Jak nowa reakcja E. coli pomaga w recyklingu plastiku w paracetamol

Jak nowa reakcja E. coli pomaga w recyklingu plastiku w paracetamol

Naukowcy wykorzystują nową reakcję bakterii E. coli do przekształcania wyrzuconych tworzyw sztucznych w leki ratujące życie, tworząc w ten sposób zrównoważoną metodę produkcji chemicznej.

APorównanie strategii tworzenia wiązań C-N poprzez rearanżację strat w syntetycznej chemii organicznej lub poprzez szlaki choryzmianowe w metabolizmie komórkowym.BProponowane połączenie nieenzymatycznej chemii strat odpadów z metabolizmem komórkowym w celu zrównoważonej syntezy i bioupcyklingu odpadów z tworzyw sztucznych. LG, grupa odchodzi.

W niedawnym badaniuopublikowane w czasopiśmieNaturalna chemiaNaukowcy przeprowadzili unikalny eksperyment, w którym je aktywowanoEscherichia coliBakterie katalizują klasyczną, ale nową reakcję chemiczną:Katalityczna przemiana aktywowanych hydroksamianów acylu w aminy.

Ich eksperyment stanowi przełom w stosunkowo rodzącej się dziedzinie reakcji biokompatybilnych. Umożliwiło to naukowcom wykorzystanie retransmisji strat, nowej w przyrodzie reakcji katalitycznej syntetycznej chemii organicznej, do przekształcenia odpadów z tworzyw sztucznych (tereftalanu polietylenu [PET]) w paracetamol. Łącząc chemię syntetyczną z żywymi systemami, badanie jest pionierem nowej fali biooperacji, w ramach której mikroorganizmy przetwarzają nasze odpady i dostarczają nam leki ratujące życie.

tło

Światowa maszyna biotechnologiczna wykorzystuje drobnoustroje, zwłaszcza Escherichia coli, jako konie pociągowe do taniej, wydajnej i masowej produkcji kilku cennych substancji chemicznych. Niestety, tradycyjna biotechnologia ma ograniczone możliwości manipulowania zestawem narzędzi genetycznych drobnoustrojów i poważnie ogranicza zakres jej zastosowań. Kilka reakcji chemicznych, takich jak przegrupowanie strat i strat, ogranicza się do laboratoriów chemii syntetycznej i związanych z nimi wad związanych ze skalowalnością.

Aby zaradzić temu ograniczeniu i zwiększyć wpływ biotechnologii, stosunkowo nowa koncepcja zwana „chemią biokompatybilną” szybko nabiera tempa. Koncepcja łączy w sobie nieenzymatyczne reakcje organiczne człowieka i naturalny metabolizm komórkowy, co znacznie poszerza bazę mikroorganizmów mogących je wytwarzać.

Chociaż biokompatybilna chemia teoretycznie mogłaby umożliwić przekształcanie genetycznie zmodyfikowanych drobnoustrojów w celu przekształcenia odpadów w biopaliwa, a nawet farmaceutyki, należy sprostać złożonemu wyzwaniu, jakim jest uzyskanie nietoksycznej, wydajnej chemii w warunkach fizjologicznych. Jak dotąd osiągnięcie tej delikatnej równowagi pozostawało poważnym wyzwaniem.

O badaniu

W niniejszym badaniu naukowcy odkryli, że jony fosforanowe obecne w standardowych pożywkach bakteryjnych mogą katalizować przegrupowanie strat w biologicznie zgodnych warunkach. Opisany w 1872 roku przez Wilhelma Losssena, ten wcześniej ograniczony do laboratorium chemii syntetycznej eksperyment obejmuje katalizowane fosforanem przegrupowanie estru fenylohydroksamowego w produkt w postaci pierwszorzędowej aminy.

Aby odtworzyć rearanżacje strat w żywych komórkach, naukowcy najpierw zsynchronizowali aktywowany substrat hydroksamianowy z grupą parakarboksylową. W wodnych pożywkach M9 w temperaturze 37°C fosforan w pożywce wzrostowej katalizuje ten substrat do paraaminobenzoesanu (PABA), niezbędnego prekursora biosyntezy kwasu foliowego.

