Кишечная палочка синтезировала парацетамол

Биохимики из Шотландии обнаружили, что перегруппировка Лоссена — превращение эфиров гидроксамовых кислот в изоцианаты — успешно протекает в водном растворе в присутствии фосфат-ионов и кишечной палочки. А с помощью генно-модифицированной ауксотрофной палочки ученые in vivo синтезировали из продукта перегруппировки парацетамол. Как отмечают авторы исследования в журнале Nature Chemistry, классические органические реакции редко оказываются биосовместимыми.

Перегруппировка Лоссена представляет собой превращение гидроксамовых кислот или их производных, замещенных по кислороду, в . Изоцианаты очень реакционноспособны и в водной среде быстро присоединяют молекулу воды — при этом образуется неустойчивый амид угольной кислоты, который расщепляется на амин, воду и углекислый газ. Таким образом, в результате перегруппировки гидроксамовая кислота превращается в амин. Например, если взять бензгидроксамовую кислоту C₆H₅C(O)NHOH, она после перегруппировки превратится в анилин C₆H₅NH₂.

Обычно эта перегруппировка протекает либо при нагревании, либо в присутствии токсичных для клеток катализаторов на основе переходных металлов. Но биохимики под руководством Стивена Уоллеса (Stephen Wallace) из Эдинбургского университета показали, что ни то, ни другое для протекания перегруппировки не обязательно. И протекать она может в мягких условиях в клеточной среде.

Чтобы выяснить, может ли перегруппировка Лоссена протекать в физиологических условиях, химики использовали ауксотрофную кишечную палочку, не способную производить пара-аминобензойную кислоту. Их идея была в том, чтобы при перегруппировке эта кислота образовывалась в качестве продукта. Тогда, если реакция пойдет, бактерии начнут активно делиться, а это легко зафиксировать. Так, химики смешали исходную гидроксамовую кислоту с ауксотрофной палочкой и разными катализаторами перегруппировки Лоссена в среде для роста бактерий. И, к их удивлению, даже в контрольном образце без каких-либо катализаторов бактерии стали размножаться.

Чтобы понять, почему перегруппировка протекает сама по себе без катализаторов, химики провели еще несколько контрольных экспериментов, в которых они смешивали исходную гидроксамовую кислоту с разными компонентами клеточной среды. Оказалось, что фосфат-анионы, которые содержатся в клеточной среде, способны катализировать перегруппировку. И как раз благодаря им из гидроксамовой кислоты образуется необходимая клеткам пара-аминобензойная кислота.

По сути, авторы исследования выяснили, что давно известная органическая реакция совместима с физиологическими условиями и клеточной средой. Они также показали, что в качестве исходного вещества для синтеза гидроксамовой кислоты можно брать продукт переработки пластиковых бутылок — терефталевую кислоту. А если взять генно-модифицированную кишечную палочку, то из продукта перегруппировки, пара-аминобензойной кислоты, можно in vivo получить парацетамол.

Органические реакции редко оказываются биосовместимыми, но еще реже они оказываются биоортогональными, то есть, никак не влияют на клеточные процессы. За разработку таких реакций в 2022 году Каролин Бертоцци получила Нобелевскую премию по химии вместе с Барри Шарплессом и Мортеном Мельдалем. Подробнее про их исследования можно прочитать в нашем материале «Клик — и готово».