大肠杆菌中生物相容性Lossen重排反应实现塑料废弃物升级循环与药物合成

研究人员针对塑料废弃物回收利用和可持续化学合成的挑战，在大肠杆菌(E. coli)中开发了磷酸盐催化的生物相容性Lossen重排反应，成功将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衍生物转化为对氨基苯甲酸(PABA)等高值化合物，并构建了从塑料废物到解热镇痛药对乙酰氨基酚(paracetamol)的全合成路径，为生物制造和塑料升级循环提供了新范式。

　　

自然界生物体的化学反应工具箱极为有限，而合成化学虽能创造丰富反应类型，却难以与生命系统兼容。这一矛盾制约了利用生物体系可持续生产高值化学品的能力。与此同时，全球每年产生约2400万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料垃圾，传统处理方式造成严重环境负担。如何将合成化学的强大反应性与生物体系的可持续性相结合，并实现塑料废弃物的高值转化，成为化学与生物技术领域的重大挑战。

爱丁堡大学Stephen Wallace团队在《Nature Chemistry》发表的研究中，首次报道了磷酸盐介导的生物相容性Lossen重排反应。该反应能在大肠杆菌内将活化酰基羟胺转化为伯胺类代谢物，并通过营养缺陷型菌株生长调控、全细胞催化等策略，实现了从PET塑料瓶到必需代谢物PABA，最终到药物对乙酰氨基酚的级联转化。

研究采用的关键技术包括：(1) 设计基于PABA营养缺陷型大肠杆菌的"反应-生长耦合"筛选体系；(2) 开发PET塑料瓶两步化学法转化为O-新戊酰羟胺底物的工艺；(3) 构建包含氨基苯甲酸羟化酶(ABH60)和突变型芳胺N-酰基转移酶(PANAT K211G)的异源代谢通路；(4) 优化一锅法Lossen重排与全细胞生物催化反应条件。

反应发现与机理研究
通过PABA营养缺陷型大肠杆菌BW25113ΔpabB的生长恢复实验，意外发现O-新戊酰羟胺底物1在磷酸盐缓冲液中自发发生Lossen重排，无需外加金属催化剂。机理研究表明磷酸根离子通过去质子化触发1,2-芳基迁移，生成异氰酸酯中间体并最终水解为PABA。该反应在生理条件下进行，对细胞无毒性，且代谢活跃的细胞能加速底物转化。

PET塑料的生物升级

研究人员将废弃PET瓶经碱解获得对苯二甲酸，再与O-新戊酰羟胺三氟甲磺酸盐偶联制得PET衍生底物PET-1。该物质能以与化学合成底物相当的效率支持营养缺陷型菌株生长，48小时内完全消耗并产生0.33 g/L生物量，证实了塑料废物到微生物 biomass 的直接转化路径。

代谢整合与药物合成

通过协调非酶Lossen重排与工程代谢：1) 实现内源还原酶催化的马来酸二甲酯(5)和β-酮丙烯酸酯(7)的C=C键还原；2) 构建从PABA经4-氨基苯酚(4-AP)到对乙酰氨基酚(10)的双酶通路，优化启动子组合后产量达19 mg/L；3) 开发一锅法反应，50°C启动重排后加入表达ABH60和PANAT的工程菌，使PET-1到对乙酰氨基酚转化率达92%。

这项研究突破性地将经典有机反应Lossen重排引入活细胞，揭示了磷酸根在非酶生物催化中的新功能，建立了"塑料废弃物-生化反应-药物分子"的创新转化链条。其意义在于：1) 拓展了生命体系的合成化学工具箱；2) 为PET等难降解塑料的生物升级提供新思路；3) 展示了非酶反应与代谢网络协同设计的巨大潜力。该成果为绿色生物制造和循环经济提供了跨学科解决方案，预示着合成化学与合成生物学深度融合的未来发展方向。