在全球塑料污染问题日益严重的背景下，塑料废弃物的有效处理与资源化利用成为科研和工业界亟需解决的难题。近年来，合成有机化学与合成生物学交汇，催生了生物兼容化学反应的新领域，为可持续生产及废弃物资源化提供了前所未有的解决方案。Lossen重排反应作为一种经典的有机反应，传统上应用于合成化学，但近期被科学家们成功导入活体微生物体系，实现了反应的生物兼容性和对细胞代谢系统的集成，尤其是在模式菌株大肠杆菌中表现突出，开启了塑料废弃物生物降解与生物合成革新的新篇章。Lossen重排反应的核心在于活性酰羟肟酸酯衍生物的分子重排，形成中间体异氰酸酯，继而水解并脱羧生成原始化合物——伯胺。这一反应过程可在温和的条件下进行，且避免使用危险的叠氮化合物，体现了绿色化学理念。研究表明，大肠杆菌细胞环境中的磷酸盐离子能够催化此反应，使得Lossen重排无需外源金属催化剂即可在细胞内发生，证明了该反应的生物兼容性与非酶催化特性。
该发现不仅展现了磷酸盐离子除调节细胞pH及膜生物合成外，作为非酶催化剂的多样性角色，还为构建新颖的代谢工程平台提供了桥梁。通过构建Para-氨基苯甲酸（PABA）缺陷型大肠杆菌(auxotroph)，科学家成功设计了一种依赖Lossen重排产物PABA实现细胞生长恢复的实验体系。PABA是细菌合成叶酸的关键前体，其缺失会导致细胞代谢停滞。利用合成的酰羟肟酸酯底物作为Lossen重排反应的起始物，体内生成了必需的PABA，促进了缺陷菌株的生长。这种“营养缺陷补救”实验既验证了Lossen重排反应的生物兼容性，也证明了能在微生物细胞中有效产生工业及医药重要中间体。值得关注的是，这些Lossen重排底物可以直接从塑料原料——聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中合成。
通过对废旧塑料瓶进行水解，获取对苯二甲酸，并与活性羟肟盐反应制备出特定的活性底物，构建了一条塑料废弃物到生物合成起始物的绿色转换路径。细胞利用这种PET衍生的小分子实现补充生长，直接将塑料废物转化成微生物生物质，实现了塑料的生物修复和升级利用。这不仅提升了微生物对环境废弃物降解的适应性，同时也为其后续高附加值产物的生物合成奠定基础。基于生物兼容Lossen重排反应的高效产物，研究团队进一步开发了在大肠杆菌中利用天然还原酶催化不饱和关键中间体还原的全细胞生物催化反应，充分展示了系统内非酶与酶促反应的协同能力。更引人注目的是，该平台成功整合了塑料底物来源的结构单元，经Lossen重排生成PABA，再通过异源表达的酶系催化途径实现了镇痛退热药物对乙酰氨基酚（扑热息痛，Paracetamol）的生物合成。此路线打破了传统的化学合成步骤，规避了对苯酚的化石原料依赖，开拓了绿色合成的先河。
该合成策略首先通过Lossen重排生成PABA，随后由真菌来源的氨基苯甲酸羟化酶将PABA转化为4-氨基苯酚，再经细菌来源的N-乙酰转移酶催化形成对乙酰氨基酚。多步反应通过活细胞平台“一锅法”实现，产率高达九成以上，且过程温和无毒，展现出工业化生产的潜力。Lossen重排在细胞内的高效进行，与磷酸盐的催化作用密不可分。离子环境营造了理想的反应条件，促进反应中间体异氰酸酯的快速捕获与转化，避免了异氰酸酯的积累带来的毒性风险。此外，细胞代谢的活性似乎还加快了底物的消耗，表明活力细胞环境能增强反应动力学。通过对多种金属催化剂的筛选，也发现某些铁化合物在促进反应的同时增强了微生物生长，可能由于辅助铁元素的生物利用。
整体来看，该项研究首次实现了Lossen重排反应由纯化学向生物系统的成功嫁接与集成，开拓了非酶催化的新边界，为合成生物学添加了一种新的功能模块。该技术不仅丰富了微生物代谢工程构建的新策略，还促进了可持续化学品生产和环境修复的结合。大肠杆菌作为工业生物技术中的旗帜菌株，具备易于遗传操作、生长迅速和发酵工艺成熟等优势。将非天然化学反应如Lossen重排嵌入其中，改变了合成生物学单一依赖酶促反应的传统范式，为设计多样复杂分子提供新的可能。这一创新策略为环境塑料废弃物的绿色转化提供了新思路，不仅实现了废弃物高效利用，还带来了具有广阔应用前景的医药化学品合成。此外，该研究推动了生物兼容催化剂的开发，为未来设计基于非酶有机反应的细胞内合成路线奠定了基础。
未来，结合智能代谢调控、计算设计和合成生物学，Lossen重排及其他Abiotic反应将在活体系统中广泛应用，满足多元化、高效、环保的产业需求。本研究结合有机化学、代谢工程和环境科学于一体，标志着新型生物兼容非酶转化技术的诞生。以塑料废弃物转化为活细胞产物的案例，展示了循环经济中的绿色制造新范式，助力实现碳中和和资源可持续利用目标。综上所述，Lossen重排在大肠杆菌中的生物兼容性和功能化体现了化学与生物技术的完美融合，推动了环境友好型塑料废弃物生物转化和高价值化合物的可持续生产。随着相关技术的完善和产业化推广，预计将对绿色制造、生物医药和环境修复等领域产生深远影响。