Przetestowali tę konfigurację, używając auksotroficznych szczepów E. coli, którym brakowało genów PABA/B (δPABB lub ΔPABA/B) lub AROC, więc po dodaniu substratu stratnego bakterie wznowiły wzrost, co było procesem zwanym „ratowaniem auksotrofów”. Sugeruje to, że bakterie mogą teraz przeprowadzić reakcję utraty i wykorzystać ten produkt jako źródło składników odżywczych, co stanowi wyraźny funkcjonalny odczyt, że reakcja pomyślnie zintegrowała się z metabolizmem E. coli.

Aby zademonstrować potencjał aplikacyjny nowego szczepu E. coli, badacze przeprowadzili dwa kolejne eksperymenty: 1. substrat pochodzący z PET i 2. synteza paracetamolu. Naukowcy najpierw przetworzyli butelkę z politereftalanu etylenu (PET) w prekursor utraty hydroksamianów na zewnątrz ogniwa. Następnie wyhodowali ukierunkowaną na składniki odżywcze kulturę zmodyfikowanej bakterii E. coli na prekursorze utraty, odzyskując to, co odzyskano (w ilości około 0,33 H⁻¹), wykazując konwersję tworzywa sztucznego w składnik odżywczy.

Na koniec wykorzystali genetycznie zmodyfikowane szczepy E. coli wykazujące ekspresję genów hydroksylazy aminobenzoesanowej zależnej od O₂ i zależnej od NADH (ABH60) oraz N-acylotransferazy aryloaminowej zależnej od acetylo-CoA (PANAT), pochodzących odpowiednio z grzyba i innej bakterii, w celu przekształcenia prekursora Lossen w para-hydroksyacetanilid (paracetamol). Początkowe próby z pojedynczym obciążeniem technicznym powodowały powstawanie niepożądanych produktów ubocznych; Naukowcy zajęli się tym problemem, opracowując bardziej wydajny system dwóch szczepów, w którym każdy szczep przeprowadzał jeden etap konwersji.

Wyniki badań

Badanie to stanowi kamień milowy w badaniach nad chemią biokompatybilną, wykazując, że syntetyzowane chemicznie, nieenzymatyczne związki organiczne można zintegrować ze światem przyrody i przetwarzać przy użyciu istniejącego metabolizmu gospodarza, znacznie rozszerzając zakres biotechnologii jutra. Jego wyniki pokazały, że przegrupowanie strat, reakcja chemiczna wcześniej ograniczona do wyspecjalizowanych laboratoriów chemicznych, była możliwa do osiągnięcia w rutynowych wodnych warunkach fizjologicznych i in vivo.

W badaniu zidentyfikowano auksotroficzne szczepy E. coli zdolne do przekształcania dostosowanego substratu stratnego w zaburzenie wzrostu (PABA), co potwierdza integrację rearanżacji strat z maszynerią komórkową bakterii.

Badanie ujawniło ponadto, że te zmodyfikowane bakterie były w stanie przekształcić w paracetamol nie tylko odpady PET (bioremediacja), ale także ich genetycznie ulepszone odmiany podrzędne (szczepy wykazujące ekspresję ABH60 i Panat).

Wreszcie badanie potwierdziło, że system ten działał podobnie w zakresie substratów strat i celów reakcji, wskazując możliwą do uogólnienia platformę dla nienatywnych transformacji chemicznych w żywych komórkach.

Wnioski

Niniejsze badanie pokazuje potencjał badań nad biokompatybilną chemią w zrewolucjonizowanej produkcji chemicznej jutra. Pokazuje nowy szczep bakterii E. coli, który potrafi połączyć ludzką pomysłowość z naturalną maszynerią komórkową, aby osiągnąć rearanżację strat. Kieruje powstałe produkty do wzrostu gospodarczego i produkcji farmaceutycznej, nawet z odpadów plastikowych (PET).

Badania te zacierają granicę między chemią a biotechnologią i oferują nową drogę do recyklingu materiałów i syntezy związków o wartości dodanej. Chociaż proces ten stanowi obecnie dowód na zasadność i optymalizację zwrotu z inwestycji oraz wyznaczanie ścieżek, praca ta stanowi podstawę dla zrównoważonych systemów komórkowych, które łączą reakcje abiotyczne z metabolizmem.

Źródła: