Cum o nouă reacție la E. coli ajută la reciclarea plasticului în paracetamol

Cum o nouă reacție la E. coli ajută la reciclarea plasticului în paracetamol

Oamenii de știință folosesc o nouă reacție la E. coli pentru a transforma plasticul aruncat în medicamente care salvează vieți, creând o cale durabilă pentru fabricarea chimică.

OO comparație a strategiilor pentru formarea legăturilor C-N prin rearanjamente de pierdere în chimia organică sintetică sau prin căile corismatului în metabolismul celular.bFuziunea propusă a chimiei de pierdere a deșeurilor neenzimatice cu metabolismul celular pentru sinteza durabilă și bio-ciclarea deșeurilor de plastic. LG, grupul pleacă.

Într-un studiu recentpublicat în jurnalChimie naturalăCercetătorii au demonstrat un experiment unic în care au fost activateEscherichia coliBacteriile catalizează o reacție chimică clasică, dar nouă:Transformarea catalitică a hidroxamaților de acil activați în amine.

Experimentul lor marchează o descoperire în domeniul relativ în curs de dezvoltare al reacțiilor biocompatibile. Acesta a permis cercetătorilor să folosească retransmiterea pierderilor, o reacție catalitică a chimiei organice sintetice, de natură nouă, pentru a transforma deșeurile din plastic (tereftalat de polietilen [PET]) în paracetamol. Prin amestecarea chimiei sintetice cu sistemele vii, studiul este pionierul unui nou val de bioperații în care microbii ne reciclează deșeurile și ne oferă medicamente care salvează vieți.

fundal

Mașinile biotehnologice globale utilizează microbi, în special Escherichia coli, ca cai de lucru pentru producția ieftină, eficientă și la scară largă a mai multor substanțe chimice valoroase. Din păcate, biotehnologia tradițională este limitată în capacitatea sa de a manipula seturile de instrumente genetice ale microbilor și limitează sever domeniul de aplicare al aplicațiilor sale. Mai multe reacții chimice, cum ar fi rearanjarea pierderi-pierdere, rămân limitate la laboratoarele de chimie sintetică și dezavantajele de scalabilitate asociate acestora.

Pentru a aborda această limitare și a extinde impactul biotehnologiei, un concept relativ nou numit „chimie biocompatibilă” câștigă rapid amploare. Conceptul combină reacțiile organice non-enzimatice umane și metabolismul celular natural, care extinde semnificativ microbii de materie primă care le pot produce.

În timp ce chimia biocompatibilă ar putea teoretic să facă posibilă convertirea microbilor modificați genetic pentru a transforma deșeurile în biocombustibili sau chiar în produse farmaceutice, trebuie îndeplinită provocarea complexă de a obține o chimie netoxică și eficientă în condiții fiziologice. Până acum, atingerea acestui echilibru delicat a rămas o provocare semnificativă.

Despre studiu

În studiul de față, cercetătorii au descoperit că ionii de fosfat prezenți în mediile de creștere bacteriene standard pot cataliza rearanjarea pierderilor în condiții compatibile biologic. Descris în 1872 de Wilhelm Losssen, acest experiment de chimie sintetică, limitat de laborator, implică rearanjarea catalizată de fosfat a unui ester de fenilhidroxamat într-un produs amină primară.

Pentru a reproduce rearanjamentele de pierdere în celulele vii, cercetătorii au sincronizat mai întâi un substrat de hidroxamat activat cu o grupă para-carboxil. În mediul apos M9 la 37 ° C, fosfatul din mediul de creștere catalizează acest substrat în para-aminobenzoat (PABA), un precursor esențial pentru biosinteza folaților.

Ei au testat configurația folosind tulpini de E. coli auxotrofe care nu aveau gene PABA/B (δPABB sau ΔPABA/B) sau AROC, așa că după ce a fost adăugat substratul de pierdere, bacteria a reluat creșterea, un proces numit „salvare auxotrof”. Acest lucru sugerează că bacteriile pot efectua acum reacția de pierdere și pot folosi acest produs ca sursă de nutrienți, servind ca o citire funcțională clară a faptului că reacția s-a integrat cu succes în metabolismul E. coli.

Pentru a demonstra potențialul de aplicare al acestei noi tulpini de E. coli, cercetătorii au efectuat două experimente succesive: 1. substrat derivat din PET și 2. sinteza paracetamolului. Cercetătorii au procesat mai întâi o sticlă de tereftalat de polietilenă (PET) într-un precursor de pierdere de hidroxamat în afara celulei. Apoi au crescut o cultură țintită de nutrienți a E. coli lor modificat pe precursorul său de pierdere, recuperând ceea ce a fost recuperat (la o rată de aproximativ 0,33 H⁻¹), demonstrând conversia plasticului în nutrienți.

În cele din urmă, au folosit tulpini de E. coli modificate genetic care exprimă aminobenzoat hidroxilază dependentă de O₂ și NADH (ABH60) și gene arilamină N-aciltransferază (PANAT) dependentă de acetil-CoA, provenite dintr-o ciupercă și, respectiv, dintr-o altă bacterie, pentru a-și transforma precursorul para-hidroxietanilidului Lossen (para-hidroxietanilid). Încercările inițiale cu o singură sarcină tehnică au dus la formarea de produse secundare nedorite; Cercetătorii au abordat acest lucru prin dezvoltarea unui sistem mai eficient cu două tulpini, fiecare tulpină efectuând un pas de conversie.

Rezultatele studiului

Acest studiu marchează o piatră de hotar în cercetarea chimiei biocompatibile, demonstrând că compușii organici neenzimatici sintetizați chimic pot fi integrați în lumea naturală și procesați folosind metabolismul gazdă preexistent, extinzând semnificativ domeniul de aplicare al biotehnologiei de mâine. Rezultatele sale au arătat că rearanjarea pierderilor, o reacție chimică limitată anterior la laboratoarele de chimie specializate, era realizabilă în condiții fiziologice apoase de rutină și in vivo.

Studiul a identificat tulpini de E. coli auxotrofice capabile să transforme un substrat de pierdere adaptat în tulburări de creștere (PABA), confirmând integrarea rearanjarii pierderilor în mașinile celulare ale bacteriilor.

Studiul a mai arătat că aceste bacterii modificate au fost capabile să transforme nu numai deșeurile PET (bioremediere), ci și subvariantele lor îmbunătățite genetic (tulpinile ABH60 și care exprimă Panat) în paracetamol.

În cele din urmă, studiul a confirmat că acest sistem a funcționat în mod similar într-o serie de substraturi de pierdere și ținte de reacție, indicând o platformă generalizabilă pentru transformările chimice non-native în celulele vii.

Concluzii

Prezentul studiu arată potențialul cercetării chimiei biocompatibile în producția chimică revoluționată de mâine. Acesta demonstrează o tulpină nouă de bacterii E. coli care poate combina ingeniozitatea umană cu mașinile sale celulare naturale pentru a obține rearanjarea pierderilor. Canalizează produsele rezultate în creștere și producție farmaceutică, chiar și din deșeuri de plastic (PET).

Această cercetare estompează linia dintre chimie și biotehnologie și oferă o nouă cale de a recicla materialele și de a sintetiza compuși cu valoare adăugată. În timp ce acest proces este în prezent o dovadă a principiului și a rentabilității investiției și a stabilirii căii, această lucrare oferă o bază pentru sisteme durabile, bazate pe celule, care fuzionează reacțiile abiotice cu metabolismul.

Surse: