Ako nová reakcia v E. coli pomáha recyklovať plast na paracetamol

Ako nová reakcia v E. coli pomáha recyklovať plast na paracetamol

Vedci používajú novú reakciu v E. coli na premenu vyradených plastov na lieky zachraňujúce životy, čím vytvárajú udržateľnú cestu pre chemickú výrobu.

APorovnanie stratégií tvorby väzby C-N prostredníctvom stratových preskupení v syntetickej organickej chémii alebo prostredníctvom chorizmátových dráh v bunkovom metabolizme.bNavrhovaná fúzia neenzymatickej chémie straty odpadu s bunkovým metabolizmom pre udržateľnú syntézu a bio-upcykláciu plastového odpadu. LG, skupina odchádza.

V nedávnej štúdiiuverejnené v časopisePrírodná chémiaVedci predviedli unikátny experiment, pri ktorom boli aktivovanéEscherichia coliBaktérie katalyzujú klasickú, ale novú chemickú reakciu:Katalytická transformácia aktivovaných acylhydroxamátov na amíny.

Ich experiment znamená prelom v relatívne vznikajúcej oblasti biokompatibilných reakcií. Umožnil výskumníkom použiť retransmisiu straty, katalytickú reakciu syntetickej organickej chémie novej v prírode, na premenu plastového (polyetyléntereftalátového [PET]) odpadu na paracetamol. Zmiešaním syntetickej chémie so živými systémami je štúdia priekopníkom novej vlny bioperácie, v ktorej mikróby recyklujú náš odpad a poskytujú nám lieky na záchranu života.

pozadia

Globálna biotechnologická mašinéria využíva mikróby, najmä Escherichia coli, ako ťahúňov na lacnú, efektívnu a vo veľkom meradle výrobu niekoľkých cenných chemikálií. Bohužiaľ, tradičná biotechnológia je obmedzená vo svojej schopnosti manipulovať s genetickými sadami mikróbov a výrazne obmedzuje rozsah jej aplikácií. Niekoľko chemických reakcií, ako je napríklad stratové preskupenie, zostáva obmedzené na laboratóriá syntetickej chémie a s nimi spojené nevýhody škálovateľnosti.

Na riešenie tohto obmedzenia a rozšírenie vplyvu biotechnológie rýchlo naberá na sile relatívne nový koncept nazývaný „biokompatibilná chémia“. Koncept spája ľudské neenzymatické organické reakcie a prirodzený bunkový metabolizmus, čo výrazne rozširuje surovinové mikróby, ktoré ich dokážu produkovať.

Zatiaľ čo biokompatibilná chémia by teoreticky mohla umožniť premenu geneticky modifikovaných mikróbov na premenu odpadu na biopalivá alebo dokonca liečivá, musí sa splniť komplexná výzva dosiahnutia netoxickej, účinnej chémie za fyziologických podmienok. Dosiahnutie tejto krehkej rovnováhy bolo doteraz významnou výzvou.

O štúdiu

V tejto štúdii výskumníci zistili, že fosfátové ióny prítomné v štandardných bakteriálnych rastových médiách môžu katalyzovať stratové preskupenie za biologicky kompatibilných podmienok. Tento predtým laboratórne limitovaný experiment syntetickej chémie, opísaný v roku 1872 Wilhelmom Losssenom, zahŕňa fosfátom katalyzované preskupenie fenylhydroxamátového esteru na primárny amínový produkt.

Na reprodukciu stratových preskupení v živých bunkách výskumníci najskôr synchronizovali aktivovaný hydroxamátový substrát s para-karboxylovou skupinou. Vo vodnom médiu M9 pri 37 °C fosfát v rastovom médiu katalyzuje tento substrát na para-aminobenzoát (PABA), nevyhnutný prekurzor pre biosyntézu folátu.

Testovali nastavenie pomocou auxotrofných kmeňov E. coli, ktorým chýbali gény PABA/B (δPABB alebo ΔPABA/B) alebo AROC, takže po pridaní stratového substrátu baktérie obnovili rast, proces nazývaný „záchrana auxotrofov“. To naznačuje, že baktérie môžu teraz vykonávať stratovú reakciu a používať tento produkt ako zdroj živín, ktorý slúži ako jasný funkčný údaj, že reakcia sa úspešne integrovala do metabolizmu E. coli.

Na demonštráciu aplikačného potenciálu tohto nového kmeňa E. coli výskumníci uskutočnili dva postupné experimenty: 1. Substrát odvodený od PET a 2. Syntéza paracetamolu. Výskumníci najskôr spracovali fľašu polyetyléntereftalátu (PET) na prekurzor straty hydroxamátu mimo bunky. Potom vypestovali na živiny zacielenú kultúru svojej upravenej E. coli na jej stratenom prekurzore, čím obnovili to, čo bolo obnovené (približne 0,33 H⁻¹), čo demonštruje premenu plastu na živinu.

Nakoniec použili geneticky modifikované kmene E. coli exprimujúce gény O₂ a NADH-dependentnej aminobenzoáthydroxylázy (ABH60) a acetyl-CoA-dependentnej arylamín-N-acyltransferázy (PANAT), ktoré pochádzajú z huby a inej baktérie, na premenu ich Lossenovho prekurzora na para-hydroxyacetanilid (). Počiatočné pokusy s jedinou technickou záťažou viedli k tvorbe nežiaducich vedľajších produktov; Výskumníci to riešili vývojom efektívnejšieho systému dvoch kmeňov, pričom každý kmeň vykonáva jeden krok konverzie.

Výsledky štúdie

Táto štúdia predstavuje míľnik v biokompatibilnom chemickom výskume, ktorý dokazuje, že chemicky syntetizované neenzymatické organické zlúčeniny môžu byť integrované do prírodného sveta a spracované pomocou už existujúceho metabolizmu hostiteľa, čím sa výrazne rozširuje rozsah biotechnológie zajtrajška. Jeho výsledky ukázali, že stratové preskupenie, chemická reakcia, ktorá bola predtým obmedzená na špecializované chemické laboratóriá, bola dosiahnuteľná za bežných vodných fyziologických podmienok a in vivo.

Štúdia identifikovala auxotrofné kmene E. coli schopné premeniť prispôsobený stratový substrát na poruchu rastu (PABA), čo potvrdzuje integráciu preskupenia strát do bunkového aparátu baktérií.

Štúdia ďalej odhalila, že tieto upravené baktérie boli schopné premeniť nielen PET odpad (bioremediácia), ale aj ich geneticky vylepšené subvarianty (kmene exprimujúce ABH60 a Panat) na paracetamol.

Nakoniec štúdia potvrdila, že tento systém fungoval podobne v rade stratových substrátov a cieľových reakcií, čo naznačuje zovšeobecniteľnú platformu pre neprirodzené chemické transformácie v živých bunkách.

Závery

Táto štúdia ukazuje potenciál biokompatibilného chemického výskumu v revolúcii chemickej výroby zajtrajška. Demonštruje nový kmeň baktérií E. coli, ktorý dokáže spojiť ľudskú vynaliezavosť s prirodzeným bunkovým aparátom, aby sa dosiahlo preskupenie strát. Výsledné produkty smeruje do rastu a farmaceutickej výroby, dokonca aj z plastového odpadu (PET).

Tento výskum stiera hranicu medzi chémiou a biotechnológiou a ponúka novú cestu k recyklácii materiálov a syntéze zlúčenín s pridanou hodnotou. Zatiaľ čo tento proces je v súčasnosti dôkazom princípu a optimalizácie návratnosti investícií a nastavenia cesty, táto práca poskytuje základ pre udržateľné systémy založené na bunkách, ktoré spájajú abiotické reakcie s metabolizmom.

Zdroje: