Como uma nova reação em E. coli ajuda a reciclar plástico em paracetamol

Como uma nova reação em E. coli ajuda a reciclar plástico em paracetamol

Os cientistas estão a utilizar uma nova reação na E. coli para transformar plásticos descartados em medicamentos que salvam vidas, estabelecendo uma rota sustentável para a produção de produtos químicos.

UMUma comparação de estratégias para a formação de ligações CN através de rearranjos de perdas na química orgânica sintética ou através de vias de corismato no metabolismo celular.bA proposta de fusão da química não enzimática de perda de resíduos com o metabolismo celular para síntese sustentável e bio-reciclagem de resíduos plásticos. LG, grupo sai.

Em um estudo recentepublicado na revistaQuímica naturalOs pesquisadores demonstraram um experimento único em que foram ativadosEscherichia coliAs bactérias catalisam uma reação química clássica, mas nova:A transformação catalítica de hidroxamatos de acila ativados em aminas.

Seu experimento marca um avanço no campo relativamente nascente das reações biocompatíveis. Isso permitiu que os pesquisadores usassem a retransmissão de perdas, uma reação catalítica da química orgânica sintética nova na natureza, para converter resíduos de plástico (tereftalato de polietileno [PET]) em paracetamol. Ao misturar a química sintética com sistemas vivos, o estudo é pioneiro numa nova onda de bioperação em que os micróbios reciclam os nossos resíduos e nos fornecem medicamentos que salvam vidas.

fundo

A maquinaria biotecnológica global utiliza micróbios, particularmente Escherichia coli, como burros de carga para a produção barata, eficiente e em grande escala de vários produtos químicos valiosos. Infelizmente, a biotecnologia tradicional é limitada na sua capacidade de manipular os conjuntos de ferramentas genéticas dos micróbios e limita severamente o âmbito das suas aplicações. Várias reações químicas, como o rearranjo perda-perda, permanecem limitadas aos laboratórios de química sintética e às suas desvantagens de escalabilidade associadas.

Para resolver esta limitação e expandir o impacto da biotecnologia, um conceito relativamente novo denominado “química biocompatível” está rapidamente a ganhar impulso. O conceito combina reações orgânicas não enzimáticas humanas e metabolismo celular natural, o que amplia significativamente a matéria-prima de micróbios que podem produzi-las.

Embora a química biocompatível possa, teoricamente, tornar possível a conversão de micróbios geneticamente modificados para converter resíduos em biocombustíveis ou mesmo em produtos farmacêuticos, o desafio complexo de alcançar uma química eficiente e não tóxica em condições fisiológicas deve ser enfrentado. Até agora, alcançar este delicado equilíbrio continua a ser um desafio significativo.

Sobre o estudo

No presente estudo, os pesquisadores descobriram que os íons fosfato presentes em meios de crescimento bacteriano padrão podem catalisar o rearranjo de perdas sob condições biologicamente compatíveis. Descrito em 1872 por Wilhelm Losssen, este experimento anteriormente limitado em laboratório de química sintética envolve o rearranjo catalisado por fosfato de um éster de fenilhidroxamato em um produto de amina primária.

Para reproduzir rearranjos de perdas em células vivas, os pesquisadores primeiro sincronizaram um substrato hidroxamato ativado com um grupo para-carboxila. Em meio aquoso M9 a 37 °C, o fosfato no meio de crescimento catalisa este substrato em para-aminobenzoato (PABA), um precursor essencial para a biossíntese de folato.

Eles testaram a configuração usando cepas auxotróficas de E. coli que não possuíam genes PABA/B (δPABB ou ΔPABA/B) ou AROC, portanto, após a adição do substrato de perda, a bactéria retomou o crescimento, um processo chamado “resgate auxotrófico”. Isto sugere que as bactérias podem agora realizar a reacção de perda e utilizar este produto como fonte de nutrientes, servindo como uma leitura funcional clara de que a reacção foi integrada com sucesso no metabolismo da E. coli.

Para demonstrar o potencial de aplicação desta nova cepa de E. coli, os pesquisadores realizaram dois experimentos sequenciais: 1. Substrato derivado de PET e 2. Síntese de paracetamol. Os pesquisadores primeiro processaram uma garrafa de tereftalato de polietileno (PET) em um precursor de perda de hidroxamato fora da célula. Eles então cultivaram uma cultura de sua E. coli projetada com base em nutrientes em seu precursor de perda, recuperando o que foi recuperado (a uma taxa de aproximadamente 0,33 H⁻¹), demonstrando a conversão de plástico em nutriente.

Finalmente, eles usaram cepas de E. coli geneticamente modificadas que expressam genes de aminobenzoato hidroxilase dependente de O₂ e NADH (ABH60) e arilamina N-aciltransferase dependente de acetil-CoA (PANAT), provenientes de um fungo e outra bactéria, respectivamente, para converter seu precursor Lossen em para-hidroxiacetanilida (paracetamol). As tentativas iniciais com uma única carga técnica resultaram na formação de produtos secundários indesejáveis; Os pesquisadores resolveram isso desenvolvendo um sistema de duas cepas mais eficiente, com cada cepa realizando uma etapa de conversão.

Resultados do estudo

Este estudo marca um marco na pesquisa química biocompatível, demonstrando que compostos orgânicos não enzimáticos sintetizados quimicamente podem ser integrados ao mundo natural e processados ​​usando o metabolismo hospedeiro pré-existente, expandindo significativamente o escopo da biotecnologia de amanhã. Seus resultados mostraram que o rearranjo de perdas, uma reação química anteriormente limitada a laboratórios químicos especializados, era alcançável em condições fisiológicas aquosas de rotina e in vivo.

O estudo identificou cepas auxotróficas de E. coli capazes de converter um substrato de perda personalizado em distúrbio de crescimento (PABA), confirmando a integração do rearranjo de perdas na maquinaria celular da bactéria.

O estudo revelou ainda que estas bactérias modificadas foram capazes de converter não apenas resíduos de PET (biorremediação), mas também as suas subvariantes geneticamente melhoradas (estirpes que expressam ABH60 e Panat) em paracetamol.

Finalmente, o estudo confirmou que este sistema funcionava de forma semelhante em uma variedade de substratos de perda e alvos de reação, indicando uma plataforma generalizável para transformações químicas não-nativas em células vivas.

Conclusões

O presente estudo mostra o potencial da pesquisa química biocompatível na revolucionária produção química de amanhã. Ele demonstra uma nova cepa da bactéria E. coli que pode combinar a engenhosidade humana com sua maquinaria celular natural para alcançar o rearranjo das perdas. Canaliza os produtos resultantes para o crescimento e a produção farmacêutica, mesmo a partir de resíduos plásticos (PET).

Esta pesquisa confunde a linha entre a química e a biotecnologia e oferece um novo caminho para reciclar materiais e sintetizar compostos de valor agregado. Embora este processo seja atualmente uma prova de princípio e otimização do retorno sobre o investimento e definição de caminhos, este trabalho fornece uma base para sistemas sustentáveis ​​baseados em células que fundem reações abióticas com metabolismo.

Fontes: