末日了不用慌：教你怎么用垃圾炼药

引言：在游戏里求生的时候你是否经常为缺药感到不安，随处可见的塑料垃圾却无用武之地。

实际上，塑料垃圾一直是地球环境的一大难题。每年约 2400 万吨PET塑料被丢弃，它们堆积在垃圾填埋场或被焚烧，对生态造成巨大压力。

图片来源网络

但最近一项发表在《Nature》杂志上的研究带来了一种新的可能：

科学家让大肠杆菌掌握了一种特殊的化学反应 Lossen 重排，这种细菌不仅能消化塑料，还能把塑料变成有用的药物（比如扑热息痛）原料。

Lossen 重排是： 1872 年发现的有机反应，能把特定的羧酸衍生物变成胺类化合物。

一、大肠杆菌和Lossen 重排反应

大肠杆菌原本并不会 Lossen 重排这种化学反应。过去，这个反应需要金属催化剂或高温条件，而研究团队发现，在大肠杆菌体内，磷酸盐就能催化这个反应，而且条件温和，不会伤害细菌。

来源：原论文图1

研究团队做了个巧妙实验：

改造大肠杆菌，让它无法自己合成对氨基苯甲酸（PABA）。（这种物质是细菌生长必需的）

然后给它喂一种能发生 Lossen 重排的底物，结果发现细菌竟然能利用这个反应自己生成 PABA，恢复生长。

这说明 Lossen 重排在细菌体内真的发生了。

来源：原论文图2

原文解释如下：
a，通过洛森重排进行营养缺陷型拯救实验。
b，在 1 和各种过渡金属催化剂存在下，大肠杆菌 BW25113∆pabB 营养缺陷型恢复后的培养物照片。
c，通过分光光度法测量培养物密度。
d，在对氨基苯甲酸（PABA）或 1 存在下培养的大肠杆菌 BW25113∆pabB 的营养缺陷型拯救生长曲线。延长的延迟期是由于起始接种物稀释 105 倍，这是确保在无 PABA 时无背景生长所必需的。
e，在 PABA 或 1 存在下培养的大肠杆菌 BW25113∆pabB 培养物的平板计数测定。
f，体外实验研究 M9 培养基成分对 1 的洛森重排的影响。
g，提出的 1 经磷酸催化洛森重排为 PABA 以及 O - 酰化和 N - 甲基化对照化合物 2 和 3 的体外反应性。
h，在有和没有代谢活性细胞存在下，使用 200µM 1 进行底物消耗测定。***P<0.0005（t 检验）。所有数据均表示为三个生物学重复的平均值 ± 标准差。

二、PET 生物修复

PET 塑料瓶的主要成分是对苯二甲酸，科学家尝试把它做成 Lossen 重排的底物。

研究团队从废弃塑料瓶中提取对苯二甲酸，经过两步化学反应制成底物，再喂给需要 PABA 的大肠杆菌。

结果令人惊喜：细菌不仅靠这个底物生长，还把它转化成了 PABA，同时消耗了塑料来源的化合物。

来源：原论文图3

原文解释如下：
a，从 PET 废料合成洛森重排底物以及通过营养缺陷型恢复的 PET 生物修复策略。
b，营养缺陷型挽救过程中 96 孔板实验的生长曲线。为清晰起见，省略误差条。
c，使用 PET 衍生底物进行营养缺陷型挽救实验的照片。
d，在使用 1µM PET - 1 的 Falcon 管中进行生长实验时底物消耗（灰色）和干细胞重量（d.c.w.）产生（蓝色）。应用每 OD600 为 0.33 克 / 升的转换因子。所有数据均显示为一式三份实验，误差为一个标准差。(i) 氢氧化钠，乙醇 / 水，回流，10 小时。(ii) T3P，二异丙基乙胺，H2NOPiv・TfOH，四氢呋喃，0°C 至室温，16 小时。

三、划重点！之后研究团队还尝试让大肠杆菌兼职合成药物。

扑热息痛是常用的退烧药，传统生产依赖化石燃料。

在大肠杆菌中引入两个新基因，让它能把 Lossen 重排生成的 PABA 进一步转化为 4 - 氨基苯酚，再乙酰化变成扑热息痛。

通过优化反应条件，用塑料来源的底物能高产扑热息痛。

来源：原论文图4

原文解释如下：
a，在大肠杆菌中将洛森重排与天然和工程化生物合成途径相连接。
b，使用大肠杆菌 BW25113ΔpabB 和 1 或 PET-1 将二甲基丙二酸二甲酯（5）生物转化为二甲基琥珀酸（6），并将 β- 酮基丙烯酸酯 7 转化为 γ- 酮基酯 8。
c，一种结合非酶促洛森重排、质粒设计和全细胞生产实验的 4 - 氨基苯酚（9）和对乙酰氨基酚 10 的从头生物合成途径。
d，通过一锅法洛森重排和细菌全细胞合成对乙酰氨基酚。大肠杆菌_p350 菌株表达 ABH60，大肠杆菌_p354 菌株表达 PANATK211G。比例指生物转化中大肠杆菌_p354 和大肠杆菌_p350 的比例（1:1，OD600 为 26；1:5，OD600 为 16；1:100 和 1:200，OD600 为 12.5）。
最终细胞密度 OD600 为 25。OD 指在 600 纳米处的最终光密度。用 0.5% L - 阿拉伯糖诱导细胞。
反应条件：（i）底物（0.5 mM），磷酸钾水溶液（200 mM，pH 8.0），50°C，48 小时；（ii）大肠杆菌_p354 和大肠杆菌_p350（1:10；OD600 为 20）。生物转化通过相对于三甲氧基苯内标的 1H NMR 或相对于咖啡因内标的 HPLC 进行分析。所有数据均以三个生物学重复的平均值 ± 标准差表示。