Современная наука постоянно стремится расширить возможности биотехнологии, объединяя достижения химии и микробиологии для создания новых устойчивых производственных процессов. Одно из последних значимых открытий в этой области — внедрение биосовместимой реакции перестройки Лоссена в бактерии Escherichia coli, что знаменует собой новое направление в интеграции абиотической химии и живых систем. Этот подход открывает перспективы для разработки экологичных методов синтеза ценных соединений, а также для эффективного использования пластиковых отходов, которые традиционно представляют серьезную экологическую проблему. Перестройка Лоссена — классическая химическая реакция, впервые описанная в XIX веке, при которой активированные гидроксаматные соединения превращаются в первичные амины через образование изоцианатов. Хотя данная реакция широко использовалась в синтетической органической химии, ее применение в живых клетках до недавнего времени считалось невозможным из-за токсичности реагентов и условий протекания.
Уникальность новой разработки заключается в том, что исследователям удалось обеспечить условия, при которых перестройка Лоссена происходит в бактериальных клетках Escherichia coli, не нарушая их жизнеспособность, то есть в биосовместимом режиме. Ключевым фактором успеха стал катализатор на основе фосфатов, естественно присутствующих в клеточной среде, который активирует субстраты перестройки и обеспечивает прохождение реакции при нейтральном pH и комнатной температуре. Такой мягкий катализ позволяет избежать использования тяжелых металлов или агрессивных химических реагентов, делая процесс экологически безопасным и перспективным для масштабирования. С помощью данного биосовместимого процесса удалось преобразовывать активированные гидроксаматы в первичные амины, в частности, в пара-аминобензойную кислоту (ПАБК) — важный метаболит, необходимый бактериям для синтеза фолиевой кислоты. Это позволило доказать концепцию так называемого «восстановления аустротрофов» — когда бактерия, неспособная самостоятельно синтезировать ПАБК, возвращает способность к росту благодаря биосовместимой реакции в присутствии соответствующего субстрата.
Такой подход открывает новые горизонты в управлении ростом и метаболизмом микроорганизмов путем подачи нестандартных химических веществ, преобразующихся непосредственно внутри клеток. Значимость открытия дополнительно усиливается возможностью синтеза исходных гидроксаматных субстратов из отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ) — широко распространенного пластикового материала, используемого для производства бутылок и упаковки. Превращение ПЭТ в пригодные для реакции ламенты и последующая их трансформация внутри Escherichia coli демонстрируют инновационный путь биоремедиации пластиков и их «апсайклинга» — получения ценных химических веществ из отходов. Такая интеграция химии и микробиологии не только помогает снизить нагрузку на окружающую среду, но и создает новые экономические возможности для промышленности. После успешного доказательства работоспособности перестройки Лоссена в живых клетках, исследователи продвинулись дальше и связали этот процесс с производством фармацевтических соединений.
В частности, была реализована схема биотрансформации, при которой продукт перестройки — ПАБК — поступал в искусственно сконструированный метаболический путь синтеза парацетамола. Парацетамол — одна из самых востребованных в мире лекарственных субстанций для обезболивания и снижения температуры — традиционно синтезируется химическими способами с использованием нефте-химических компонентов. Новая биосинтетическая стратегия позволяет получить этот препарат из биологически доступных и экологически чистых субстратов, включая ПЭТ-производные, через последовательность ферментативных реакций в бактериях, что существенно повышает устойчивость производства и снижает влияние на окружающую среду. Важным элементом реализации сложных биотрансформаций является создание оптимальных конструктов плазмид с целевыми генами ферментов, таких как аминобензоат-гидроксилаза и N-ацетилтрансфераза, регулируемых разными промоторами. Это позволило добиться эффективного конвертирования ПАБК в парацетамол с высокими выходами и минимальным образованием побочных продуктов.
Разделение ферментативных стадий между разными штаммами бактерий дополнительно улучшило общую производительность системы. Преимущества использования биосовместимой перестройки Лоссена выходят далеко за рамки одной только биосинтезной химии. Возможность расширения набора реакций, доступных в живых системах, открывает новые подходы к метаболическому инженерному дизайну, где абиотические реакции дополняют и дополняются ферментативными процессами. Это значительно расширяет границы биосинтеза, позволяя создавать соединения, которые раньше было невозможно получить биологическим путем. Внедрение таких новых реакций также способствует разработке эффективных биокаталитических процессов в живых клетках, которые могут быть интегрированы в промышленные ферментационные технологии.
Использование природных катализаторов и мягких условий реакции снижает энергетические затраты и потребление вредных реагентов, что критически важно с точки зрения устойчивого развития и «зеленой» химии. Кроме того, синтез субстратов реакции из пластиковых отходов и их дальнейшее био-преобразование в ценные продукты становится важным звеном в решении глобальной проблемы загрязнения окружающей среды, связанной с накоплением пластика. Благодаря таким биотехнологиям появляется возможность не просто перерабатывать отходы, а превращать их в биомассу и сырье для химического производства, создавая замкнутый цикл использования ресурсов. Перспективы дальнейших исследований включают изучение различных вариантов биосовместимых реакций, расширение диапазона применимых субстратов и создание интегрированных кузнецов метаболизма и химии в различных микроорганизмах. Также важным направлением является оптимизация ферментативных путей для повышения эффективности и выхода целевых продуктов, а также разработка масштабируемых биореакторных процессов для промышленного применения.
Новый подход ученых демонстрирует, что соединение классической органической химии с микробиологией и биотехнологией способно открывать уникальные возможности для создания устойчивых производственных систем. Биосовместимая перестройка Лоссена в Escherichia coli — яркий пример синергии между химией и биологией, который может стать основой для экологичных и экономичных методов производства лекарств, химикатов и переработки отходов. Таким образом, современная биотехнология входит в новую эру, где живые организмы становятся не только фабриками по синтезу природных веществ, но и универсальными биокатализаторами для широкого спектра химических реакций, ранее доступных лишь в пробирке. Это усиливает роль синтетической биологии и химической инженерии в решении социальных и экологических задач современного мира, открывая путь к более устойчивому и зеленому будущему.
