許多人的一生中，或許都使用過對乙酰氨基酚（paracetamol）這種藥物成分。對乙酰氨基酚俗稱撲熱息痛，擁有泰諾（Tylenol）等商品名。它是全世界使用最廣泛的止痛藥之一，許多感冒藥、退燒藥等成分中也常見它的身影。

撲熱息痛最早于19世紀末期被合成出來。1877年，德國化學家第一次記錄了這種化合物的結構和合成方法。20世紀50年代，含有撲熱息痛成分的藥物在美國正式上市，但最初人們誤以為撲熱息痛存在安全隱患，會導致使用者患上一種血液病，幾年后科學家才證實撲熱息痛與這種血液病并無關聯(lián)。因此，直到20世紀70年代，撲熱息痛才被廣泛接受。到了20世紀80年代，撲熱息痛在包括英國在內的許多國家的銷量已經超過了阿司匹林。

兩大難題

然而，包括撲熱息痛在內的許多藥物的合成與生產，嚴重依賴包括原油在內的化石燃料作為原料和能源?？茖W家表示，每年有數(shù)千噸化石燃料被用來生產各種藥物和化學品，這對氣候變化產生了重大影響。

另一方面，全球有數(shù)千萬噸塑料垃圾被丟棄——塑料水瓶、外賣盒、塑料包裝……這些塑料大多被填埋、焚燒，或者漂浮在海洋中。雖然從技術上講，許多塑料是可回收的，但大多數(shù)回收過程只是將廢棄的塑料處理為更低質量的塑料繼續(xù)使用，并沒有真正解決塑料污染的問題。

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那么，有沒有一種方法，能同時解決塑料污染和制藥產業(yè)對化石燃料的依賴？

聽起來或許天馬行空，但上個月發(fā)表在《自然·化學》（Nature Chemistry）上的一項新研究中  ，來自英國愛丁堡大學的研究團隊貌似給這一猜想提供了一些曙光。他們成功通過廢棄塑料的成分，生物合成了撲熱息痛。

塑料和感冒藥

這一轉化的關鍵，是一個已有百年歷史的化學反應，叫作洛森重排（Lossen rearrangement），由德國化學家威廉·洛森（Wilhelm Lossen）于1872年發(fā)現(xiàn)。洛森重排反應將異羥肟酸酯轉化為異氰酸酯，最終可以轉化為胺類化合物，這類分子是合成藥物、染料和高分子材料等的基礎原料。

傳統(tǒng)的洛森重排反應需要堿、熱量和金屬催化劑。但在這項實驗中，研究人員成功地將洛森重排“搬進了”細胞內。他們使用的不是毒性強或條件苛刻的催化劑，而是細胞中本就有的普通成分：磷酸鹽。這意味著，這個反應可以在溫和、安全的條件下，在細菌體內自然進行。

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通過化學合成與生物合成兩種方式完成洛森重排（圖片來源：原論文）

研究者從最常見的塑料——聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）出發(fā)，也就是制作飲料瓶的材料。他們先把PET分解成對苯二甲酸單體，再將其加工成能進行洛森重排的?；u肟酸酯（acyl hydroxamate ester）。

接著，研究者將其“喂”給經過了基因工程改造的無害大腸桿菌，在較溫和的條件下，僅通過磷酸鹽的催化，便能觸發(fā)大腸桿菌細胞內的洛森重排，將?；u肟酸酯轉換為對氨基苯甲酸（PABA）。這是一種天然的大腸桿菌代謝物分子，可用于生產其他化學物質。

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通過改造大腸桿菌完成洛森重排（圖片來源：原論文）

研究團隊還給大腸桿菌引入了兩種異源基因，一個基因（adh60）來自一種真菌，另一個基因（panat）來自一種細菌，這兩種基因產生的酶可以讓大腸桿菌將PABA進一步轉化為對乙酰氨基酚，也就是撲熱息痛。通過優(yōu)化大腸桿菌中這兩個基因的表達水平，研究團隊成功從廢棄PET塑料提取原料并轉化為撲熱息痛，轉化率高達92%。

還有很長的路要走

“這項研究表明，PET塑料并非只會淪為垃圾，或只能被回收為低級塑料制品。它還可以被微生物轉化為有價值的新產品，包括具有治療疾病潛力的產品?！边@項研究的通訊作者斯蒂芬·華萊士（Stephen Wallace）說。

這項新技術能在不到24小時內將工業(yè)PET廢料加速轉化為撲熱息痛。且在室溫下就可以進行，相比工業(yè)生產，幾乎不產生碳排放。于是研究者便展開了暢想，或許將來，可以完全使用廢棄的PET塑料，通過這種方法合成撲熱息痛。這樣既解決了廢棄塑料的回收問題，又大大降低了藥物生產對原油和化石燃料的依賴。

但真要實現(xiàn)這個目標，還有很長的路需要走。研究團隊表示，在實現(xiàn)商業(yè)化生產之前，還需要繼續(xù)開發(fā)這項技術。目前的實驗規(guī)模還很小，轉化效率和副反應等諸多因素需要在實際工業(yè)生產的條件下重新評估。而且在反應過程中，?；u肟酸酯積累起來后，可能會對大腸桿菌細胞產生毒性，阻止反應繼續(xù)進行。因此，如果要完成大規(guī)模生產，還需要改造出耐受性更強的菌株。

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圖片來源：原論文

值得一提的是，這項研究屬于一個正在興起的新領域：生物兼容化學（biocompatible chemistry）。如今許多合成有機化學反應（比如生產許多藥物和材料的反應）在自然界和生物系統(tǒng)中并不存在，也沒有現(xiàn)成的酶來完成，因為反應過程中使用的非天然底物、溶劑和催化劑可能對細胞具有毒性，高溫等反應條件也不符合細胞的生存條件。但通過改造生物細胞，讓反應在活細胞內部也能進行，這便是生物兼容化學。生物兼容化學將非酶促反應引入了微生物環(huán)境，擴展了微生物的合成能力，從而能夠利用可再生資源生產工業(yè)相關的化學品。

或許，不久以后，你吃的感冒藥，正好就來自你幾年前丟掉的飲料瓶。