Специалисты по химии и биологии изменили кишечную палочку так, чтобы та перерабатывала ПЭТ — пластик, который часто встречается в нашей жизни. Благодаря этим бактериям отходы от пластиковых бутылок превращаются в ацетаминофен — вещество, которое используется в составе парацетамола.
Проблема загрязнения пластмассой актуальна по всему миру. полиэтилентерефталатПолиэтилентерефталат (ПЭТ) применяется для изготовления бутылок, контейнеров и волокон. Ежегодное производство ПЭТ превышает 50 миллионов тонн. Большая часть продукции становится мусором после единократного использования. Существующие методы переработки не всегда эффективны и экономически оправданны, поэтому ученые разрабатывают новые способы утилизации пластиковых отходов.
Параллельно с решением глобальной задачи о переходе на возобновляемое сырье стоит задача в химической промышленности. Многие лекарства, красители и важные вещества получают из ископаемого топлива, например нефти. Биотехнологии предлагают использовать микроорганизмы для синтеза нужных соединений из более экологичных источников.
Природный «инструментарий» бактерий ограничен. Чтобы расширить возможности, исследователи встраивают в живые клетки химические реакции, отсутствующие в природе. Такой подход позволяет создавать уникальные производственные цепочки, где микробы выполняют роль миниатюрных химических фабрик. Новая работа объединила решение двух проблем: переработки пластика и создания устойчивого производства лекарств.
Учёные изучали распространённую кишечную палочку. Escherichia coliХорошо изученный метаболизм упрощает генетическую модификацию. Задача состояла в том, чтобы внедрить новую для неё химическую реакцию в клетку — перегруппировку Лоссена.
Это метод органической химии, позволяющий переделывать органические молекулы в амины — важную составляющую многих промышленных веществ и лекарств. опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Первоначально исследователи изучили возможность проведения реакции в пределах живого организма без повреждения последнего. E. coli, который не способен самостоятельно производить пара-аминобензойную кислоту Бактерия не способна синтезировать необходимые ей нуклеотиды и фолиевую кислоту без ПАБК, что приводит к гибели.
В питательную среду внесли специальное исходное вещество — субстрат для перегруппировки Лоссена. Предполагалось, что если реакция внутри клетки завершится благополучно, из субстрата образуется ПАБК, и микробная культура начнет размножаться. В случае неудачи реакции или её токсичности роста не произойдет.
Бактерии выжили и размножились без специальных катализаторов, обычно ускоряющих перегруппировку Лоссена. Анализ показал, что ролью катализатора стали фосфат-ионы — соединения фосфора, в большом количестве присутствующие в питательной среде и внутри клеток. Ученые доказали биосовместимость новой реакции и открыли неожиданную роль фосфатов в клеточной химии.
В ходе следующего шага исследователи подключили к процессу реальные пластиковые отходы. Из обычной бутылки из ПЭТ химическим путем разложили ее до мономера — терефталевой кислоты. Из этого вещества синтезировали тот же субстрат для перегруппировки Лоссена, что и в первом эксперименте.
В среду с соединением из пластика поместили модифицированные кишечные палочки. Бактерии использовали его, росли и размножались со скоростью, сравнимой с ростом на чистом, лабораторно синтезированном субстрате. Это подтверждает возможность использования ПЭТ-отходов как сырья для микробиологического синтеза.
Созданием полной цепи от пластика до лекарства стали заниматься, а завершающим этапом этого процесса стало получение ПАБК из ПЭТ бактериями.
Для завершения преобразования учёные внедрили в геном. E. coli Два гена, отвечающие за ферменты гриба. Agaricus bisporus и бактерии Pseudomonas aeruginosaПервый из компонентов преобразует ПАБК в 4-аминофенол, а второй присоединяет к нему ацетильную группу, получая таким образом парацетамол.
Благодаря оптимизации процесс достиг высокой эффективности. Во время однореакторного двухстадийного процесса выход парацетамола из сырья, полученного из пластиковых бутылок, составил 92 %.
Научные исследования выявили принципиально новый способ апсайклинга, преобразующего отходы в более ценные материалы. Ученые успешно внедрили искусственную химическую реакцию в метаболизм живой клетки и направили ее работу на пользу человека. В результате появился полный производственный цикл: от пластикового мусора до одного из самых востребованных лекарств.
