Deracemisierungen mit Enzym-Membranreaktoren im Nanomaßstab

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-12-12
Issue Year
2022
Authors
Golombek, Florian
Editor
Abstract

Due to the often different pharmacological effects of two enantiomers of a racemate, enantioselective syntheses play an important role in the production of drug substances. One possibility for this is deracemization, in which, for example, a kinetic resolution of a racemate is combined with a racemization of the remaining enantiomer. In contrast to classical kinetic resolution, yields of more than 50 % can be achieved in this way. However, incompatibilities between the two reactions very often occur. Kinetic resolution is usually carried out by selective acylation with lipases. These enzymes often require organic solvents with low water activity to achieve high selectivities. Under these conditions, however, the mostly solvent-sensitive racemases are inactive, which is why spatial separation of the individual reactions is required. Therefore, the aim of this thesis was to develop nanoscaled enzyme membrane reactors (nano EMRs) that allow spatial separation of enzymatic reactions in aqueous two-phase systems at the nanoscale. For this, artificial polymeric vesicles, so-called polymersomes, were used. These vesicles consist of amphiphilic block copolymers and can be used to entrap soluble enzymes in their aqueous inner. To avoid disintegration of the vesicle membrane in organic solvents, the individual membrane polymers were crosslinked by radical polymerization. This preserved the integrity of the vesicle membrane and reduced the molecule loss of loaded versicles. Additionally, the mass transport of potential reactants across the membrane was increased by embedding the transmembrane channel protein Phosphoporin Protein E from Escherichia coli K 12 into the membrane. Finally, the suitability of these nano EMRs for deracemization reactions was demonstrated by the deracemization of (R,S) mandelate. For this, the lipase from Burkholderia cepacia was combined with the mandelate racemase from Pseudomonas putida ATCC 12633. While the highly solvent sensitive mandelate racemase was entrapped in the aqueous inner of the nano EMRs, the lipase was dispersed in the organic bulk phase at low water contents. By using both enzymes together in a one pot system, a yield of 72 % was achieved with an enantiomeric excess (ee) of >99 % regarding the product enantiomer.

Abstract

Aufgrund der oft unterschiedlichen pharmakologischen Wirkung zweier Enantiomere eines Racemats, spielen enantioselektive Synthesen in der Produktion von Arzneiwirkstoffen eine wichtige Rolle. Eine Möglichkeit hierfür bieten Deracemisierungen, bei denen beispielsweise eine Racematspaltung mit einer Racemisierung des verbleibenden Enantiomers kombiniert wird. Im Gegensatz zur klassischen Racematspaltung können so Ausbeuten von mehr als 50 % erzielt werden. Dabei treten jedoch sehr häufig Inkompatibilitäten zwischen den beiden Reaktionen auf. So erfolgen Racematspaltungen meist durch selektive Acylierungen mit Enzymen aus der Klasse der Lipasen, welche zum Erzielen hoher Selektivitäten üblicherweise organische Lösemittel mit geringer Wasseraktivität benötigen. Unter diesen Bedingungen sind die zumeist lösemittelsensitiven Racemasen jedoch inaktiv, weshalb eine räumliche Trennung der einzelnen Reaktionen erfolgen muss. Ziel dieser Forschungsarbeit war daher die Entwicklung von Enzymmembranreaktoren im Nanomaßstab (nano EMRs), welche die räumliche Trennung enzymatischer Reaktionen in wässrigen Zweiphasensystemen auf nanoskaliger Ebene ermöglichen. Als nano EMRs dienten künstliche Polymervesikel, sogenannte Polymersomen, deren Membranen aus amphiphilen Block Copolymeren bestehen und in deren wässrigem Inneren lösliche Enzyme eingeschlossen werden können. Um eine Desintegration der Vesikelmembran in organischen Lösemitteln zu vermeiden, wurden die einzelnen Membranpolymere durch radikalische Polymerisation quervernetzt. Hierdurch wurde die Integrität der Vesikelmembran erhalten und der Molekülverlust beladener Versikel verringert. Gleichzeitig wurde der Stofftransport potentieller Reaktanten über die Vesikelmembran erhöht, indem das Transmembrankanalprotein Phosphoporin Protein E aus Escherichia coli K 12 in die Membran eingebettet wurde. Die Eignung dieser nano EMRs für Deracemisierungen wurde schließlich anhand der Deracemisierung von (R,S) Mandelat gezeigt. Hierzu wurde die Lipase aus Burkholderia cepacia mit der Mandelatracemase aus Pseudomonas putida ATCC 12633 kombiniert. Während die Mandelatracemase aufgrund ihrer hohen Lösemittelsensitivität im wässrigen Innenraum der nano EMRs eingeschlossen wurde, konnte die Lipase in der organischen Bulkphase bei geringen Wasseranteilen dispergiert werden. Durch den gemeinsamen Einsatz beider Enzyme wurde eine Ausbeute von 72 % bei einem Enantiomerenüberschuss (enantiomeric excess, ee) des Produkt Enantiomers von >99 % erzielt.

DOI
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