Una vía para producir paracetamol a partir de plásticos de desecho
La reordenación de Lossen biocompatible permite fusionar química sintética y metabolismo para fabricar moléculas de alto valor a partir de residuos
El desarrollo de reacciones biocompatibles, a través de transformaciones químicas no enzimáticas que pueden integrarse con el metabolismo celular, es un enfoque emergente para expandir el repertorio sintético de los sistemas vivos. Usando estrategias sintéticas establecidas en la química orgánica moderna, las reacciones biocompatibles pueden aplicarse al control de la función celular, la diversificación de metabolitos in vivo y el acceso biológico a materias primas recalcitrantes de la biotecnología industrial.
Un área inexplorada de la química biocompatible es el reordenamiento no enzimático de sustratos carboxilatos activados y su integración con rutas metabólicas nativas y diseñadas en células. Descubierto en 1872 por Wilhelm Lossen, el reordenamiento de Lossen se caracteriza por la expulsión, térmica o catalizada por metales, de un carboxilato a partir de un sustrato de hidroxilamina bis-acilada. La reacción genera aminas primarias a partir de sustratos carboxilatos con una contracción de un carbono.
Un grupo de investigadores de la University of Edinburgh y AstraZeneca, logró que la reordenación de Lossen suceda dentro de células de Escherichia coli sin necesidad de enzimas artificiales ni metales costosos.
La propuesta consistió en realizar un experimento de rescate de auxótrofos, tomando un derivado del ácido 4-aminobenzoico (PABA) protegido con un grupo químico extra, para-carboxil O-pivaloilhidroximato, como sustrato para generar el metabolito PABA in situ y una cepa de E. coli incapaz de crecer en ausencia de PABA. Al añadir el derivado protegido, la bacteria volvió a crecer, lo cual significaba que la célula bacteriana era capaz de eliminar el grupo químico añadido y liberar PABA, gracias a la reacción de Lossen. Luego de probar distintos componentes del medio de cultivo, observaron que el fosfato inorgánico era suficiente para activar la reacción a pH neutro y 37 °C, in vivo y sin toxicidad para la bacteria, algo ideal para procesos biotecnológicos sencillos. Un reordenamiento exitoso del sustrato generaría PABA, permitiendo el crecimiento de células auxotróficas, detectable por densidad óptica.
Considerando que la producción mundial de PET es de 56 millones de toneladas anuales, con un 80 % destinado a un solo uso, el equipo desarrolló una estrategia para sintetizar el sustrato precursor de PABA reciclando tereftalato de polietileno (PET), a partir de botellas de desechadas de ese plástico.
Este objetivo se logró en dos pasos: hidrólisis de PET a ácido tereftálico y acoplamiento de amida con hidroxilamonio O-pivaloil. Eso significa que los residuos de PET pueden ser convertidos por E. coli en precursores de moléculas útiles dentro de un biorreactor.
Con ese procedimiento, al añadir dos enzimas, una hidroxilasa y una aciltransferasa, la bacteria transformó PABA en paracetamol. En un único recipiente (one-pot) consiguieron que hasta el 92 % del material procedente de PET terminara convertido en paracetamol.
El proceso contribuye a la economía circular al convertir desechos plásticos en un medicamento común, sin procesos petroquímicos. También es una aplicación de química y biología, ya que demuestra que reacciones tradicionales abióticas pueden integrarse en células vivas para fabricar compuestos antes inalcanzables por rutas biológicas.
Los autores planean integrar la depolimerización enzimática de PET en el mismo biorreactor y aplicar la reordenación a otras cascadas quimio-enzimáticas, en otros microbios y en consorcios de varias especies.
La reordenación de Lossen biocompatible representa un nuevo paradigma: fusionar química sintética y metabolismo para fabricar moléculas de alto valor a partir de residuos. Este trabajo abre la puerta a procesos industriales más limpios, versátiles y controlables.