Wissenschaftler der Universität Edinburgh haben den Proof of Concept bestanden, der die Grundlage dafür schafft, wie „die Biotechnologie eine sauberere Alternative für die Herstellung von Paracetamol bieten kann”.Das Bakterium Escherichia coli kann ein Molekül aus einer weggeworfenen Plastikflasche in Paracetamol umwandeln. Zu diesem Ergebnis kommt ein heute in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlichter Artikel. Es handelt sich um eine neue Verwendung für einen der Erreger, der hinter häufigen und resistenten Harnwegsinfektionen und Gastroenteritis steckt.
Vor fast einem Jahrzehnt hat ein Wissenschaftlerteam des Kyoto Institute of Technology (Japan) die Bakterien dazu verwendet, Plastik zu verdauen und zu assimilieren. Das bedeutet, dass sie sich von PET (Polyethylenterephthalat) ernähren könnten, einem der in der Lebensmittelindustrie am häufigsten verwendeten Kunststoffe für die Verpackung von Mineralwasser, Erfrischungsgetränken, Ölen oder pharmazeutischen Produkten.
Nun weist die von Stephen Wallace und seinem Expertenteam an der Universität Edinburgh durchgeführte Forschung auf eine neuartige und mögliche Strategie hin, um Kunststoffabfälle auf nachhaltige Weise in ein nützliches Produkt umzuwandeln. Der Professor für chemische Biotechnologie berichtet EL MUNDO, dass diese Entdeckung zufällig gemacht wurde. „Unser ursprüngliches Ziel war es, zu sehen, ob wir Bakterien dazu bringen können, eine chemische Reaktion namens Lossen-Umlagerung durchzuführen, eine Reaktion, die in der Natur noch nie beobachtet wurde. Zu unserer Überraschung konnten die Bakterien dies nicht nur, sondern sie taten es sogar außerordentlich gut in ihren Zellen.“
Nach diesem Schritt folgten sie dem nächsten: „Diese Entdeckung warf eine wichtigere Frage auf: Wie weit könnten wir gehen? Welchen Nutzen könnte diese neue Fähigkeit haben? Die Umwandlung von Kunststoffabfällen in wertvolle Chemikalien wie Paracetamol erschien uns als ein wichtiger und spannender Schritt”, versichert Wallace.
Sie entdeckten auch, dass dieses aus Kunststoff gewonnene Molekül als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Paracetamol verwendet werden kann. „Der Prozess ist überraschend einfach: Er findet in Wasser bei niedrigen Temperaturen statt und ist innerhalb von 24 Stunden abgeschlossen. Trotz seiner Einfachheit ist er sehr effektiv, da er Paracetamol mit einer Ausbeute von 92 % produziert“, erklärt der Professor für Chemische Biotechnologie.
Wie haben sie Plastik aus einer Flasche in Paracetamol umgewandelt?
Das Team hat entdeckt, dass in lebenden Zellen eine chemische Reaktion namens Lossen-Umlagerung stattfinden kann, die durch Phosphat im Inneren des Bakteriums Escherichia coli katalysiert wird. Diese chemische Reaktion erzeugt eine Art organische Verbindung, die Stickstoff enthält, der für den Zellstoffwechsel unerlässlich ist. Die Autoren haben chemische Verfahren eingesetzt, um eine Plastikflasche aus Polyethylenterephthalat (PET) abzubauen, um das Ausgangsprodukt für die chemische Reaktion herzustellen und zu zeigen, dass ihr Zellstoffwechsel auf dieses aus Plastik gewonnene Molekül einwirken kann.
Die Synthese erfolgte durch die oben genannte chemische Reaktion aus einer weggeworfenen Flasche und wurde metabolisch eingebaut, um Biomasse zu erzeugen und die Biotransformationen ganzer Zellen zu steuern, wie die Autoren in der Veröffentlichung erläutern. Die Gewinnung von Paracetamol auf diesem biosynthetischen Weg zeigt, dass dieses wichtige Medikament aus Kunststoffabfällen mit einer weiteren, nachhaltigen Strategie hergestellt werden kann, die die derzeitigen chemischen oder biologischen Syntheseverfahren ergänzt.
