不只是感冒药

许多人的一生中，或许都使用过对乙酰氨基酚(paracetamol)这种药物成分。对乙酰氨基酚俗称扑热息痛，拥有泰诺(Tylenol)等商品名。它是全世界使用最广泛的止痛药之一，许多感冒药、退烧药等成分中也常见它的身影。

扑热息痛最早于19世纪末期被合成出来。1877年，德国化学家第一次记录了这种化合物的结构和合成方法。20世纪50年代，含有扑热息痛成分的药物在美国正式上市，但最初人们误以为扑热息痛存在安全隐患，会导致使用者患上一种血液病，几年后科学家才证实扑热息痛与这种血液病并无关联。因此，直到20世纪70年代，扑热息痛才被广泛接受。到了20世纪80年代，扑热息痛在包括英国在内的许多国家的销量已经超过了阿司匹林。

两大难题

然而，包括扑热息痛在内的许多药物的合成与生产，严重依赖包括原油在内的化石燃料作为原料和能源。科学家表示，每年有数千吨化石燃料被用来生产各种药物和化学品，这对气候变化产生了重大影响。

另一方面，全球有数千万吨塑料垃圾被丢弃——塑料水瓶、外卖盒、塑料包装……这些塑料大多被填埋、焚烧，或者漂浮在海洋中。虽然从技术上讲，许多塑料是可回收的，但大多数回收过程只是将废弃的塑料处理为更低质量的塑料继续使用，并没有真正解决塑料污染的问题。

那么，有没有一种方法，能同时解决塑料污染和制药产业对化石燃料的依赖?

听起来或许天马行空，但上个月发表在《自然·化学》(Nature Chemistry)上的一项新研究中 ，来自英国爱丁堡大学的研究团队貌似给这一猜想提供了一些曙光。他们成功通过废弃塑料的成分，生物合成了扑热息痛。

图片来源：The University of Edinburgh

塑料和感冒药

这一转化的关键，是一个已有百年历史的化学反应，叫作洛森重排(Lossen rearrangement)，由德国化学家威廉·洛森(Wilhelm Lossen)于1872年发现。洛森重排反应将异羟肟酸酯转化为异氰酸酯，最终可以转化为胺类化合物，这类分子是合成药物、染料和高分子材料等的基础原料。

传统的洛森重排反应需要碱、热量和金属催化剂。但在这项实验中，研究人员成功地将洛森重排“搬进了”细胞内。他们使用的不是毒性强或条件苛刻的催化剂，而是细胞中本就有的普通成分：磷酸盐。这意味着，这个反应可以在温和、安全的条件下，在细菌体内自然进行。

通过化学合成与生物合成两种方式完成洛森重排(图片来源：原论文)

研究者从最常见的塑料——聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)出发，也就是制作饮料瓶的材料。他们先把PET分解成对苯二甲酸单体，再将其加工成能进行洛森重排的酰基羟肟酸酯(acyl hydroxamate ester)。

接着，研究者将其“喂”给经过了基因工程改造的无害大肠杆菌，在较温和的条件下，仅通过磷酸盐的催化，便能触发大肠杆菌细胞内的洛森重排，将酰基羟肟酸酯转换为对氨基苯甲酸(PABA)。这是一种天然的大肠杆菌代谢物分子，可用于生产其他化学物质。

通过改造大肠杆菌完成洛森重排(图片来源：原论文)

研究团队还给大肠杆菌引入了两种异源基因，一个基因(adh60)来自一种真菌，另一个基因(panat)来自一种细菌，这两种基因产生的酶可以让大肠杆菌将PABA进一步转化为对乙酰氨基酚，也就是扑热息痛。通过优化大肠杆菌中这两个基因的表达水平，研究团队成功从废弃PET塑料提取原料并转化为扑热息痛，转化率高达92%。

还有很长的路要走

“这项研究表明，PET塑料并非只会沦为垃圾，或只能被回收为低级塑料制品。它还可以被微生物转化为有价值的新产品，包括具有治疗疾病潜力的产品。”这项研究的通讯作者斯蒂芬·华莱士(Stephen Wallace)说。

这项新技术能在不到24小时内将工业PET废料加速转化为扑热息痛。且在室温下就可以进行，相比工业生产，几乎不产生碳排放。于是研究者便展开了畅想，或许将来，可以完全使用废弃的PET塑料，通过这种方法合成扑热息痛。这样既解决了废弃塑料的回收问题，又大大降低了药物生产对原油和化石燃料的依赖。

但真要实现这个目标，还有很长的路需要走。研究团队表示，在实现商业化生产之前，还需要继续开发这项技术。目前的实验规模还很小，转化效率和副反应等诸多因素需要在实际工业生产的条件下重新评估。而且在反应过程中，酰基羟肟酸酯积累起来后，可能会对大肠杆菌细胞产生毒性，阻止反应继续进行。因此，如果要完成大规模生产，还需要改造出耐受性更强的菌株。

图片来源：原论文

值得一提的是，这项研究属于一个正在兴起的新领域：生物兼容化学(biocompatible chemistry)。如今许多合成有机化学反应(比如生产许多药物和材料的反应)在自然界和生物系统中并不存在，也没有现成的酶来完成，因为反应过程中使用的非天然底物、溶剂和催化剂可能对细胞具有毒性，高温等反应条件也不符合细胞的生存条件。但通过改造生物细胞，让反应在活细胞内部也能进行，这便是生物兼容化学。生物兼容化学将非酶促反应引入了微生物环境，扩展了微生物的合成能力，从而能够利用可再生资源生产工业相关的化学品。

或许，不久以后，你吃的感冒药，正好就来自你几年前丢掉的饮料瓶。