У останні роки фармацевтична промисловість все частіше перетворилася на ферментативний каталіз, як стійку альтернативу традиційним хімічним синтезу. Цей зсув спрямований на зменшення впливу навколишнього середовища при підвищенні ефективності у виробництві активних фармацевтичних інгредієнтів (APIs). Привод за рахунок затягування нормативних вимог і корпоративних зобов'язань, виробники тепер розгортаються інженерні ферменти для заміни небезпечних реагентів, зрізані розчинники, і менші енергетичні вимоги. Врожайе тіло науково-промислового випадку дослідження демонструє, що ферментативні процеси можуть відповідати або перевиваджувати надходження звичайних маршрутів при генеруванні значно менше відходів.

Імпортація зеленої хімії в API Виробництво

Принципи зеленої хімії — як описано в принципах Paul Anastas’s 12 — підкреслить зменшення небезпечних речовин, споживання енергії та утворення відходів. Ензиматичний каталіз прекрасно вирівняється з цими принципами, пропонуючи специфічні, ефективні та екологічно чисті реакції. Наприклад, біокаталітичні реакції зазвичай діють в умовах м’яких умов (температурна температура, нейтральна pH та низький тиск) порівняно з багатьма хіміокаталітичними методами, які вимагають високих температур або токсичних металевих каталізаторів. Цей властивий м’якість не тільки покращує безпеку, але й мінімує побічні продукти та спрощує очищення.

фармацевтичний сектор відповідає унікальним тиском, щоб прийняти зелену хімію. API є складними молекулами, часто вимагають багатоступінкових синтезів, які генерують 25–100 кг відходів на кілограм продукту. За даними хімічних каталізаторів з ферментами, фірма може досягати більшої економіки атомів і зменшити їх E-фактор (екологічний фактор впливу). Агентство захисту навколишнього середовища США та Інститут зеленої хімії Американського товариства мають обидва визнані ферментативні процеси як ключове важіль для досягнення більш сталого виробництва. Крім того, Міжнародний консорціум інновацій та якості в фармацевтичному розвитку (IQ) опублікував галузеві принципи, що стимулюють біокаталізу в ранньому стані розвитку.

Одна чітка вигода: ферменти біологічнорозширюються і отримані з відновлюваних джерел, на відміну від багатьох важких металевих каталізаторів, які вимагають ретельного утилізації. Виростаючий попит на «зелені» API з обох регуляторів і кінцевих споживачів прискорює інтеграцію біокаталізу в комерційні лінії виробництва. Наприклад, впровадження Пфайзера трансамінази-на основі маршруту для препарату цукрового діабету sitagliptin усунено високий тиск воднюючого кроку і зменшено загальний відходи на 19% при поліпшенні врожайності на 10–13%.

Останні досягнення в ферментативному каталізі

Поспішає в ферментній інженерії, такі як спрямований еволюція та модифікація білка, призвели до ферментів з підвищеною стабільністю, діяльністю та сферою субстрату. Ці поліпшення дозволяють ферментам ефективно функціонувати в промислових умовах, включаючи концентрацію високих субстратів, органічні корозійні речовини, і підвищені температури, які колись були поєднані з біологічними каталізаторами. Франції «Арнольд» Нобелівська премія-переможна робота на спрямованій еволюції, покладає шлях створення індивідуальних ферментів, які можуть приймати ненатурні субстрати або виконувати реакції, не знайдені в природі.

Сучасний високопродуктивний скринінг і обчислювальний дизайн білка прискорюють відкриття нових біокаталізистів. Інженерні алгоритми навчання тепер прогнозують впливи мутації і керують інженерами до термостабільних, розчинників-доносних варіантів. Наприклад, Кодксіс (нині частина Новозимів) має комерційні багато інженерних ферментів для фармацевтичних додатків, включаючи протооводи, трансамінеси, нітриласи, які працюють на промислових відповідних масштабах. Ці ферменти тепер доступні в комерційних комплектах, знижуючи бар'єр для прийняття в процесі розробки лабораторій.

Розвиток іммобілізованих ферментів дозволяє використовувати їх повторно, знизити витрати і підвищити стійкість процесу. Нові біокаталісти тепер здатні каталізувати складні реакції, які раніше були складними або неможливими з традиційними методами, такими як асиметрична активація C–H, локалізація сайту, і конденсації альдол-типу. Повільний біокаталіз - де ферменти є аммобілизованими в пакувально-бегових реакторах — пропонує безперервне виробництво, краще масове перенесення, і більш простий масштаб-ап у порівнянні з пакетними процесами.

Ензиме Каскад та багатоступінчасті біотрансформації

Останні дослідження зосереджені на ферментних каскадах, в яких виникають кілька біокаталітичних кроків в одному реабілітаційному посуді без проміжної ізоляції. Цей підхід міміксує природні метаболічні шляхи і різко знижує використання розчинника, трудові та капітальні вимоги. Наприклад, синтез одного майданчика препарату єлатравір з використанням інженерних ферментів з лоцерка і Кодксіза замінив 7-кроковий хімічний маршрут з 3-крометровим біокаталітичним каскадом, досягнення більшої врожайності і зменшення 81% у відходах.

Розширення біокаталітичної коробки інструментів

За межами гідролазів і окисдропровідази, нові ферментні класи вступають до виробництва API. Імінові редукти і ен-редукти дозволяють асиметричне скорочення прохідних субстратів. Карбене-трансферази, що інженеруються з білків гемопродуктів, можуть каталізувати циклопарати і вставки, які раніше виключають до переходу-металічних каталізаторів. Христання реакцій тепер доступні через біокаталізу, швидко розширюється, перспективно, щоб покрити більшість хіміків, необхідних в фармацевтичному синтезі.

Застосування в синтезі API

Ензиматичні процеси все частіше використовуються в синтезі хіральних сполук, які життєво важливі в багатьох API. Їх висока стереоселекторність забезпечує виробництво чистого енантиомерів, зменшення потреби для широкого очищення. Це особливо цінний для хіральних препаратів, де один енантомер є лікувально-активним, тоді як інші можуть бути токсичні або неактивні. Наприклад, блокбустерний холестерин-обіг препарату Аторвастатін використовує фермент протооаза для встановлення ключового хірального центру з >99.9% ентиомический надлишок.

Приклади включають синтез антибіотиків (наприклад, цефалоспорини через пеніцилліну G астелла), антивіруси (наприклад, інгібітора протеази ВІЛ дерунавірусу з використанням трансамінази), а також протизапальних засобів (наприклад, напроксен через ліпаза-каталізовану роздільну здатність), де ферменти забезпечують очищувач, безпечніше і більш економічно вигідні шляхи. синтетичний маршрут антивірусного редезивору було покращено шляхом зараження хімічного фосориляції крок з ферментативним каска, який зрізав загальний органічний розчинник, використовуючи 50%.

Історії успіху комерційного успіху

Кілька зауважень демонструють зрілість ферментативного виробництва API. Виробництво компанії «Мелоцьк» використовується трансаміназа, яка була інженерована через 11 раундів спрямований еволюції. Отриманий процес, який виконується на 200 г/л, з 92%, врожайністю та 99,95% ентиомеринною чистотою. Аналогічно, Boehringer Ingelheim розробило іммобілізований процес протооводизації API, який працює на понад 100 циклів без суттєвих втрат активності.

Китайський виробник API нещодавно масштабував синтез ланцюга для патологічних томів, що мають на увазі зниження кількості 40% у загальному обсязі виробництва порівняно з хімічним маршрутом. Ці успіхи є залучення менших фірм і організацій з розробки контрактів, щоб прийняти біокаталізу раніше в процесі розробки.

Виклики та перспективи

Незважаючи на ці досягнення, проблеми залишаються, такі як стійкість ферментів при суворих промислових умовах і масштабованість біокаталітичних процесів. Дослідження спрямоване на подолання цих бар’єрів через ферментну оптимізацію та оптимізації процесів. Наприклад, білкова інженерія може збільшити термостабільність шляхом введення дисульпідних облігацій або еволюції при підвищених температурах. Іммобілізація також захищає ферменти від денатурації і дозволяє безперервно працювати в реакторах потоку.

Підстрат і інгібіціонування продукту є загальними питаннями, які вимагають ретельної реакції інженера. Фед-Батт або безперервні дозування стратегії можуть зберігати концентрації низьких. Розчинна інженерія — використання біфазних систем або ко-розійних розчинів — може поліпшити розчинність без гальмування ферменту. Комбінаційні інструменти, такі як молекулярна динаміка та квантова механіка / мулькулярні механіки (QM / ММ) моделювання, які тепер використовуються для прогнозування підкладки, що прив'язуються і доводять дизайн більш толерантних варіантів.

Нормативне прийняття ферментативних процесів є поліпшення. Багато агентств, які зараз приймають дані з біокаталітичних маршрутів без необхідності повного ретестування, якщо остаточний профіль домішок відповідає зареєстрованому процесу. Настанова ICH Q11 щодо розробки та виробництва лікарських речовин, явно згадується біокаталізу як прийнятна технологія. FDA видала кілька настановчих документів, що містять використання безперервного виробництва та біокаталізу для підвищення якості за допомогою дизайну.

Інтеграція з безперервним виробництвом

Поєднання ферментативних реакцій з безперервною обробкою потоку є основною зоною росту. Безперервні біотрансформації пропонують краще тепло і масове перенесення, зменшення обсягів реактора і більш швидке розвиток процесу. Кілька компаній будують кінцеві безперервні виробничі лінії, які включають кілька ферментативних кроків з внутрішньолінійним очищенням. Ця інтеграція може зменшити загальний час циклу з тижнів до днів.

Аналіз стійкості та життєво-чисельного аналізу

Для кількісного визначення переваг, оцінки життєвого циклу (LCA) все частіше застосовується для порівняння ферментатичних маршрутів з традиційними методами. Наприклад, останнім ЛКА ліпази-каталізуючого маршруту для генного API показали зниження 60% глобального теплого потенціалу і зниження 70% споживання води порівняно з хімічним маршрутом. Ці метрики допомагають вирівняти інвестиції в біокаталізу і підтримувати нормативні нитки для еколабелі або зелених хімічних нагород.

Майбутнє ферментативного каталізу в виробництві API є перспективним, з тривалими інноваційними очікуваними, щоб зробити зелене виробництво стандарта в фармацевтичній промисловості. Оскільки обчислювальні інструменти зрілого та високого проходу експериментують стає дешевше, часові лінії розвитку ферментів усаджуються з років до місяців. Збіжність біокаталізу, хімії потоку та аналітика процесу приведе до наступної хвилі фармацевтичної стійкості — в кінцевому підсумку, постачання безпечних препаратів при меншій вартості навколишнього середовища.

Зовнішні ресурси для подальшого читання