Integriertes Prozessdesign zur Optimierung von Ganzzellreduktionen

Enantiomerenreinheit ist eine Schlüsselcharakteristik der Effizienz und Sicherheit moderner Therapeutika. Die pharmazeutische Industrie sucht daher nach chiralen Katalysatoren für die Prozessentwicklung. Ein bedeudender Syntheseweg zur Herstellung chiraler Zwischenverbindungen ist die asymmetrische Reduktion von Carbonylverbindungen. Die exquisiten stereochemischen Selektivitäten von Reduktasen sind jenen der entsprechenden chemischen Katalysatoren deutlich überlegen, daher sind Biokatalysatoren die Methode der Wahl! Reduktasen können in ganzen Zellen oder als isolierte Biokatalysatoren für die Reduktion von Ketonen verwendet werden. Im vorangehenden Hertha Firnberg-Projekt Aldo-keto Reduktasen als Biokatalysatoren` fokussierten wir uns auf die Synthese industrie-relevanter, chiraler Alkohole durch Ganzzellreduktion. Allerdings limitierte die hohe Toxizität der verwendeten Ketone Produktivität und Ausbeute durch schnelle Katalysator-Deaktivierung. Die Stabilität von Biokatalysatoren ist ein Hauptproblem in fast allen Bioprozessen. Strategien zur Bewältigung dieses Problems sind relevant hinsichtlich Grundlagenforschung sowie industrieller Anwendung. Unsere Untersuchung der Auswirkung toxischer Substrate auf Enzym-, Zell- und Prozessebene wird zu Kriterien einer integrierten Prozessentwickung führen. Die Aldo-keto Reduktase 2B5, Xylose Reduktase aus Candida tenuis, zeichnet sich durch ein außerordentlich breites Substratspektrum und hohe Stereoselektivität aus. Die Umsetzung sogenannter bulky-bulky ketones` konnte durch Loop-engineering des Enzyms mehr als 100-fach gesteigert werden. Kenntnis des detaillierten Mechanismus der Aktivitätserhöhung könnte die Verwendung dieser Superfamilie von Reduktasen in der Biokatalyse noch interessanter machen. Ganzzellkatalysatoren sind eine billige und einfache Variante, Reduktasen einzusetzen und den für die Reaktion notwendigen Cofaktor NAD(P)H in situ zu rezyklieren. Wir planen den systematischen Vergleich rekombinanter und natürlicher Ganzzellkatalysatoren basierend auf Xylose Reduktase hinsichtlich Stereoselektivität, Umsetzungsgeschwindigkeit und Stabilitäten. Die Abhängigkeit der Katalysatorstabilität von der Konzentration toxischer Substrate und Produkte wird Prozesslösungen zur Substratzufuhr und in situ Produktentnahme leiten. Prozessoptionen werden im Hinblick auf industrielle Verwendbarkeit geprüft. Die Komplexität und Multivarianz von Ganzzellreduktionen erfordert den Einsatz von Operationsfenstern um die biologischen Limitierungen und industriellen Anforderungen zu visualisieren und zu bewerten.

Die Nummern eins, zwei, drei und neun der 10 meistverkauften Medikamente in der Geschichte sind kleine, enantiomerenreine Moleküle. Diese Verbindungen werden, Analysten zufolge, auch noch im Jahr 2020 eine führende Rolle in Blockbuster-Listen einnehmen (Daten von 2013 und 2014). Ein enantiomerenreiner Wirkstoff ist eines von zwei Molekülen, die sich spiegelbildlich gleichen; ähnlich wie rechte und linke Hände die eigentlich gleich sind aber eine gegensätzliche Orientierung aufweisen. Aufgrund der Enantiomerenreinheit vieler biologischer Moleküle (Proteine, Zucker etc.) können einzelne Enantiomere unterschiedliche Wirkungen haben: Eines kann die gewünschte pharmakologische Aktivität zeigen während das Andere inaktiv ist, weniger Aktivität zeigt oder sogar toxisch ist. Hochreine Enantiomere werden am einfachsten durch enzymkatalysierte Reaktionen erhalten. Allgegenwärtiger Zeitdruck in der Entwicklung pharmazeutischer Produkte verhindert jedoch oftmals sorgfältige Forschung und Optimierung enzymatischer Reaktionen. Dieses Projekt ermöglichte die gründliche Untersuchung einer biokatalytischen Reaktion vom Enzym bis zum Scale-up. Die Bioreduktion von o-Chloroacetophenon wurde dadurch zu einer der bestbeschriebenen biokatalytischen Reaktionen, die sich in der Literatur findet. Komplexe Zusammenhänge dieser Reaktion wurden nach und nach entschlüsselt und Optimierungsprobleme dem Enzym-, Katalysator, Reaktions- oder Prozesslevel zugeordnet. Erstmals wurde ein Algorithmus zur Identifizierung der effektivsten Strategie zur Herstellung eines bestimmten Alkoholmoleküls entwickelt. Dazu haben wir Diagnoseparameter zur Charakterisierung und zur Erkennung von Bottlenecks eingeführt. Das Herunterbrechen komplexer Reaktionen auf Grundprobleme die dem Enzym-, Katalysator, Reaktions- oder Prozessniveau der Reaktion zuordenbar sind, ist ein universeller Zugang der auch auf andere Bioreaktionen anwendbar ist.