Stephen Wallace, Professor für Chemische Biotechnologie an der Universität Edinburgh.Universität Edinburgh
Diese Schritte wurden durch die Stoffwechseltechnik ermöglicht, die „die Wissenschaft ist, die darin besteht, die innere Chemie einer Zelle – ihren Stoffwechsel – so umzugestalten, dass sie neue Aufgaben erfüllen oder wertvolle Verbindungen produzieren kann”, erklärt Wallace. Der Experte betont, dass dies „wie das Neuprogrammieren einer biologischen Schaltplatte” sei.
Im Zusammenhang mit der chemischen Produktion erklärt Wallace, dass es darum geht, „Mikroben wie Bakterien so zu gestalten, dass sie nachhaltige Inhaltsstoffe – wie Zucker oder Abfallprodukte – fermentieren und in alltägliche Chemikalien umwandeln, von Medikamenten wie Paracetamol bis hin zu Inhaltsstoffen für Kunststoffe. Das ist eine umweltfreundlichere Alternative zur traditionellen Herstellung, die oft von fossilen Brennstoffen abhängt”.
Dieser Fortschritt wirft jedoch noch nicht die Frage auf, wie die Flaschen aus dem gelben Recyclingcontainer kurzfristig für die Herstellung von Paracetamol verwendet werden können. „Es ist noch ein langer Weg“, bedauert Wallace. Derzeit „ist unsere Arbeit nur ein Proof of Concept und wurde nur in kleinem Maßstab durchgeführt. Wir arbeiten daran, den Prozess zu erweitern und größere Mengen Paracetamol herzustellen.“
Sobald dieser Proof of Concept erfolgreich abgeschlossen ist, wäre der nächste Schritt daher klinische Studien am Menschen, wie bei jedem anderen Medikament auch. „Sobald wir große Mengen herstellen können, müssen wir den komplexen regulatorischen Weg [von den Arzneimittelbehörden vorgeschriebene Regulierungsprozesse] durchlaufen, der Sicherheits- und Qualitätsprüfungen umfasst, bevor das Medikament klinisch eingesetzt werden kann.“
Für Wallace ist „das erst der Anfang“. „Die meisten Menschen wissen nicht, dass Paracetamol derzeit aus fossilen Brennstoffen in industriellen Prozessen hergestellt wird, bei denen Treibhausgase freigesetzt werden. Wir haben gezeigt, dass die Biotechnologie eine sauberere Alternative bieten kann, indem sie Paracetamol nicht nur unter schonenden und umweltfreundlichen Bedingungen herstellt, sondern dabei auch noch hilft, Plastikabfälle abzubauen. Wenn wir Plastik in Medikamente umwandeln können, eröffnet das alle möglichen Optionen für die nachhaltige Herstellung von Chemikalien“, schließt er.
Nachhaltige Lösungen für extreme Situationen
Das Problem der Kunststoffabfälle wird immer gravierender, und die Entwicklung nachhaltiger Methoden zu ihrer Verwertung hat weiterhin Priorität. Die metabolische Technik, die das Netzwerk chemischer Reaktionen in einer biologischen Zelle nutzt, um gewünschte Moleküle herzustellen, kann mit der organischen Chemie kombiniert werden, um neue kleine Moleküle zu schaffen. Es ist jedoch unklar, ob alle diese Reaktionen kombiniert werden können, um Kunststoff in ein nützliches Produkt umzuwandeln.
Mit diesen Ergebnissen kann nun nach einem Sinn für diese Prozesse gesucht werden, und es könnte der erste Fall der Herstellung von Paracetamol aus Escherichia coli unter Verwendung eines Abfallprodukts sein. „In zukünftigen Forschungen könnte untersucht werden, wie andere Arten von Bakterien oder Kunststoffen nützliche Produkte erzeugen können“, schließen die Autoren.
