Biokatalytische C-H Aktivierung mittels alpha-Ketoglutarat abhängigen Dioxygenasen

Biokatalysatoren sind die Werkzeuge der Natur um aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff Verbindungen aufzubauen und zu verändern. Diese Werkzeuge können mittels Mikroorganismen im Labor hergestellt werden und dann unter physiologischen Bedingungen Verbindungen aufbauen, die mit Hilfe von konventionellen chemischen Methoden nur sehr schwer herstellbar sind. Einer dieser natürlichen Katalysatoren baut die Struktur des Naturstoffs Podophyllotoxin auf eine Verbindung die aus Fussblättern isoliert wird. Aus diesem Naturstoff wird durch wenige synthetische Schritte die Verbindung Etoposid ein Antikrebsmittel, das im klinischen Alltag in verschiedenen Chemotherapien verwendet wird und von der Weltgesundheitsbehörde auf die Liste der essentiellen Medikamente genommen wurde. Im Zuge des Projekts soll deshalb genau diese Reaktion, die den Schlüsselschritt zu dieser immens wichtigen Verbindung darstellt, untersucht werden. Das Ziel ist es Möglichkeiten zu finden die Struktur des Naturstoffs so zu verändern, dass bessere Arzneimittel (z.B. weniger Nebenwirkungen, höhere Wirkung gegen Krebszellen etc.) erhalten werden. Weiters ist die Grundstruktur, die durch dieses Werkzeug der Natur erhalten wird, auch in einigen anderen Arzneimitteln enthalten und die entwickelte Methode könnte so auch deren Herstellung erleichtern. Ein zusätzlicher Aspekt ist auch, dass speziell diese Gruppe an Naturwerkzeugen bis jetzt nur sehr spärlich erforscht ist gerade im Bezug auf ihre Anwendung hin und über die im Zuge des Projekts gefundenen Erkenntnisse soll ein besseres Verständnis über die Art und Weise, wie diese Katalysatoren aus der Natur arbeiten, erhalten werden. Und das nicht ohne Grund denn enge Verwandte aus dieser Gruppe bewerkstelligen Schlüsselschritte in der Herstellung von Verbindungen gegen Pilzinfektionen, Schmerzmitteln und Antibiotika in der Natur.

Enzyme sind die Katalysatoren - oder umgangssprachlich gesagt die Motoren - der Natur und ermöglichen chemische Stoffumwandlungen, die mit herkömmlichen Methoden schwer zu bewerkstelligen sind. Dieses Forschungsprojekt ist einer dieser Enzymklassen gewidmet, die bisher eigentlich aufgrund ihrer Instabilität als unbrauchbar für menschengemachte Prozesse erachtet wurde. Nichtsdestotrotz ist diese Enzymklasse für die biologische Produktion von Antikrebsmedikamenten verantwortlich und die Wirkung der Enzyme stellt einen Schlüsselschritt in der Biosynthese dieser Wirkstoffe dar. Unsere Forschung richtete sich daher auf einen Prozess in entsprechendem Maßstab, die Aufreinigung sowie die Prozessoptimierung hin zu für Labormaßstäbe großen Produktmengen an Zielmolekül - dem späteren medizinischen Wirkstoff. Ein höchst stabiler, robuster und skalierbarer Prozess wurde erarbeitet und im finalen Versuch konnte der Wirkstoff im Grammmaßstab hergestellt werden (zum Vergleich: bisherige Methoden waren auf den Milligrammbereich beschränkt). Diese Ergebnisse können für die Entwicklung einer Produktion auf industriellem Maßstab verwendet werden. Weiters liefert der erarbeitete Prozess schon jetzt entsprechende Mengen, um weitere Forschung zur Weiterentwicklung der bisher schon entdeckten Antikrebswirkstoffe zu ermöglichen bzw. diese zu versorgen. Zwei Moleküle - Etoposid und Teniposide - kommen derzeit schon im Zuge von Chemotherapien in Spitälern zur Anwendung (zugelassene Medikamente) und sind aus diesem Grund in die List der essenziellen Medikamente der WHO aufgenommen worden. Weiters konnte unsere Forschung die Hypothese widerlegen, dass diese Enzyme zu instabil für menschengemachte Prozesse seien. Dies könnte die industrielle Nutzung dieser Enzyme fördern, welche Stoffumsetzungen bewerkstelligen, die mit herkömmlichen Mitteln derzeit nicht möglich sind. Die Schlüssel zu solchen Prozessen sind die Wahl des richtigen Milieus für diese Katalysatoren aber auch der Schutz dieser "Motoren" durch weitere Enzyme, die hochreaktive Nebenprodukte des Prozesses abfangen und somit das Schlüsselenzym schützen. Simultan zur Erforschung dieser Enzymklasse wurde auch ein weiterer künstlicher Schlüsselschritt für die Synthese dieser Medikamente untersucht. Tiefreichende Computerberechnungen konnten diesen künstlichen Schlüsselschritt in die digitale Welt übertragen und wichtige Erkenntnisse über den Prozess liefern, was eine Optimierung des Schritts und die Ausweitung der Methodologie auf die Synthese anderer pharmazeutisch interessanter Strukturen zur Folge hatte. Weiters konnte eine Erklärung für die chemische Reaktivität hinter diesem künstlich designtem Katalysator gefunden werden.