mikrober resirkulerer avfallet vårt og gir oss livreddende medisiner.

bakgrunn

Det globale bioteknologiske maskineriet bruker mikrober, spesielt Escherichia coli, som arbeidshester for billig, effektiv og storskala produksjon av flere verdifulle kjemikalier. Dessverre er tradisjonell bioteknologi begrenset i sin evne til å manipulere de genetiske verktøysettene til mikrober og begrenser omfanget av dens bruksområder. Flere kjemiske reaksjoner, for eksempel tap-tap-omorganisering, forblir begrenset til syntetiske kjemi-laboratorier og deres tilhørende skalerbarhetsulemper.

For å adressere denne begrensningen og utvide virkningen av bioteknologi, er et relativt nytt konsept kalt "biokompatibel kjemi" raskt i ferd med å få fart. Konseptet kombinerer menneskelige ikke-enzymatiske organiske reaksjoner og naturlig cellulær metabolisme, som i betydelig grad utvider råstoffmikrobene som kan produsere dem.

Mens biokompatibel kjemi teoretisk sett kan gjøre det mulig å konvertere genmodifiserte mikrober for å konvertere avfall til biodrivstoff eller til og med legemidler, må den komplekse utfordringen med å oppnå ikke-giftig, effektiv kjemi under fysiologiske forhold møtes. Så langt har det vært en betydelig utfordring å oppnå denne delikate balansen.

Om studiet

I denne studien fant forskerne at fosfationer tilstede i standard bakterievekstmedier kan katalysere tapsomlegging under biologisk kompatible forhold. Beskrevet i 1872 av Wilhelm Losssen, involverer dette tidligere syntetiske kjemi laboratoriebegrensede eksperimentet fosfatkatalysert omorganisering av en fenylhydroksamatester til et primært aminprodukt.

For å reprodusere tapsomstillinger i levende celler, synkroniserte forskerne først et aktivert hydroksamatsubstrat med en para-karboksylgruppe. I vandige M9-medier ved 37 ° C katalyserer fosfat i vekstmediet dette substratet til para-aminobenzoat (PABA), en essensiell forløper for folatbiosyntese.

De testet oppsettet ved å bruke auxotrofe E. coli-stammer som manglet PABA/B (δPABB eller ΔPABA/B) eller AROC gener, så etter at tapssubstratet ble tilsatt, gjenopptok bakteriene veksten, en prosess som kalles "auxotroph rescue." Dette tyder på at bakteriene nå kan utføre tapsreaksjonen og bruke dette produktet som en næringskilde, og tjener som en klar funksjonell avlesning på at reaksjonen har vellykket integrert i E. coli-metabolismen.

For å demonstrere anvendelsespotensialet til denne nye E. coli-stammen, utførte forskere to sekvensielle eksperimenter: 1. PET-avledet substrat og 2. Paracetamolsyntese. Forskerne behandlet først en flaske polyetylentereftalat (PET) til en hydroksamattapsforløper utenfor cellen. De dyrket deretter en næringsmålrettet kultur av deres konstruerte E. coli på dens tapsforløper, og gjenvinner det som ble gjenvunnet (med en hastighet på omtrent 0,33 H⁻¹), som demonstrerer omdannelsen av plast til næringsstoff.

Til slutt brukte de genmodifiserte E. coli-stammer som uttrykker O₂- og NADH-avhengig aminobenzoathydroksylase (ABH60) og acetyl-CoA-avhengige arylamin N-acyltransferase (PANAT) gener, hentet fra henholdsvis en sopp og en annen bakterie for å omdanne deres Lossen-paracemoltasor til deres Lossen-paracemoltasor. Innledende forsøk med en enkelt teknisk belastning resulterte i dannelsen av uønskede biprodukter; Forskerne tok tak i dette ved å utvikle et mer effektivt to-stamme-system, hvor hver stamme utførte ett trinn med konvertering.

Studieresultater

Denne studien markerer en milepæl innen biokompatibel kjemiforskning, og viser at kjemisk syntetiserte ikke-enzymatiske organiske forbindelser kan integreres i den naturlige verden og behandles ved bruk av allerede eksisterende vertsmetabolisme, noe som i betydelig grad utvider omfanget av morgendagens bioteknologi. Resultatene hans viste at tapsomlegging, en kjemisk reaksjon som tidligere var begrenset til spesialiserte kjemilaboratorier, var oppnåelig under rutinemessige vandige fysiologiske forhold og in vivo.

Studien identifiserte auxotrofe E. coli-stammer som er i stand til å konvertere et skreddersydd tapssubstrat til vekstforstyrrelse (PABA), som bekrefter integreringen av tapsomorganisering i bakterienes cellulære maskineri.

Studien viste videre at disse konstruerte bakteriene var i stand til å konvertere ikke bare PET-avfall (bioremediering), men også deres genetisk forbedrede subvarianter (ABH60 og Panat-uttrykkende stammer) til paracetamol.

Til slutt bekreftet studien at dette systemet fungerte på samme måte i en rekke tapssubstrater og reaksjonsmål, noe som indikerer en generaliserbar plattform for ikke-native kjemiske transformasjoner i levende celler.

Konklusjoner

Denne studien viser potensialet til biokompatibel kjemiforskning i morgendagens revolusjonerte kjemiske produksjon. Den demonstrerer en ny stamme av E. coli-bakterier som kan kombinere menneskelig oppfinnsomhet med sitt naturlige cellulære maskineri for å oppnå omorganisering av tap. Den kanaliserer de resulterende produktene til vekst og farmasøytisk produksjon, selv fra plastavfall (PET).

Denne forskningen visker ut grensen mellom kjemi og bioteknologi og tilbyr en ny måte å resirkulere materialer og syntetisere verdiøkende forbindelser. Selv om denne prosessen for øyeblikket er et bevis på prinsippet og avkastningen på investeringen optimalisering og veisetting, gir dette arbeidet et grunnlag for bærekraftige, cellebaserte systemer som kombinerer abiotiske reaksjoner med metabolisme.

Kilder: