Kako nova reakcija v E. coli pomaga reciklirati plastiko v paracetamol

Kako nova reakcija v E. coli pomaga reciklirati plastiko v paracetamol

Znanstveniki uporabljajo novo reakcijo v bakteriji E. coli, da zavrženo plastiko spremenijo v zdravila, ki rešujejo življenja, in s tem vzpostavijo trajnostno pot za kemično proizvodnjo.

APrimerjava strategij za tvorbo vezi C-N s preureditvijo izgub v sintetični organski kemiji ali s korizmatnimi potmi v celičnem metabolizmu.bPredlagano zlitje neencimske kemije izgube odpadkov s celičnim metabolizmom za trajnostno sintezo in biološko predelavo plastičnih odpadkov. LG, skupina zapušča.

V nedavni študijiobjavljeno v revijiNaravna kemijaRaziskovalci so pokazali edinstven poskus, v katerem so bili aktiviraniEscherichia coliBakterije katalizirajo klasično, a novo kemično reakcijo:Katalitska transformacija aktiviranih acil hidroksamatov v amine.

Njihov eksperiment pomeni preboj na razmeroma nastajajočem področju biokompatibilnih reakcij. Raziskovalcem je omogočila uporabo ponovnega prenosa izgube, katalitične reakcije sintetične organske kemije, ki je nova v naravi, za pretvorbo plastičnih odpadkov (polietilen tereftalat [PET]) v paracetamol. Z mešanjem sintetične kemije z živimi sistemi je študija začetnik novega vala biooperacij, v katerih mikrobi reciklirajo naše odpadke in nam dajejo zdravila, ki rešujejo življenja.

ozadje

Globalni biotehnološki stroji uporabljajo mikrobe, zlasti Escherichio coli, kot vlečne konje za poceni, učinkovito in obsežno proizvodnjo več dragocenih kemikalij. Na žalost je tradicionalna biotehnologija omejena v svoji zmožnosti manipulacije z genetskimi orodji mikrobov in močno omejuje obseg svojih aplikacij. Številne kemijske reakcije, kot je preureditev izgube-izgube, ostajajo omejene na laboratorije za sintetično kemijo in z njimi povezane slabosti glede razširljivosti.

Da bi odpravili to omejitev in razširili vpliv biotehnologije, razmeroma nov koncept, imenovan "biokompatibilna kemija", hitro pridobiva zagon. Koncept združuje človeške neencimske organske reakcije in naravni celični metabolizem, kar znatno razširi surovinske mikrobe, ki jih lahko proizvajajo.

Medtem ko bi biokompatibilna kemija teoretično lahko omogočila pretvorbo gensko spremenjenih mikrobov za pretvorbo odpadkov v biogoriva ali celo farmacevtske izdelke, je treba rešiti zapleten izziv doseganja netoksične, učinkovite kemije v fizioloških pogojih. Doslej je bilo doseganje tega občutljivega ravnovesja velik izziv.

O študiju

V tej študiji so raziskovalci ugotovili, da lahko fosfatni ioni, prisotni v standardnih medijih za rast bakterij, katalizirajo preureditev izgube v biološko združljivih pogojih. Ta prej sintetični kemijski laboratorijsko omejen poskus, ki ga je leta 1872 opisal Wilhelm Losssen, vključuje fosfatno katalizirano preureditev fenilhidroksamatnega estra v produkt primarnega amina.

Za reprodukcijo preureditev izgube v živih celicah so raziskovalci najprej sinhronizirali aktivirani hidroksamatni substrat s para-karboksilno skupino. V vodnem mediju M9 pri 37 °C fosfat v rastnem mediju katalizira ta substrat v para-aminobenzoat (PABA), bistveni prekurzor za biosintezo folata.

Preizkusili so nastavitev z uporabo avksotrofnih sevov E. coli, ki niso imeli genov PABA/B (δPABB ali ΔPABA/B) ali AROC, tako da so po dodajanju substrata za izgubo bakterije ponovno začele rasti, proces, imenovan "reševanje avksotrofov". To nakazuje, da lahko bakterije zdaj izvedejo reakcijo izgube in uporabijo ta izdelek kot vir hranil, kar služi kot jasen funkcionalni odčitek, da se je reakcija uspešno vključila v metabolizem E. coli.

Za prikaz potenciala uporabe tega novega seva E. coli so raziskovalci izvedli dva zaporedna poskusa: 1. Substrat, pridobljen iz PET, in 2. Sinteza paracetamola. Raziskovalci so najprej predelali steklenico polietilen tereftalata (PET) v predhodnik izgube hidroksamata zunaj celice. Nato so gojili kulturo, ciljno usmerjeno na hranila, njihovega inženirstva E. coli na njenem predhodniku izgube, pri čemer so pridobili pridobljeno (s hitrostjo približno 0,33 H⁻¹), kar je pokazalo pretvorbo plastike v hranilo.

Nazadnje so uporabili gensko spremenjene seve E. coli, ki izražajo O₂- in NADH-odvisne gene aminobenzoat hidroksilaze (ABH60) in acetil-CoA-odvisne arilamino N-aciltransferaze (PANAT), pridobljene iz glive oziroma druge bakterije, da bi pretvorili njihov prekurzor Lossen v para-hidroksiacetanilid (paracetamol). Začetni poskusi z eno samo tehnično obremenitvijo so povzročili nastanek nezaželenih stranskih produktov; Raziskovalci so se tega lotili z razvojem učinkovitejšega sistema dveh sevov, pri čemer je vsak sev izvedel en korak pretvorbe.

Rezultati študije

Ta študija predstavlja mejnik v raziskavah biokompatibilne kemije, ki dokazuje, da je mogoče kemično sintetizirane neencimske organske spojine integrirati v naravni svet in obdelati z uporabo že obstoječe presnove gostitelja, s čimer se bistveno razširi obseg jutrišnje biotehnologije. Njegovi rezultati so pokazali, da je prerazporeditev izgub, kemična reakcija, ki je bila prej omejena na specializirane kemijske laboratorije, dosegljiva v rutinskih vodnih fizioloških pogojih in in vivo.

Študija je identificirala avksotrofne seve E. coli, ki so sposobni pretvoriti prilagojeni substrat izgube v motnjo rasti (PABA), kar potrjuje integracijo preureditve izgube v celični stroj bakterije.

Študija je nadalje razkrila, da so bile te spremenjene bakterije sposobne pretvoriti ne le odpadke PET (bioremediacija), ampak tudi njihove gensko izboljšane podrazličice (ABH60 in sevi, ki izražajo Panat) v paracetamol.

Končno je študija potrdila, da je ta sistem deloval podobno v nizu substratov za izgubo in reakcijskih ciljev, kar kaže na posplošljivo platformo za tujerodne kemične transformacije v živih celicah.

Sklepi

Ta študija prikazuje potencial biokompatibilnih kemijskih raziskav v revolucionarni kemični proizvodnji jutrišnjega dne. Predstavlja nov sev bakterije E. coli, ki lahko združi človeško iznajdljivost s svojim naravnim celičnim strojem, da doseže preureditev izgub. Nastale izdelke usmerja v rast in farmacevtsko proizvodnjo, tudi iz plastičnih odpadkov (PET).

Ta raziskava briše mejo med kemijo in biotehnologijo ter ponuja novo pot za nadgradnjo materialov in sintezo spojin z dodano vrednostjo. Medtem ko je ta proces trenutno dokaz načela in optimizacije donosnosti naložbe ter določanja poti, to delo zagotavlja osnovo za trajnostne sisteme, ki temeljijo na celicah in združujejo abiotske reakcije s presnovo.

Viri: