末日了不用慌：教你怎麼用垃圾煉藥

引言：在遊戲裏求生的時候你是否經常爲缺藥感到不安，隨處可見的塑料垃圾卻無用武之地。

實際上，塑料垃圾一直是地球環境的一大難題。每年約 2400 萬噸PET塑料被丟棄，它們堆積在垃圾填埋場或被焚燒，對生態造成巨大壓力。

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但最近一項發表在《Nature》雜誌上的研究帶來了一種新的可能：

科學家讓大腸桿菌掌握了一種特殊的化學反應 Lossen 重排，這種細菌不僅能消化塑料，還能把塑料變成有用的藥物（比如撲熱息痛）原料。

Lossen 重排是： 1872 年發現的有機反應，能把特定的羧酸衍生物變成胺類化合物。

一、大腸桿菌和Lossen 重排反應

大腸桿菌原本並不會 Lossen 重排這種化學反應。過去，這個反應需要金屬催化劑或高溫條件，而研究團隊發現，在大腸桿菌體內，磷酸鹽就能催化這個反應，而且條件溫和，不會傷害細菌。

來源：原論文圖1

研究團隊做了個巧妙實驗：

改造大腸桿菌，讓它無法自己合成對氨基苯甲酸（PABA）。（這種物質是細菌生長必需的）

然後給它喂一種能發生 Lossen 重排的底物，結果發現細菌竟然能利用這個反應自己生成 PABA，恢復生長。

這說明 Lossen 重排在細菌體內真的發生了。

來源：原論文圖2

原文解釋如下：
a，通過洛森重排進行營養缺陷型拯救實驗。
b，在 1 和各種過渡金屬催化劑存在下，大腸桿菌 BW25113∆pabB 營養缺陷型恢復後的培養物照片。
c，通過分光光度法測量培養物密度。
d，在對氨基苯甲酸（PABA）或 1 存在下培養的大腸桿菌 BW25113∆pabB 的營養缺陷型拯救生長曲線。延長的延遲期是由於起始接種物稀釋 105 倍，這是確保在無 PABA 時無背景生長所必需的。
e，在 PABA 或 1 存在下培養的大腸桿菌 BW25113∆pabB 培養物的平板計數測定。
f，體外實驗研究 M9 培養基成分對 1 的洛森重排的影響。
g，提出的 1 經磷酸催化洛森重排爲 PABA 以及 O - 酰化和 N - 甲基化對照化合物 2 和 3 的體外反應性。
h，在有和沒有代謝活性細胞存在下，使用 200µM 1 進行底物消耗測定。***P<0.0005（t 檢驗）。所有數據均表示爲三個生物學重複的平均值 ± 標準差。

二、PET 生物修復

PET 塑料瓶的主要成分是對苯二甲酸，科學家嘗試把它做成 Lossen 重排的底物。

研究團隊從廢棄塑料瓶中提取對苯二甲酸，經過兩步化學反應制成底物，再餵給需要 PABA 的大腸桿菌。

結果令人驚喜：細菌不僅靠這個底物生長，還把它轉化成了 PABA，同時消耗了塑料來源的化合物。

來源：原論文圖3

原文解釋如下：
a，從 PET 廢料合成洛森重排底物以及通過營養缺陷型恢復的 PET 生物修復策略。
b，營養缺陷型挽救過程中 96 孔板實驗的生長曲線。爲清晰起見，省略誤差條。
c，使用 PET 衍生底物進行營養缺陷型挽救實驗的照片。
d，在使用 1µM PET - 1 的 Falcon 管中進行生長實驗時底物消耗（灰色）和幹細胞重量（d.c.w.）產生（藍色）。應用每 OD600 爲 0.33 克 / 升的轉換因子。所有數據均顯示爲一式三份實驗，誤差爲一個標準差。(i) 氫氧化鈉，乙醇 / 水，迴流，10 小時。(ii) T3P，二異丙基乙胺，H2NOPiv・TfOH，四氫呋喃，0°C 至室溫，16 小時。

三、劃重點！之後研究團隊還嘗試讓大腸桿菌兼職合成藥物。

撲熱息痛是常用的退燒藥，傳統生產依賴化石燃料。

在大腸桿菌中引入兩個新基因，讓它能把 Lossen 重排生成的 PABA 進一步轉化爲 4 - 氨基苯酚，再乙酰化變成撲熱息痛。

通過優化反應條件，用塑料來源的底物能高產撲熱息痛。

來源：原論文圖4

原文解釋如下：
a，在大腸桿菌中將洛森重排與天然和工程化生物合成途徑相連接。
b，使用大腸桿菌 BW25113ΔpabB 和 1 或 PET-1 將二甲基丙二酸二甲酯（5）生物轉化爲二甲基琥珀酸（6），並將 β- 酮基丙烯酸酯 7 轉化爲 γ- 酮基酯 8。
c，一種結合非酶促洛森重排、質粒設計和全細胞生產實驗的 4 - 氨基苯酚（9）和對乙酰氨基酚 10 的從頭生物合成途徑。
d，通過一鍋法洛森重排和細菌全細胞合成對乙酰氨基酚。大腸桿菌_p350 菌株表達 ABH60，大腸桿菌_p354 菌株表達 PANATK211G。比例指生物轉化中大腸桿菌_p354 和大腸桿菌_p350 的比例（1:1，OD600 爲 26；1:5，OD600 爲 16；1:100 和 1:200，OD600 爲 12.5）。
最終細胞密度 OD600 爲 25。OD 指在 600 納米處的最終光密度。用 0.5% L - 阿拉伯糖誘導細胞。
反應條件：（i）底物（0.5 mM），磷酸鉀水溶液（200 mM，pH 8.0），50°C，48 小時；（ii）大腸桿菌_p354 和大腸桿菌_p350（1:10；OD600 爲 20）。生物轉化通過相對於三甲氧基苯內標的 1H NMR 或相對於咖啡因內標的 HPLC 進行分析。所有數據均以三個生物學重複的平均值 ± 標準差表示。