El desarrollo de reacciones biocompatibles (transformaciones químicas no enzimáticas que pueden interactuar con el metabolismo celular) es un enfoque naciente para expandir el repertorio sintético de los sistemas vivos. Utilizando estrategias sintéticas establecidas en la química orgánica moderna, las reacciones biocompatibles pueden aplicarse al control de la función celular, la diversificación de metabolitos in vivo y el acceso biológico a materias primas que de otro modo serían recalcitrantes para la biotecnología industrial. Este enfoque complementa los métodos existentes para la catálisis abiótica en células, incluyendo la evolución dirigida, la creación de sitios activos no nativos utilizando cofactores artificiales o aminoácidos no naturales, y el diseño de abajo hacia arriba de enzimas utilizando métodos computacionales Sin embargo, la reconstitución in vivo de biocatalizadores nuevos en la naturaleza es compleja y, a menudo, su aplicación se ha limitado a reacciones in vitro. La integración metabólica de sustancias químicas no nativas en células vivas, y en particular en el contexto del metabolismo celular, sigue siendo un gran desafío en el campo de la biotecnología química.

El trabajo comenzó con el descubrimiento de que una reacción sintética, denominada reordenamiento de Lossen, puede tener lugar en células vivas en condiciones suaves y no tóxicas, utilizando fosfato como catalizador. El reordenamiento de Lossen es una reacción no enzimática que típicamente convierte ésteres de hidroxamato en isocianatos y posteriormente en aminas. La reacción no enzimática tiene lugar en presencia de células bacterianas, no es tóxica y está catalizada por fosfato monobásico o dibásico a pH neutro, lo que destaca el papel multifacético de los iones fosfato en las células vivas para la homeostasis del pH, la biosíntesis de membranas y, ahora, la química no enzimática biocompatible.

Con este conocimiento, los investigadores diseñaron un reordenamiento de Lossen biocompatible, que comenzó con un sustrato de hidroxamato de acilo, para generar ácido para-aminobenzoico (PABA), un nutriente esencial para el crecimiento de Escherichia coli.

Al cultivar una cepa de E. coli deficiente en PABA con diversos ésteres de hidroxamato sustituidos con O -acilo, sin catalizadores adicionales, los investigadores observaron que la bacteria continuaba creciendo, lo que indicaba que se había producido una reorganización de Lossen en el cultivo. Posteriormente, descubrieron que la reacción había sido catalizada por el fosfato del medio de cultivo.

Los investigadores analizaron la síntesis de ésteres de acilo hidroxamato a partir de PET, específicamente del monómero de PET, ácido tereftálico, y descubrieron que la E. coli deficiente en PABA crecía tan bien con los ésteres derivados del plástico como en presencia de PABA. Posteriormente, descubrieron que, al introducir dos genes (uno de un hongo y otro de otra bacteria) en la E. coli, el PABA podía convertirse en paracetamol con un rendimiento máximo del 92 %.

El proceso en un solo recipiente se llevó a cabo a temperatura ambiente y prácticamente no generó emisiones de carbono, a diferencia de la producción tradicional de paracetamol.

La reacción biocompatible también forma productos de amina primaria in vivo mediante un mecanismo distinto de la lógica biosintética conocida y, por lo tanto, proporciona una herramienta útil en ingeniería metabólica para la generación de metabolitos que contienen amina. Demostramos, mediante el rescate de auxótrofos, cómo se puede generar PABA mediante el reordenamiento de Lossen in vivo y cómo se puede utilizar para controlar el crecimiento y la química microbianos en la fermentación y las reacciones de células completas. 

La síntesis del sustrato del reordenamiento de Lossen se logró a partir de una botella de PET de desecho y se incorporó metabólicamente para generar biomasa y controlar las biotransformaciones de células completas. El sustrato se sifonó hacia una vía biosintética de novo para el paracetamol, lo que demuestra la producción de este medicamento esencial a partir de residuos plásticos mediante una estrategia que no puede lograrse únicamente mediante síntesis química o biológica. Por lo tanto, la química biocompatible debe considerarse complementaria a los trabajos emergentes en diseño e ingeniería de enzimas para la química abiótica e integrarse cooperativamente como una herramienta en células vivas para expandir la química sintética posible en sistemas biológicos diseñados.