Forscher verwandeln Plastik in Paracetamol
Bild: KI-generiert
Forscher verwandeln Plastik in Paracetamol – Forscher der Universität Edinburgh haben einen Escherichia coli-Stamm entwickelt, der auf kleinen Molekülen aus Plastikflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) basiert. Der von ihnen entwickelte synthetische Stoffwechselprozess wandelt fast 100 % der PET-Substrate in das weltweit am häufigsten verwendete Schmerzmittel Paracetamol um.
Die konventionelle Arzneimittelproduktion hat einen enormen CO2-Fußabdruck und ist 55 % emissionsintensiver als die Automobilindustrie. Dieses neue Verfahren hingegen erzeugt nahezu keine CO2-Emissionen. Die Forscher gehen davon aus, dass Plastikmüll von einer Umweltbelastung in einen Rohstoff für pharmazeutische Produkte umgewandelt werden könnte.
Durchbruch
Die Forschung wurde von Stephen Wallace, einem Forscher auf dem Gebiet der chemischen Biotechnologie, geleitet. Dem Team ist es erstmals gelungen, die Lossen-Umlagerung – eine synthetische Reaktion – mit dem Stoffwechsel eines lebenden Organismus zu kombinieren. Ohne Zellen zu schädigen oder ihre natürlichen biologischen Funktionen zu stören.
Der Prozess
Diese 1872 von Wilhelm Lossen entdeckte nichtenzymatische Reaktion wandelt Hydroxamatester in Isocyanate und anschließend in Amine um. Die Forscher entwickelten eine Umlagerung, die mit einem O-Acyl-substituierten Hydroxamatestersubstrat beginnt und p-Aminobenzoesäure (PABA) produziert, einen für das Wachstum von E. coli essentiellen Nährstoff. Als das Team PABA-defiziente E. coli-Kulturen in Gegenwart des Substrats und verschiedener Übergangsmetallkatalysatoren züchtete, stellte es fest, dass die Bakterien auch ohne Katalysatoren wuchsen. Weitere Tests zeigten, dass das Lossen-Substrat in Gegenwart von Phosphat im Wachstumsmedium in PABA umgewandelt werden konnte.
„Diese Reaktion läuft ohne Enzyme ab, wird von Zellen gut toleriert und durch Phosphat und aktiven Bakterienstoffwechsel stimuliert. Das macht sie zu einem vielversprechenden Weg für biokompatible chemische Transformationen“, so Wallace.
Nächste Stufe
Obwohl die Forscher zunächst prüfen wollten, ob synthetische Produkte sicher in mikrobiellen Zellen hergestellt werden können, erkannten sie, dass Lossen-Substrate auch aus Abfallstoffen hergestellt werden können. Durch die Zerlegung von PET-Kunststoff in Terephthalsäure kann eine modifizierte Version des Lossen-Substrats, genannt PET-1, entstehen, das als Vorstufe für die Produktion von PABA dient. Vor diesem Hintergrund untersuchte das Team, ob gentechnisch veränderte E. coli-Bakterien einen völlig neuen Stoffwechselweg zur Herstellung von Paracetamol aus PET-1 schaffen könnten.
Ein Hinweis auf die Ausbeute
Die resultierende Lossen-Umlagerung beginnt bei 50 °C in einem Phosphatpuffer, gefolgt von der Zugabe von PABA-defizienten E. coli-Zellen, die PANAT und ABH60 exprimieren, zwei mikrobielle Enzyme, die für die Synthese von Paracetamol aus PABA verantwortlich sind. Die Inkubation der Zellen bei 37 °C führte zu einer Paracetamol-Produktion von 83 % aus PET-1. Eine weitere Optimierung durch Anpassung der Proteinexpressionsbedingungen führte zu einer noch höheren Ausbeute von 92 %.
Antwort eines unabhängigen Biochemikers
Mikael Elias, Biochemiker der University of Minnesota, der nicht an der Studie beteiligt war, findet die Ausbeute von 92 % wirklich beeindruckend. Er erklärt, dass die Erweiterung biologischer Systeme mit synthetischen Katalysatoren, Kofaktoren und zusätzlichen nichtnatürlichen Aminosäuren eine vielseitige Plattform schaffen und die chemischen Möglichkeiten innerhalb dieser Systeme erweitern könnte.
Hindernisse und Chancen
Die Industrie setzt zunehmend auf eine nachhaltige Produktion, doch Elias weist darauf hin, dass die kommerzielle Umsetzung dieser Technologie mit mehreren Hindernissen konfrontiert sein könnte, darunter die Bewältigung komplexer regulatorischer Prozesse. Er sieht aber auch weitere Möglichkeiten: „Die Technologie könnte in bestehende enzymatische PET-Depolymerisationstechnologien integriert werden, um umfassende und zirkuläre Plattformen für die Abfallwirtschaft und die Pharmaindustrie zu schaffen“, sagt Elias.
Quelle: C&EN CHEMICAL &ENGINEERING NEWS
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