背景介紹：

在生命科學中，自然界的化學反應雖然精緻，但種類有限，限制了生物合成複雜分子的能力。與此同時，合成有機化學則能創造自然界少見的反應，透過將這些非生物（abiotic）反應引入活細胞中，科學家能以更環保、更可持續的方式合成工業需要的化合物。

Lossen重排反應是一種經典的有機化學反應，透過熱或金屬催化，將特定的acyl hydroxamate分子轉變為具有胺基的產物。它不使用具毒性的azide試劑，且反應條件溫和，帶有一碳收縮的特點，與天然酵素合成胺類的路徑截然不同。然而，過去Lossen重排尚未能在活細胞中安全且有效進行，生物相容Lossen重排一直是化學生物學的大挑戰。

生物相容反應（Biocompatible reaction）指的是在活細胞存在下，不依賴天然酵素，卻能進行的化學轉化。這類反應能擴展細胞代謝的化學範圍，促進合成生物學與綠色製程，卻常受彼此排斥的生物與非生物反應條件限制。

主要研究發現：

• ✅ 首次在大腸桿菌中實現生物相容性Lossen重排反應

  • 研究團隊發現，Lossen重排在大腸桿菌體內不需外加酵素，由細胞內的磷酸（phosphate）催化實現。
  • 此反應在37°C及中性pH條件下進行，無毒且不抑制細胞生長。

• ✅ 利用 Lossen 重排控制細菌代謝和生長

  • 透過基因改造缺乏合成必需代謝物 para-aminobenzoic acid (PABA)的菌株。
  • Lossen底物能在細胞內轉換為PABA，成功挽救菌株生長（auxotroph rescue），證明反應能與細胞原生代謝連結。

• ✅ 從PET塑膠廢棄物合成Lossen底物，實現生物回收利用

  • 透過化學方法將塑膠瓶中聚對苯二甲酸乙二酯（PET）分解獲得的單體合成Lossen反應底物。
  • 使改造菌株依賴PET衍生底物生長，形成人塑膠廢棄物→生物體轉化的關鍵證明。

• ✅ 示範整合非天然化學反應與代謝路徑生產工業化合物–止痛藥Paracetamol

  • Lossen反應產物PABA進一步引入工程化大腸桿菌內的兩種酵素催化步驟合成止痛藥paracetamol。
  • 全過程在水性環境及常溫條件下進行，最高達到92%收率。

實驗細節與佐證：

• 使用不同金屬複合物做催化篩選，確定反應非由外加金屬催化，而是磷酸鹽介導。
• 培養基中磷酸鹽的存在是該反應發生的關鍵因素。
• Lossen底物與PET－衍生底物均於72小時內成功支持大腸桿菌生長，佐證反應效率與生物相容性。
• 應用NMR與HPLC對產物與底物轉化率進行定量。

個人觀點與啟示：

• 🎯 這份研究不只是開創了一個獨特的新型態「非酵素、但生物相容」的生化反應，更重要的是它首次示範了如何在活細胞中安全有效利用化學轉化來擴張代謝能力。
• ♻️ 回收再利用塑膠廢棄物成為細胞代謝可用的化學原料，為解決塑膠污染與資源再生議題帶來新的生技策略。
• 🏭 生產高附加值藥物（如全球重要止痛藥paracetamol），兼顧環境永續與成本效益，示範了未來綠色生物製藥新方向。
• 🔬 此外，此策略可望延伸應用到其它非天然合成路徑及更多代謝工程，為合成生物學注入豐富手段。

結論：

這項來自愛丁堡大學與AstraZeneca合作的研究，透過對Lossen重排的巧妙調整及活細胞催化環境探索，不僅成功實現首次生物相容Lossen重排，也帶動塑膠廢棄物向高價值產品的轉化新契機。未來跨領域持續優化發酵條件、底物供應及代謝路徑，將推動環保且具工業化潛力的生物合成技術躍升新高度。對長遠生態保護及工業升級皆有深遠意義。讓我們期待綠色化學與生物科技攜手開創的美好未來！

參考原文：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01845-5