Достижения в области ферментативного катализа для процессов производства Green API

В последние годы фармацевтическая промышленность все чаще обращается к ферментативному катализу как устойчивой альтернативе традиционному химическому синтезу. Этот сдвиг направлен на снижение воздействия на окружающую среду при одновременном повышении эффективности производства активных фармацевтических ингредиентов (APIs). Движимые ужесточением нормативных требований и корпоративных обязательств по устойчивости, производители в настоящее время развертывают инженерные ферменты для замены опасных реагентов, сокращения использования растворителей и снижения энергетических потребностей. Растущий объем исследований и промышленных тематических исследований показывает, что ферментативные процессы могут соответствовать или превышать выходы обычных маршрутов, при этом генерируя значительно меньше отходов.

Зелёная химия в производстве API

Принципы зеленой химии, изложенные в 12 принципах Пола Анастаса, подчеркивают снижение опасных веществ, энергопотребления и образования отходов. Ферментативный катализ идеально согласуется с этими принципами, предлагая специфические, эффективные и экологически чистые реакции. Например, биокаталитические реакции обычно работают в мягких условиях (температура окружающей среды, нейтральный рН и низкое давление) по сравнению со многими химиокаталитическими методами, которые требуют высоких температур или токсичных металлических катализаторов. Эта присущая мягкость не только повышает безопасность, но и минимизирует побочные продукты и упрощает очистку ниже по течению.

Фармацевтический сектор сталкивается с уникальным давлением, чтобы принять зеленую химию. API - это сложные молекулы, часто требующие многоступенчатых синтезов, которые генерируют 25-100 кг отходов на килограмм продукта. Заменяя химические катализаторы ферментами, фирмы могут достичь более высокой атомной экономики и снизить свой E-фактор (фактор воздействия на окружающую среду). Агентство по охране окружающей среды США и Институт зеленой химии Американского химического общества признали ферментативные процессы в качестве ключевого рычага для достижения более устойчивого производства. Кроме того, Международный консорциум по инновациям и качеству в области фармацевтического развития (IQ) опубликовал отраслевые руководящие принципы, поощряющие биокатализ на ранней стадии разработки, чтобы упростить более позднее масштабирование.

Одно очевидное преимущество: ферменты являются биоразлагаемыми и получены из возобновляемых источников, в отличие от многих катализаторов тяжелых металлов, которые требуют тщательной утилизации. Растущий спрос на «зеленые» API как со стороны регуляторов, так и конечных потребителей ускоряет интеграцию биокатализатора в коммерческие производственные линии. Например, внедрение Pfizer трансаминазного маршрута для препарата для лечения диабета ситаглиптин устранил этап гидрирования под высоким давлением и сократил общие отходы на 19% при одновременном повышении урожайности на 10-13%.

Последние достижения в ферментативном катализе

Достижения в области ферментной инженерии, такие как направленная эволюция и модификация белка, привели к ферментам с повышенной стабильностью, активностью и объемом субстрата. Эти улучшения позволяют ферментам эффективно функционировать в промышленных условиях, включая высокие концентрации субстрата, органические сорастворители и повышенные температуры, которые когда-то считались несовместимыми с биологическими катализаторами. Работа Фрэнсис Арнольд, получившая Нобелевскую премию по направленной эволюции, проложила путь для создания индивидуальных ферментов, которые могут принимать ненатуральные субстраты или выполнять реакции, не встречающиеся в природе.

Современный высокопроизводительный скрининг и вычислительный дизайн белков ускоряют открытие новых биокатализаторов. Алгоритмы машинного обучения теперь предсказывают эффекты мутаций и направляют инженеров к термостабильным, толерантным к растворителям вариантам. Например, Codexis (теперь часть Novozymes) коммерциализировал многочисленные инженерные ферменты для фармацевтических применений, включая кеторедуктазы, трансаминазы и нитрилазы, которые работают в промышленно значимых масштабах. Эти ферменты теперь доступны в коммерческих наборах, снижая барьер для принятия в лабораториях разработки процессов.

Развитие иммобилизованных ферментов позволяет их повторное использование, снижая затраты и повышая устойчивость процесса. Новые биокатализаторы теперь способны катализировать сложные реакции, которые ранее были сложными или невозможными с помощью традиционных методов, таких как асимметричная активация C-H, селективное окисление на месте и конденсации типа альдола. Биокатализатор потока - где ферменты иммобилизованы в реакторах с упакованной кроватью - предлагает непрерывное производство, лучшую передачу массы и более простое масштабирование по сравнению с пакетными процессами.

Ферментный каскад и многоступенчатые биотрансформации

Последние исследования были сосредоточены на ферментных каскадах, в которых множественные биокаталитические шаги происходят в одном реакционном сосуде без промежуточной изоляции. Этот подход имитирует естественные метаболические пути и резко снижает требования к использованию растворителей, труду и капитальному оборудованию. Например, одноточечный синтез препарата ВИЧ излатравира с использованием инженерных ферментов Merck и Codexis заменил 7-ступенчатый химический маршрут 3-ступенчатым биокаталитическим каскадом, достигнув более высокого выхода и 81% сокращения отходов.

Расширение инструментария биокаталитического

Помимо гидролаз и оксидоредуктаз, в производство АФИ входят новые классы ферментов. Иминовые редуктазы и эн-редуктазы позволяют асимметрично восстанавливать прохиральные субстраты. Карбен-трансферазы, разработанные из гемовых белков, могут катализировать циклопропанации и вставки, ранее эксклюзивные для катализаторов переходных металлов. Широта реакций, доступных теперь через биокатализ, быстро расширяется, обещая охватить большинство формирующих связь химий, необходимых в фармацевтическом синтезе.

Приложения в API Synthesis

Ферментативные процессы все чаще используются в синтезе хиральных соединений, которые жизненно важны во многих АФИ. Их высокая стереоселективность обеспечивает выработку чистых энантиомеров, снижая необходимость в обширной очистке. Это особенно ценно для хиральных препаратов, где один энантиомер терапевтически активен, а другой может быть токсичен или неактивен. Например, блокбастер понижающий холестерин препарат Аторвастатин использует фермент кеторедуктазы для установки ключевого хирального центра с >99,9% энантиомерным избытком.

Примеры включают синтез антибиотиков (например, цефалоспоринов с помощью пенициллина G ацилазы), противовирусных препаратов (например, ингибитора протеазы ВИЧ дарунавира с использованием трансаминазы) и противовоспалительных агентов (например, напроксена с помощью липаз-катализированного разрешения), где ферменты обеспечивают более чистые, безопасные и более экономически эффективные пути. Синтетический путь для противовирусного ремдесивира был улучшен путем замены этапа химического фосфорилирования ферментативным каскадом, который сокращает общее использование органических растворителей на 50%.

Коммерческие успехи

Несколько знаковых реализаций демонстрируют зрелость ферментативного производства API. В производстве Merck промежуточного соединения Januvia использовалась трансаминаза, которая была спроектирована через 11 раундов направленной эволюции. Полученный процесс выполнялся при нагрузке субстрата 200 г/л, с выходом 92% и энантиомерной чистотой 99,95%. Аналогично, Boehringer Ingelheim разработал иммобилизованный процесс кеторедуктазы для промежуточного соединения API, которое работало более 100 циклов без значительной потери активности.

Китайский производитель API недавно увеличил объемы липазного катализа ключевой цепи статиновых компонентов до 10 000 литров, что позволило снизить общие производственные затраты на 40% по сравнению с химическим маршрутом. Эти успехи побуждают небольшие фирмы и организации по разработке контрактов принимать биокатализаторы на более ранних этапах разработки.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на эти достижения, остаются проблемы, такие как стабильность ферментов в суровых промышленных условиях и масштабируемость биокаталитических процессов. Текущие исследования направлены на преодоление этих барьеров посредством проектирования ферментов и оптимизации процессов. Например, белковая инженерия может повысить термостабильность за счет введения дисульфидных связей или за счет эволюции при повышенных температурах. Иммобилизация также защищает ферменты от денатурации и позволяет непрерывно работать в проточных реакторах.

Субстрат и ингибирование продукта являются общими проблемами, которые требуют тщательной инженерии реакции. Стратегии дозирования с использованием Fed-batch или непрерывного дозирования могут удерживать концентрации на низком уровне. Инженерия растворителей - с использованием двухфазных систем или сорастворителей - может улучшить растворимость без ингибирования фермента. Вычислительные инструменты, такие как молекулярная динамика и моделирование квантовой механики / молекулярной механики (QM / MM), теперь используются для прогнозирования связывания субстрата и руководства разработкой более толерантных вариантов.

Регуляторное принятие ферментативных процессов улучшается. Многие агентства теперь принимают данные с биокаталитических маршрутов без необходимости полного повторного тестирования, если окончательный профиль примесей соответствует зарегистрированному процессу. В руководстве ICH Q11 по разработке и производству лекарственных веществ прямо упоминается биокатализатор как приемлемая технология. FDA США выпустило несколько руководящих документов, поощряющих использование непрерывного производства и биокатализатора для улучшения качества по дизайну.

Интеграция с непрерывным производством

Сочетание ферментативных реакций с непрерывной обработкой потока является основной областью роста. Непрерывные биотрансформации обеспечивают лучшую передачу тепла и массы, сокращение объемов реакторов и более быстрое развитие процесса. Несколько компаний строят сквозные непрерывные производственные линии, которые включают в себя несколько ферментативных этапов с встроенной очисткой. Эта интеграция может сократить общее время цикла от недель до дней.

Метрики устойчивости и анализ жизненного цикла

Для количественной оценки выгод все чаще применяется оценка жизненного цикла (LCA) для сравнения ферментативных маршрутов с традиционными методами. Например, недавний LCA липаз-катализированного маршрута для общего API показал снижение потенциала глобального потепления на 60% и сокращение потребления воды на 70% по сравнению с химическим маршрутом. Эти показатели помогают оправдать инвестиции в биокатализ и поддерживают нормативные заявки на эко-марки или награды зеленой химии.

Будущее ферментативного катализа в производстве API является многообещающим, и ожидается, что продолжающиеся инновации сделают зеленое производство стандартом в фармацевтической промышленности. По мере того, как инструменты вычислительного проектирования созревают и высокопроизводительные эксперименты становятся дешевле, сроки разработки ферментов сокращаются от лет до месяцев. Сближение биокатализатора, химии потока и анализа процессов будет стимулировать следующую волну фармацевтической устойчивости - в конечном итоге обеспечивая более безопасные лекарства при более низких экологических затратах.

Внешние ресурсы для дальнейшего чтения