不只是感冒藥
許多人的一生中，或許都使用過對乙醯氨基酚(paracetamol)這種藥物成分。對乙醯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。
撲熱息痛最早於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，幾年後科學家才證實撲熱息痛與這種血液病並無關聯。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。科學家表示，每年有數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，但大多數回收過程只是將廢棄的塑料處理為更低質量的塑料繼續使用，並沒有真正解決塑料污染的問題。
那麼，有沒有一種方法，能同時解決塑料污染和製藥產業對化石燃料的依賴?
聽起來或許天馬行空，但上個月發表在《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。
圖片來源：The University of Edinburgh
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)於1872年發現。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。
傳統的洛森重排反應需要鹼、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。
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，也就是製作飲料瓶的材料。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醯基羥肟酸酯(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，便能觸發大腸桿菌細胞內的洛森重排，將醯基羥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，可用於生產其他化學物質。
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進一步轉化為對乙醯氨基酚，也就是撲熱息痛。通過優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塑料提取原料並轉化為撲熱息痛，轉化率高達92%。
還有很長的路要走
「這項研究表明，PET塑料並非只會淪為垃圾，或只能被回收為低級塑料製品。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。」這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，相比工業生產，幾乎不產生碳排放。於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。
但真要實現這個目標，還有很長的路需要走。研究團隊表示，在實現商業化生產之前，還需要繼續開發這項技術。目前的實驗規模還很小，轉化效率和副反應等諸多因素需要在實際工業生產的條件下重新評估。而且在反應過程中，醯基羥肟酸酯積累起來後，可能會對大腸桿菌細胞產生毒性，阻止反應繼續進行。因此，如果要完成大規模生產，還需要改造出耐受性更強的菌株。
圖片來源：原論文
值得一提的是，這項研究屬於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中並不存在，也沒有現成的酶來完成，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相關的化學品。
或許，不久以後，你吃的感冒藥，正好就來自你幾年前丟掉的飲料瓶。