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全球每年生产的塑料超过 4.5 亿吨，其中很大一部分是 PET，用于制作饮料瓶和食品包装。尽管 PET 坚固、轻便且价格低廉，但如果不进行降级处理，就很难再利用。大多数 PET 回收利用仍然会产生更多塑料，或者最终被填埋或排放到海洋。

近日，来自爱丁堡大学的研究人员工程化改造大肠杆菌，使其可以将废弃 PET 塑料瓶中的小分子转化为常用的止痛药——对乙酰氨基酚。该研究由生物制药公司阿斯利康资助。

相关研究以题为“A biocompatible Lossen rearrangement in Escherichia coli”发表在 Nature Chemistry 期刊。这项研究由爱丁堡大学化学生物技术教授 Stephen Wallace 领导，该团队首次将洛森重排反应（Lossen 重排反应）整合到生物系统中，使工程微生物能够在温和、细胞友好的条件下将塑料废物转化为有价值的化合物。

Lossen 重排反应由 Wilhelm Lossen 于 1872 年首次报道，其典型特征是通过热催化或金属催化将异羟肟酸酯在碱性条件下转化为异氰酸酯，然后再转为胺。在此之前，Lossen 重排从未被用于微生物代谢以实现生物相容性化学。

Wallace 团队发现，这些酯类在温和的生物相容性条件下，仅需磷酸盐存在及生理相关温度，即可发生重排。

为验证该反应在体内的可行性，研究者设计通过重排反应合成大肠杆菌生长必需的对氨基苯甲酸（PABA）。当将 PABA 缺陷型大肠杆菌菌株与多种 O-酰基取代异羟肟酸酯共培养时，细菌生长得以恢复，证实培养体系内发生了原位 Lossen 重排。后续实验表明，这些 O-酰基取代异羟肟酸酯能在培养基磷酸盐作用下发生非生物性重排。这些意外发现揭示了一种简易通用、对大肠杆菌无毒且生物相容的新型化学反应。

图 | 用于塑料废物升级改造的生物相容性 Lossen 重排示意图

Wallace 及其团队进一步以 PET 为原料合成酰基异羟肟酸酯，不仅将底物来源拓展至这一重大环境污染物，更巧妙提升了 PET 回收的附加值。传统 PET 回收需通过酶解法获得单体，再重新聚合为再生 PET 产品。而该研究创新性地将对苯二甲酸单体转化为 O-酰基取代产物，生成可在无生物催化剂条件下被大肠杆菌培养体系转化为 PABA 的异羟肟酸酯。实验证实，使用 PET 衍生物培养的 PABA 缺陷型大肠杆菌，其生长曲线与添加商业 PABA 的对照组相当，这表明废弃物衍生的 PABA 完全可作为替代性底物来源。

这项生物相容性化学技术的显著优势在于其能与代谢工程相结合，实现重要化合物的生物合成。通过引入双孢蘑菇（Agaricus bisporus）的氨基苯甲酸羟化酶（ABH60）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的芳胺 N-酰基转移酶（PANAT）这两个异源基因，PABA 可进一步转化为对乙酰氨基酚。

研究团队通过分别优化两种酶在工程大肠杆菌中的表达水平，并在共培养体系中精细调控菌株比例，最终实现了 92% 的 PET 水解衍生物向对乙酰氨基酚的转化。整个反应在 48 小时内完成，没有可检测到的有毒副产品。

图 | 基于 PET 塑料废弃物的底物合成及其生物修复应用

Wallace 团队开发的这一微生物发酵体系具有“一锅法”操作的特性：通过对苯二甲酸衍生物直接转化为 PABA，不仅简化了合成路径，更规避了酶催化效率的限制，从而实现对乙酰氨基酚的一锅式生物合成。

尽管该研究为 PET 废弃物的生物升级回收提供了创新方案，但要实现工业化应用仍需解决若干关键问题：从放大生产角度看，现有底物浓度下的对乙酰氨基酚产量尚达不到工业要求；提高异羟肟酸酯浓度可能引发细胞毒性，需开发耐受性更强的菌株；复杂培养基组分可能影响转化效率与副反应，需在实际发酵条件下重新评估；此外，概念验证采用的 PABA 缺陷型大肠杆菌因生长速率受限，其工业适用性存疑。未来研究可探索除大肠杆菌外的其他工业宿主菌，以拓展 PET 衍生异羟肟酸酯通过 Lossen 重排合成高附加值化合物的应用范围。

从经济学角度，需通过全生命周期评估比较该技术与现有 PET 化学-生物增值策略的可持续性与成本效益。同时，可探索其他塑料废弃物的生物相容性转化方法（类似 Lossen 重排），为工程微生物合成高附加值化学品提供底物，从而拓宽该技术的塑料废弃物原料应用范畴。

该团队目前正在努力在生物反应器中扩大该工艺的规模，加入塑料降解步骤，并将该化学方法应用于其他目标。他们还计划进行生命周期评估，以衡量其对现实世界环境的影响。

展望未来，随着工业界对化石资源替代方案的迫切需求，将生物相容性化学反应与代谢途径整合的策略，为废弃物资源化提供了全新的设计工具包。生物相容性化学技术的进步有望解锁更高效的复杂化合物生物合成路径，最终推动更可持续、环境友好型生物工艺的发展。

参考链接：

1.Johnson, N.W., Valenzuela-Ortega, M., Thorpe, T.W. et al. A biocompatible Lossen rearrangement in Escherichia coli. Nat. Chem. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01845-5

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