Биокатализ как инструмент оптимизации фармацевтического синтеза лекарственных средств (обзор)


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Актуальность. Конкурентоспособность и признание российских препаратов на фармацевтическом рынке возможны только в том случае, если отечественный продукт и его технология будут вписаны в парадигму развития передового мирового фармацевтического производства, приоритетными драйверами которого являются экологичность и экономическая эффективность. Внедрение принципов «зеленой химии» - яркое проявление современного тренда и запроса на будущее в области разработки и производства лекарственных средств. Наиболее интересным аспектом «зеленой химии» с теоретической точки зрения и перспективным в практическом плане является оптимизация процессов синтеза фармацевтических субстанций посредством внедрения энзимного синтеза. Цель работы - показать результаты и перспективы применения биокатализа в синтезе лекарственных средств. Материал и методы. Материалом являлись научные публикации и патенты, посвященные современным проблемам и путям их решения в области «зеленой химии», «биокатализа» и «синтеза фармацевтических субстанций». При написании обзора использовались следующие методы: сравнение, анализ, систематизация и обобщение. Результаты. Дана краткая характеристика исторических «волн биокатализа», рассмотрены наиболее яркие примеры современного применения энзимного катализа в мировой практике фармацевтического синтеза, обобщены преимущества и перспективы использования биокатализа в синтезе лекарственных средств. Сделан вывод о том, что, несмотря на достаточный экспериментальный материал в смежных научных областях, в нашей стране практически не разрабатывается направление по использованию энзимного синтеза в области разработки и производства лекарственных средств.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В Печинский

Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: hplc@yandex.ru
к.фарм.н., доцент, кафедра фармацевтической химии г. Пятигорск, Россия

Список литературы

  1. Anastas P.T., Warner J.C. Green chemistry: theory and practice. New York: Oxford University Press, 1998.
  2. Truppo M.D. Biocatalysis in the pharmaceutical industry: the need for speed. ACS Medicinal Chemistry Letters. 2017; 8(5): 476-480. doi: 10.1021/acsmedchemlett.7b00114.
  3. База данных медицинских и биологических публикаций Национального центра биотехнологической информации (NCBI) США. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov.
  4. Federsel H.J., Moody T.S., Taylor S.J.C. Recent trends in enzyme immobilization-concepts for expanding the biocatalysis toolbox. Molecules. 2021; 26(9): 2822. doi: 10.3390/molecules26092822.
  5. Gkantzou E., Chatzikonstantinou A.V., Fotiadou R., Giannakopoulou A., Patila M., Stamatis H. Trends in the development of innovative nanobiocatalysts and their application in biocatalytic transformations. Biotechnol. Adv. 2021; 51: 107738. doi: 10.1016/j.biotechadv.2021.107738.
  6. Buchholz K., Poulson P.B. Overview of history of applied biocatalysis, in: Applied biocatalysis edited by Straathof A.J.J., Adlercreutz P. Amsterdam: CRC Press, 2000.
  7. Stein R.L. A Process Theory of enzyme catalytic power - the interplay of science and metaphysics. Found Chem. 2006; 8: 3-29. doi.org/10.1007/s10698-005-7907-8.
  8. Rastall R.A., Bucke Ch. Enzymatic synthesis of oligosaccharides. Biotechnology and genetic engineering reviews. 1992; 10(1): 253-282. doi: 10.1080/02648725.1992.10647890report2020.novozymes.com.
  9. Biotech powerhouse «Novozymes»: https://www.novozy-mes.com/en.
  10. Bornscheuer U.T., Huisman G.W., Kazlauskas R.J., Lutz S., Moore J.C., Robins K. Engineering the third wave of biocatalysis. Nature. 2012; 485: 185-194. doi.org/10.1038/nature11117.
  11. Tischer W. Umweltschutz durch technische Biokatalysatoren, in Symposium Umweltschutz durch Biotechnik. Boehringer Mannheim GmbH, 1990.
  12. Currin A., Swainston N., Day P.J., Kell D.B. Synthetic biology for the directed evolution of protein biocatalysts: navigating sequence space intelligently. Chem. Soc. Rev. 2015; 44: 1172-1236. doi.org/10.1039/C4CS00351A.
  13. Davis A., Plowright A., Valeur E. Directing evolution: the next revolution in drug discovery? Nat Rev Drug Discov. 2017; 16: 681-698. doi.org/10.1038/nrd.2017.146.
  14. Bornscheuer U.T., Hauer B., Jaeger K.E., Schwaneberg U. Directed evolution empowered redesign of natural proteins for the sustainable production of chemicals and pharmaceuticals. Angewandte Chemie. 2019; 58: 36-40. doi.org/10.1002/anie.201812717.
  15. Illane A. Dr. Frances Arnold is awarded with the Nobel Prize in Chemistry 2018: Good news for biocatalysis. Electronic Journal of Biotechnology. 2018; 36: A1. doi.org/10.1016/j.ejbt.2018.10.001.
  16. Jones C. W. Another nobel prize for catalysis: Frances Arnold in 2018. ACS Catal. 2018; 8: 10913-10913. doi.org/10.1021/acscatal.8b04266.
  17. Sheldon R.A., Brady D. The limits to biocatalysis: pushing the envelope. Chem. Commun. 2018; 54: 6088-6104. doi.org/10.1039/C8CC02463D.
  18. Woodley J.M. Accelerating the implementation of biocatalysis in industry. Appl Microbiol Biotechnol. 2019; 103: 47334739. doi.org/10.1007/s00253-019-09796-x.
  19. Poppe L., Vertessy B.G. The Fourth Wave of Biocatalysis Emerges - The 13th International Symposium on Biocatalysis and Biotransformations. ChemBioChem. 2018; 19(4): 284-287. doi.org/10.1002/cbic.201700687.
  20. Bornscheuer Uwe T. The fourth wave of biocatalysis is approaching. Phil. Trans. R. Soc. A. 2018; 376(2110): 1-7. doi.org/10.1098/rsta.2017.0063.
  21. Paul T. Anastas, Tracy C. Williamson Green chemistry. ACS Symposium Series. 1996; 626: 1-17. doi: 10.1021/bk-1996-0626.ch001.
  22. Achille Antenucci, Stefano Dughera, Polyssena Renzi Green chemistry meets asymmetric organocatalysis: a critical overview on catalysts synthesis. ChemSusChem. 2021; 14(14): 2785-2853. doi: 10.1002/cssc.202100573.
  23. Marian C. Bryan, Peter J. Dunn, David Entwistle, Fabrice Gallou, Stefan G. Koenig, et al. Green chemistry meets asymmetric organocatalysis: a critical overview on catalysts synthesis. Green Chem. 2018; 20: 5082-5103. doi: 10.1039/C8GC01276H.
  24. Organization for Economic Co-operation and Development (OECD). The Application of biotechnology to industrial sustainability. Paris: OECD Publishing, 2001. doi.org/10.1787/9789264195639-en.
  25. Faber K., Fessner W.-D., Turnerhttps N.J. Biocatalysis: Ready to master increasing complexity. Adv. Synth. Catal. 2019; 361: 2373-2376. doi.org/10.1002/adsc.201900610.
  26. Roschangar F., Colberg J., Dunn P.J., Gallou F., Hayler J. D., et al. A deeper shade of green: inspiring sustainable drug manufacturing. Green Chem. 2017; 19: 281-285. https://doi.org/10.1039/C6GC02901A.
  27. McElroy C. Robert, Constantinou Andri, Jones Leonie C., Summertona Louise, Clarkhttps James H. Towards a holistic approach to metrics for the 21st century pharmaceutical industry. Green Chem. 2015; 17: 3111-3121. doi.org/10.1039/C5GC00340G.
  28. Uwe T. Bornscheuer (Chemo-) enzymatic cascade reactions. Zeitschrift fur Naturforschung. 2019; 74(3-4): 61-62. doi.org/10.1515/znc-2019-0016.
  29. Rudroff F. Whole-cell based synthetic enzyme cascades - light and shadow of a promising technology. Current Opinion in Chemical Biology. 2019; 49: 84-90. doi.org/10.1016/j.cbpa.2018.10.016.
  30. Ramesh Hemalata, Nordblad Mathias, Whittall John, Woodley John M. Considerations for the application of process technologies in laboratoryand pilot-scale biocatalysis for chemical synthesis. Practical methods for biocatalysis and biotransformations 3. John Wiley & Sons, Ltd Print, 2016. doi.org/10.1002/9781118697856.ch01.
  31. Luke Rogers, Klavs F. Jensenhttps Continuous manufacturing - the Green Chemistry promise? Green Chem., 2019; 21: 3481-3498.doi.org/10.1039/C9GC00773C.
  32. Britton J., Majumdar S., Weiss G.A. Continuous flow biocatalysis. Chem. Soc. Rev. 2018; 47: 5891-5918. doi.org/10.1039/C7CS00906B.
  33. Lorenz P., Eck J. Screening for Novel Industrial Biocatalysts. Eng. Life Sci. 2004; 4(6): 501-504. doi.org/10.1002/elsc.200402159.
  34. Robertson D.E., Steer B.A. Recent progress in biocatalyst discovery and optimization. Curr Opin Chem Biol. 2004; 8(2): 141-149. doi: 10.1016/j.cbpa.2004.02.010.
  35. Robinson P. K. Enzymes: principles and biotechnological applications. Essays Biochem. 2015; 59(15): 1-41. doi: 10.1042/bse0590001.
  36. Noeya E. L., Tibrewalb N., Jimenez-Osesa G., Osunaa S., Parka J., et al. Origins of stereoselectivity in evolved ketoreductases. PNAS. 2015; 112(51): E7065-E7072. doi.org/10.1073/pnas.1507910112
  37. de Maria P.D., de Gonzalo G., Alcantara A.R. Biocatalysis as Useful Tool in Asymmetric Synthesis: An Assessment of Recently Granted Patents (2014-2019). Catalysts. 2019; 9 (802): 2-42. https://doi.org/10.3390/catal9100802.
  38. ZHEJIANG CHANGMING PHARMACEUTICAL CO Ltd. Patent CN105063120B. Publ. Date 07.08.2018.
  39. Zheng G., Chen Q. Patent CN104164469B. Publ. Date 26.11.2014.
  40. Mauro Gaboardi, Giuseppe Pallanza, Marco Baratella, Graziano Castaldi, Marta Castaldi. Patent WO2017144423A1. Publ. Date 31.08.2017.
  41. Kossaify A. Vernakalant in Atrial Fibrillation: A relatively new weapon in the armamentarium against an old enemy. Drug Target Insights. 2019; 13(1): 1-7. doi: 10.1177/1177392819861114.
  42. Limanto J., Ashley E.R., Yin J., Beutner G.L., Grau B.T., et al. A highly efficient asymmetric synthesis of vernakalant. Org. Lett. 2014; 16(10): 2716-2719. doi.org/10.1021/ol501002a.
  43. Debarge S., Erdman D.T., O'neill P.M., Kumar R., Karmilowicz M.J. Patent WO2014155291A1. Publ. Date 02.10.2014.
  44. Rother D., Poh M., Sehl T., Baraibar A.G. Patent WO2014198247A1. Publ. Date 18.12.2014.
  45. Bauer D.W., Hu S., O'neil P.M., Watson T. Patent WO2009019561A2 Publ. Date 14.05.2009.
  46. Wang W., Taber D.F., Renata H. Practical enzymatic production of carbocycles. Chemistry. 2021; 27(46): 11773-11794. doi: 10.1002/chem.202101232.
  47. Federsel H.J., Moody T.S., Taylor S.J.C. Recent trends in enzyme immobilization-concepts for expanding the biocatalysis toolbox. Molecules. 2021; 26(9): 2822. doi: 10.3390/molecules26092822.
  48. Ayala M., Segovia L., Torres E. Halogenases: a biotechnological alternative for the synthesis of halogenated pharmaceuticals. Mini Rev Med Chem. 2016; 16(14): 1100-1111. doi: 10.2174/1389557516666160623100619.
  49. Li G., Wang J.B., Reetz M.T. Biocatalysts for the pharmaceutical industry created by structure-guided directed evolution of stereoselective enzymes. Bioorg Med Chem. 2018; 26(7): 1241-1251. doi: 10.1016/j.bmc.2017.05.021.
  50. Jiang W., Fang B. Synthesizing chiral drug intermediates by biocatalysis. Appl Biochem Biotechnol. 2020; 192(1): 146179. doi: 10.1007/s12010-020-03272-3.
  51. Tian C., Xiu P., Meng Y., Zhao W., Wang Z., Zhou R. Enantiomerization Mechanism of Thalidomide and the Role of Water and Hydroxide Ions. Chemistry А. European Journal. 2012; 18(5): 14305-14313. doi.org/10.1002/chem.201202651.
  52. Bezborodov A.M., Zagustina N.A. Enzymatic biocatalysis in chemical synthesis of pharmaceuticals (Review). Appl Biochem Microbiol. 2016; 52: 237-249. doi.org/10.1134/S0-003683816030030.
  53. Hoyos P., Pace V., Hernaiz M.J., Alcantara A.R. Biocatalysis in the pharmaceutical industry. A greener future. Current Green Chemistry. 2014; 1(2): 115-181 doi: 10.2174/2213346-101666131113201722.
  54. Huffman M.A., Fryszkowska A., Alvizo O., Borra-Garske M., Campos K.R., et al. Design of an in vitro biocatalytic cascade for the manufacture of islatravir. Science. 2019; 366(6470): 1255-1259. doi: 10.1126/science.aay8484.
  55. Del Arco J., Acosta J., Fernandez-Lucas J. New trends in the biocatalytic production of nucleosidic active pharmaceutical ingredients using 2'-deoxyribosyltransferases. Biotechnol Adv. 2021; 51: 107701. doi: 10.1016/j.biotec-hadv.2021.107701.
  56. InterPro. Classification of protein families: https://www.ebi.ac.uk/interpro.
  57. PfamScan. PfamScan is used to search a FASTA sequence against a library of Pfam HMM: https://www.ebi.ac.uk/T.ools/pfa/pfamscan.
  58. Selenzyme: Enzyme Selection Tool: http://selenzyme.syn-biochem.co.uk.
  59. Carbonell P., Wong J., Swainston N., Takano E., Turner N.J., et al. Selenzyme: enzyme selection tool for pathway design. Bioinformatics. 2018; 34(12): 2153-2154. doi.org/10.1093 /bioinformatics/bty065.
  60. Rahman S., Cuesta S., Furnham N., Holliday G.L., Thornton J.M. EC-BLAST: a tool to automatically search and compare enzyme reactions. Nature Methods. 2014; 11: 171-174. doi.org/10.1038/nmeth.2803.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Число ежегодных публикаций по тематике «green technology» по данным сайта https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov

Скачать (73KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Число ежегодных публикаций по тематике «green chemistry» по данным сайта https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov

Скачать (81KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схема биокаталитического синтеза 6-аминопеници-лановой кислоты [10]

Скачать (51KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Энантиоселективный синтез Fosamprenavir и Sulopenem [36]

Скачать (54KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Биокаталитический синтез селективных агонистов β3-адренергических рецепторов [37]

Скачать (37KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Хемоэнзимный синтез Levetiracetam [38]

Скачать (54KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Энзимный синтез Ticagrelor [39]

Скачать (45KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Биокаталитический синтез Sofosbuvir [40]

Скачать (62KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Стереоселективный энзимный синтез Vernakalant [41]

Скачать (41KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Синтез прегабалина с участием трансаминаз [43]

Скачать (32KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Стереоселективный синтез Cathine [44]

Скачать (34KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Хемоэнзимный способ синтеза статинов [53]

Скачать (33KB)
Метаданные

© ИД "Русский врач", 2022