Hur en ny reaktion i E. coli hjälper till att återvinna plast till paracetamol

Hur en ny reaktion i E. coli hjälper till att återvinna plast till paracetamol

Forskare använder en ny reaktion i E. coli för att förvandla kasserad plast till livräddande mediciner, vilket skapar en hållbar väg för kemisk tillverkning.

AEn jämförelse av strategier för C-N-bindningsbildning genom förlustomarrangemang i syntetisk organisk kemi eller genom korismatvägar i cellulär metabolism.bDen föreslagna sammansmältningen av icke-enzymatisk avfallsförlustkemi med cellulär metabolism för hållbar syntes och bio-upcycling av plastavfall. LG, gruppen lämnar.

I en färsk studiepubliceras i tidskriftenNaturlig kemiForskarna visade ett unikt experiment där de aktiveradesEscherichia coliBakterier katalyserar en klassisk men ny kemisk reaktion:Den katalytiska omvandlingen av aktiverade acylhydroxamat till aminer.

Deras experiment markerar ett genombrott inom det relativt begynnande området för biokompatibla reaktioner. Det gjorde det möjligt för forskare att använda förlustretransmission, en katalytisk reaktion av syntetisk organisk kemi ny i naturen, för att omvandla plastavfall (polyetylentereftalat [PET]) till paracetamol. Genom att blanda syntetisk kemi med levande system är studien banbrytande för en ny våg av biodrift där mikrober återvinner vårt avfall och ger oss livräddande mediciner.

bakgrund

Det globala bioteknologiska maskineriet använder mikrober, särskilt Escherichia coli, som arbetshästar för billig, effektiv och storskalig produktion av flera värdefulla kemikalier. Tyvärr är traditionell bioteknik begränsad i sin förmåga att manipulera de genetiska verktygssatserna för mikrober och begränsar kraftigt omfattningen av dess tillämpningar. Flera kemiska reaktioner, såsom förlust-förlust omarrangemang, förblir begränsade till syntetisk kemi laboratorier och deras associerade skalbarhet nackdelar.

För att ta itu med denna begränsning och utöka bioteknikens inverkan tar ett relativt nytt koncept som kallas "biokompatibel kemi" snabbt fart. Konceptet kombinerar mänskliga icke-enzymatiska organiska reaktioner och naturlig cellulär metabolism, vilket avsevärt utökar råvarumikroberna som kan producera dem.

Även om biokompatibel kemi teoretiskt sett skulle kunna göra det möjligt att omvandla genetiskt modifierade mikrober för att omvandla avfall till biobränslen eller till och med läkemedel, måste den komplexa utmaningen att uppnå ogiftig, effektiv kemi under fysiologiska förhållanden mötas. Hittills har det varit en betydande utmaning att uppnå denna känsliga balans.

Om studien

I den aktuella studien fann forskare att fosfatjoner som finns i vanliga bakteriella tillväxtmedier kan katalysera förlustomläggning under biologiskt kompatibla förhållanden. Beskrevs 1872 av Wilhelm Losssen, detta tidigare syntetiska kemi laboratoriebegränsade experiment involverar fosfatkatalyserad omlagring av en fenylhydroxamatester till en primär aminprodukt.

För att reproducera förlustomlagringar i levande celler synkroniserade forskarna först ett aktiverat hydroxamatsubstrat med en para-karboxylgrupp. I vattenhaltiga M9-medier vid 37 °C katalyserar fosfat i tillväxtmediet detta substrat till para-aminobensoat (PABA), en viktig prekursor för folatbiosyntes.

De testade upplägget med hjälp av auxotrofa E. coli-stammar som saknade PABA/B (δPABB eller ΔPABA/B) eller AROC-gener, så efter att förlustsubstratet tillsattes återupptog bakterierna tillväxten, en process som kallas "auxotroph rescue". Detta tyder på att bakterierna nu kan utföra förlustreaktionen och använda denna produkt som en näringskälla, vilket fungerar som en tydlig funktionell avläsning om att reaktionen framgångsrikt har integrerats i E. coli-metabolismen.

För att demonstrera tillämpningspotentialen för denna nya E. coli-stam, genomförde forskare två sekventiella experiment: 1. PET-härlett substrat och 2. Paracetamolsyntes. Forskarna bearbetade först en flaska polyetylentereftalat (PET) till en prekursor för hydroxamatförlust utanför cellen. De odlade sedan en näringsriktad kultur av deras konstruerade E. coli på dess förlustprekursor, och återvann det som återvanns (med en hastighet av cirka 0,33 H⁻¹), vilket visar omvandlingen av plast till näringsämne.

Slutligen använde de genetiskt modifierade E. coli-stammar som uttrycker O₂- och NADH-beroende aminobensoathydroxylas (ABH60) och acetyl-CoA-beroende arylamin N-acyltransferas (PANAT) gener, härrörande från en svamp respektive en annan bakterie, för att omvandla deras Lossen-parace-hydroximoltasor (para-hydroximoltasor). Inledande försök med en enda teknisk belastning resulterade i bildandet av oönskade biprodukter; Forskarna åtgärdade detta genom att utveckla ett mer effektivt tvåstamssystem, där varje stam utförde ett steg av konvertering.

Studieresultat

Denna studie markerar en milstolpe inom biokompatibel kemiforskning, som visar att kemiskt syntetiserade icke-enzymatiska organiska föreningar kan integreras i den naturliga världen och bearbetas med hjälp av redan existerande värdmetabolism, vilket avsevärt utökar omfattningen av morgondagens bioteknik. Hans resultat visade att förlustomläggning, en kemisk reaktion som tidigare begränsades till specialiserade kemilaboratorier, var möjlig att uppnå under rutinmässiga vattenfysiologiska förhållanden och in vivo.

Studien identifierade auxotrofa E. coli-stammar som kan omvandla ett skräddarsytt förlustsubstrat till tillväxtstörning (PABA), vilket bekräftar integrationen av förlustomarrangemang i bakteriens cellulära maskineri.

Studien visade vidare att dessa konstruerade bakterier kunde omvandla inte bara PET-avfall (bioremediering), utan också deras genetiskt förbättrade subvarianter (ABH60 och Panat-uttryckande stammar) till paracetamol.

Slutligen bekräftade studien att detta system fungerade på liknande sätt i en rad förlustsubstrat och reaktionsmål, vilket indikerar en generaliserbar plattform för icke-infödda kemiska transformationer i levande celler.

Slutsatser

Den aktuella studien visar potentialen för biokompatibel kemiforskning i morgondagens revolutionerade kemiska produktion. Den visar en ny stam av E. coli-bakterier som kan kombinera mänsklig uppfinningsrikedom med dess naturliga cellulära maskineri för att uppnå förlustomordning. Det kanaliserar de resulterande produkterna till tillväxt och läkemedelsproduktion, även från plastavfall (PET).

Denna forskning suddar ut gränsen mellan kemi och bioteknik och erbjuder en ny väg att återvinna material och syntetisera mervärdesföreningar. Även om denna process för närvarande är ett bevis på principen och avkastningen på investeringar och optimering av vägar, ger detta arbete en grund för hållbara, cellbaserade system som kombinerar abiotiska reaktioner med metabolism.

Källor: