Dr. Poppe László BME Szerves Kémia és Technológia Tsz ... · ¾Molekuláris biológia ¾Biokémia ¾Sejtbiológia és embriológia (őssejt kutatás) ¾Bioinformatika ¾Vegyész

2009. 11. 24. Mindennapi KMindennapi Kéémiamia

BiotechnolBiotechnolóógia a kgia a kéémimiáábanban

Dr. Poppe LászlóBME Szerves Kémia és Technológia Tsz

Biológiai rendszerek alkalmazása a kémiában és a mindennapokban

22 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.

BiotechnolBiotechnolóógiagia –– Mi is az ?Mi is az ?

Bármilyen technológia, amely biológiai rendszereket − élő szervezeteket, vagy azok bármilyen származékát − alkalmaz termékek vagy gyártási eljárások kifejlesztésére vagy módosítására.

1970 elött: elsősorban az élelmiszeripar és az agrárgazdaságtermékei és eljárásai1970 után: elsősorban a biológiai kutatásokban felhasznált laboratóriumi eljárásokon- alapuló új technológiák, mint rekombinánsDNS technikák, szövetkultúra alapú eljárások, növényi rendszerekben végzett horizontális gén-transzfer vagy élő − akár emlős − szervezetek klónozása


A biotechnológia változatos módszereket és tudományterüleket alkalmaz:

BiotechnolBiotechnolóógiagia –– Milyen mMilyen móódszereket alkalmaz?dszereket alkalmaz?

GenetikaMolekuláris biológiaBiokémiaSejtbiológia és embriológia (őssejt kutatás)BioinformatikaVegyész és biomérnöki módszerekRobotika Nano-biotechnológia


BiotechnolBiotechnolóógiagia –– FFőőbb alkalmazbb alkalmazáási tersi terüületeiletei

Orvosi és gyógyászati alkalmazások

Agrár és élelmiszeripari alkalmazások

Biomérnöki alkalmazások

Bioremediáció és biodegradáció


BiotechnolBiotechnolóógiagia –– GyGyóógygyáászati alkalmazszati alkalmazáásoksok

FarmakogenomikaGyógyszeripari termékekGén tesztekGénterápiaHuman Genom ProjectKlónozás


Termő növények hozamának növeléseTermő növények ellenállóképességének növeléseÉlelmiszerkomponensek hozamának és minőségének növeléseÉlelmiszerek ízének, megjelenésének és állagának javításaCsökkentett peszticid, műtrágya és egyéb agrokemikália felhasználásTermő növények felhasználása új anyagok előállítására

BiotechnolBiotechnolóógiagia –– AgrAgráár r éés s éélelmiszeriparlelmiszeripar


BiotechnolBiotechnolóógiagia –– BiomBioméérnrnööki alkalmazki alkalmazáásoksok

Új termékek megújuló forrásokból (non-food applications)Biotranszformációkkal kapcsolatos biomérnöki fejlesztésekOrvosbiológiai mérnökség

Hagyományos mérnöki tudományok ötvözése biológiai módszerekkel, termékekkel


BiotechnolBiotechnolóógiagia –– BiodegradBiodegradáácicióó, bioremedi, bioremediáácicióó

Biodegradáció anyagok, elsősorban szerves vegyületek lebontása élő szervezetek illetve az általuk termelt enzimek segítségével. A biodegradáció szoros kapcsolatban áll a környezeti ökölógiával, hulladékkezeléssel és a biodegradáción alapuló remediációval. A szerves anyagok lebontása alapvetően lejászódhat anaerob módon (oxigén nélkül) ill. aerob (oxigént felhasználó) eljárásokkal.

Bioremediáció: olyan eljárás, melynek során mikroorganizmusokat, gombákat vagy zöld növényeket ill. az általuk termelt enzimeket használjuk fel a természetes környezet eredeti állapotának helyreállítására, elsősorban a szennyező anyagok lebontásával.Bakteriális bioremediáció használható fel például talaj klórozott szénhidro-génmentesítése során. Másik példa lehet az olajszennyezések mikrobiális degradációjának gyorsítása nitrát és szulfát műtrágyák alkalmazásával.


A fermentA fermentáácicióó éés a biotranszforms a biotranszformáácicióóöösszehasonlsszehasonlííttáásasa

Definiált szerkezetű

termék


termék

Nem definiált olcsó szénforrás,

Egyszerű N, P, S, nyomelem forrás

⇒

FFERMENTERMENTÁÁCICIÓÓ

Előnyök, hátrányok+ + Bonyolult, többlépéses folyamat

"egyszerű" kivitelezése-- Összetett elegy (tápanyagok,

melléktermékek, stb.), nehezebb kinyerés

-- Összetett mikrobiológiai ismeretek, több tapasztalat szükségeltetik


termék


termék

BBIOTRANSZFORMIOTRANSZFORMÁÁCICIÓÓ

Definiált szerkezetűszubsztrát

Definiált szerkezetűszubsztrát

BiokatalizátorBiokatalizBiokatalizáátortor

Előnyök, hátrányok+ + Egyszerűbb közeg, "tisztább" reakció

-- Izolált, tisztított biokatalizátor "drágább", előállítása bonyolultabb lehet

-- "Kevesebb" ismeret, egyszerűbb megvalósíthatóság


A biokatalizA biokatalizáátorok torok éés alkalmazs alkalmazáási tersi terüületeikleteik

A bA bioiokkatalatalizizáátoroktorok legtlegtööbbszbbszöörr enzenziimemekk

A biokatalízis különféle célokra többféle biokatalizátor felhasználásával alkalmazható

Többsejtes rendszerek

Mikroorganizmusok

Enzimek

Gyógyszer – Finomvegyszer – Kozmetikum - Üzemanyag


Mikroorganizmusok, egész-sejtes rendszerekMikroorganizmusok,

egész-sejtes rendszerek

Homogén enzimHomogén enzim

EnzimekEnzimek

Élő egész-sejtesrendszerek

Élő egész-sejtesrendszerek

Holt sejtekHolt sejtek

Feltárt sejt, nyers enzimkészítmény

Feltárt sejt, nyers enzimkészítmény

Részlegesen tisztítottenzim

Részlegesen tisztítottenzim

A bA biokataliziokatalizáátorok megjelentorok megjelenéési formsi formááii


BiotranszformBiotranszformáácicióó -- Korai elKorai előőzmzméényeknyek

ENZIMATIKUSENZIMATIKUS

1836: (SchwannSchwann) A gyomornedv aktív komponense(pepszin) in vitro emészti a húst

1876: (KKüühnehne) Az "enzim" fogalom

1894: (E. FischerE. Fischer) α-MeO-Glc ⇒maltáz⇒ α-Glcβ-MeO-Glc ⇒emulzin⇒ β-Glc

1914: (ZemplZempléénn G.)G.)Kb. 150 oldalas magyar nyelvű összefoglalóaz enzimek kémiai alkalmazásáról(pl. ricinusmag izolátum használatazsír-bontásra több tonnás tételben)

OH + 2 O2biokatalizátor

H2O+OH

O

MIKROBIOLMIKROBIOLÓÓGIAI GIAI

I. e. 2000: Ecetgyártás első emlékei

XIX. sz: Az első "rögzített sejtes bioreaktor" ⇒(ágakon megkötött sejteken átfolyóalkoholtartalmú oldat)

1858: (PasteurPasteur)Borkősav mikrobiológiai reszolválása

1930: (Knoll AGKnoll AG) L-Efedrin gyártásCHO

O

O

OHO

OH

NHMe

OHS. cerevisiae kémiai

OH + 2 O2biokatalizátor

H2O+OH

O


EnzimkatalEnzimkatalíízis zis –– TTöörrttéénelmi mnelmi méérfrfööldkldköövekvek

1836: (Schwann) Hús in vitro emésztése pepszinnel1876: (Kühne) Az "enzim" név és fogalom1890: (Takamine Co.) Takadisztáz - az első iparilag alkalmazott enzimkészítmény1897: (Hill) Az enzimműködés reverzibilis (hidrolázok)1906: (Pottevin) Metil oleát szintézise gyakorlatilag szerves közegben (MeOH + olajsav)1913: (Michaelis, Menten) Az enzimkatalízis kinetikai alapjai1926: (Summer) Ureáz: az első kristályos fehérje. Az enzim⇔fehérje kapcsolat felismerése1950-es évek (Watson, Crick és többen) A DNS, RNS szerkezete, a genetikai kód1967: (Phillips) Lizozim - Röntgen krisztallográfia: az első fehérje harmadlagos szerkezet1969: (Gutte, Merrifield) A Ribonukleáz A enzim kémiai totálszintézise 11'931 műveletben1969: (Tanabe Co) Az első iparilag alkalmazott rögzített enzim (Aminoaciláz⇔L-metionin)1983: (Ensley) Az első iparilag alkalmazott rekombináns mikroorganizmus

(Pseudomonas putida gének → Esherichia coli → indigó előállítás)1986: (Klibanov) Az enzimek többsége működőképes "vízmentes" szerves közegben1992: (többen) HIV-1 proteáz (99 aminosav) enantiomer formájának szintézise

D-aminosavakból (az enzimek sztereoszelektivitásának forrása kiralitásuk) HIV-1 proteáz ⇒ L-aminosavból álló peptideket hasítjaent-HIV-1 proteáz ⇒ D-aminosavakból álló peptideket hasítja

1836: (SchwannSchwann) Hús in vitro emésztése pepszinnel1876: (KKüühnehne) Az "enzim" név és fogalom1890: (Takamine Co.)Takamine Co.) Takadisztáz - az első iparilag alkalmazott enzimkészítmény1897: (HillHill) Az enzimműködés reverzibilis (hidrolázok)1906: (PottevinPottevin) Metil oleát szintézise gyakorlatilag szerves közegben (MeOH + olajsav)1913: (Michaelis, MentenMichaelis, Menten) Az enzimkatalízis kinetikai alapjai1926: (SummerSummer) Ureáz: az első kristályos fehérje. Az enzim⇔fehérje kapcsolat felismerése1950-es évek (Watson, Crick Watson, Crick éés ts tööbbenbben) A DNS, RNS szerkezete, a genetikai kód1967: (PhillipsPhillips) Lizozim - Röntgen krisztallográfia: az első fehérje harmadlagos szerkezet1969: (Gutte, MerrifieldGutte, Merrifield) A Ribonukleáz A enzim kémiai totálszintézise 11'931 műveletben1969: (Tanabe CoTanabe Co) Az első iparilag alkalmazott rögzített enzim (Aminoaciláz⇔L-metionin)1983: (EnsleyEnsley) Az első iparilag alkalmazott rekombináns mikroorganizmus

(Pseudomonas putida gének → Esherichia coli → indigó előállítás)1986: (KlibanovKlibanov) Az enzimek többsége működőképes "vízmentes" szerves közegben1992: (ttööbbenbben) HIV-1 proteáz (99 aminosav) enantiomer formájának szintézise

D-aminosavakból (az enzimek sztereoszelektivitásának forrása kiralitásuk) HIV-1 proteáz ⇒ L-aminosavból álló peptideket hasítjaent-HIV-1 proteáz ⇒ D-aminosavakból álló peptideket hasítja


A biokatalA biokatalíízis fejlzis fejlőőddéése, megtorpanse, megtorpanáása sa éés s reneszreneszáánszansza

1880 1900 1920 1970 1990

VilágválságII. Világháború

Kémiai tömegtermelésFosszilis források- kõolaj- kõszén

Olajválság

Környezetvédelem,Megújuló nyersanyagés energiaforrásokjelentõsége nõ


1970 után

A szintetikus biolA szintetikus biolóógia hierarchigia hierarchiáájajaSzekvenálás, génexpresszió, promoter tervezés, in silico tervezés, DNS szintézis, irányított evolúció, aptamerek

in silico tervezés, irányított evolúció

Szintetikus szabályzási hálózat módosítás

Genetikai szabályzókörök, genom redukció, genom szintézis


Enzimek szerkezeteEnzimek szerkezete

Enzim < = > Egy adott funkciót katalizáló fehérjeEnzimEnzim < = > < = > EgyEgy aadott funkcidott funkcióót katalizt katalizáállóó fehfehéérjerje

Elsődleges szerkezet > Aminosavak kapcsolódási sorrendje

Másodlagos szerkezet > Aminosavak láncbeli relativ helyzete(hélix, redő, rendezetlen hurok, stb.)

Harmadlagos szerkezet > Peptidláncok teljes térszerkezete

Negyedleges szerkezet > Egy vagy több peptidláncból és további prosztetikus csoportokból álló enzim teljes térszerkezete

Szerkezet hatékonyság, szelektivitás


Enzimek elsEnzimek elsőődleges dleges éés ms máásodlagos szerkezete sodlagos szerkezete

Elsődleges szerkezet

MNKKEWEEKYVKPLLERSPERKKEFKTSSGIVVDRLYTPEDVEIDYENKLGYPGVYPFTRGVYPTMYRGRLWTMRQYAGFGTAEETNRRYRYLLEQGQTGLSVAFDLPTQIGYDSDHPMALGEVGKVGVAIDTIEDMEILFNGIPLGKVSTSMTINSTCAQILSMYVAVAEKQGVERANLRGTVQNDMLKEYIARGTYIFPPEPSLRLATDIIMFCAKEMPKWNSISISGYHMEEAGATPVQEVAFTLADGITYVEKVIERGMDVDSFAPRLSFFFAAGNNFLEEIAKFRAARRLWARIMKERFNAKNPRSMMLRFHVQTAGCTLTAQQPENNIVRVALQALAAVLGGCQSLHTNSFDEALCLPTEKAVRIALRTQQIIAEESGVADVVDPLGGSYYIEWLTDRIEEEAMKYIEKIDEMGGMIKAIESGYVQREIQKSAYEKQKAIDEGEITVVGVNKYQIEEEIQIELLRVDKAVVEKQIRRLQEFRKNRDAKKVEEALRLRKAAEKEDENLMPYVLDAVKARATLGEMTDALRDVFGEFRAPEIF

Másodlagos szerkezet

DNS aminosav sorrend tekeredés ”folding”


Enzimek harmadlagos Enzimek harmadlagos éés negyedleges szerkezetes negyedleges szerkezete

Harmadlagos szerkezet Negyedleges szerkezet

Harmadlagos és negyedleges szerkezet aktív konformációaktív konformáció (szubsztrátum illeszkedése – reakció lejátszódása)denaturálódás (az aktív szerkezet irreve5rzibilis változása – biológiai inaktiváció)


AA kkarboxipeptidarboxipeptidáázz AA enzim aktenzim aktíív centrumav centruma: (aa) az aktív centrum sematikus ábrája; (bb) a fehérje aktív centruma a Cbz-Gly-Phe szubsztrátummal (feltételezhető elhelyezkedés). A piros vonalak a fontos aminosav-oldalláncokat, a kék vonalak a szubsztrátum hidrogén-hidas kötési helyeit jelzik.

Enzimek szerkezete Enzimek szerkezete –– Az aktAz aktíív centrumv centrum

pozitív katalízis (szubsztrátum és az aktív hely katalitikus részeinek illeszkedése)negatív katalízis (szubsztrátum védelme, biológiai ”védőcsoport”)


Koenzimek (coE)(pl. B12 koenzim)

Vitaminok(pl B12 vitamin)

gyakran a koenzimekprekurzorai

a) vagy b) típusúenzimek(pl. hidrolázok) alkalmazás szempontjából előnyösek

EnzimkatalEnzimkatalíízis zis –– koenzimekkel koenzimekkel éés ns néélklküüllüükk

a) koenzim nélküli enzim

b) szorosan kötött koenzimmel működő enzim

Enzim – koenzim kölcsönhatások típusai

c) nem szorosan kötött koenzimmel működő enzim

kapcsolt regenerációs rendszer


Enzimek Enzimek –– Szerkezet / hatSzerkezet / hatáás s öösszefsszefüüggggééseksek

A metilmalonil-CoA mutáz (MCM) reakció

B12-koenzim ( Ado-Cbl )

Szukcinil-CoA Metilmalonil-CoA

Metilmalonil-CoA mutáz szerkezet, PDB: 4REQ, [Evans, et al.]

és az MCM - szubsztrát komplex


? Val? Valóóssáágg -- KKíísséérletrlet –– ModelModell ?l ?

?


FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaHTP HTP kristkristáályoslyosííttááss


FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaHTP HTP kristkristáályoslyosííttáási eredmsi eredméényeknyek


FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaRRööntgen krisztallogrntgen krisztallográáfiafia


Az NMR mérések során a magok mágneses perdületének változásai követhetőek a magok környezetétől függően. Értkető módon a magok érzékenyen reagálnak a kémiai környezet változásaira így a módszer erről ad információt.

Az NMR spektroszkópusok alapvetóen a proteinek oldatfproteinek oldatfááziszisúú szerkezetszerkezetéét t képesek vizsgálni. Fontos információk nyerhetőek a fehérjék dinamikus viselkedéséről is.

FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaNMR spektroszkNMR spektroszkóópiapia


FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaNMR mNMR móódszer ldszer lééppééseisei


FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének nek meghatmeghatáározrozáásasa

NMR spektroszkNMR spektroszkóópiapia



FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaééss biomolekulbiomolekuláák k 3D 3D szerkezetiszerkezeti adatbadatbáázisazisa

M. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384.

•• RRööntgenkrisztallogrntgenkrisztallográáfiafia

•• NNMR mMR móódszerekdszerek

•• EleElekktrontron mimikroszkkroszkóópiapia

•• EleElekktrontron diffradiffrakckciióó

KKíísséérleti szerkezetekrleti szerkezetek::

•• Protein data bankProtein data bank(PDB)(PDB)

As of Tuesday Nov 11, 2008there are 5419454194 Structures PDB Statistics


Protein Protein homolhomolóóggiaia modellmodellezezééssM. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384.

Homológia modellezési módszerek• Fragmens alapú módszerek (COMPOSER/SYBYL; HOMOLOGY / InsightII)

• Távolság alapú módszerek (MODELLER / InsightII)

• Automata homológia modell szerverek(Swiss-Model: http://www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html)

• Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) – Folyamatos ellenőrzés

HomolHomolóógiagia modellmodellezezéési msi móódszerekdszerek• Fragmens alapú módszerek (COMPOSER/SYBYL; HOMOLOGY / InsightII)

• Távolság alapú módszerek (MODELLER / InsightII)

• Automata homológia modell szerverek(Swiss-Model: http://www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html)

• Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) – Folyamatos ellenőrzés

Homológia modellezés – kísérleti szerkezettel nem rendelkező de ismert genetikai szekvenciájú protein - 3D proteomika egyik eszköze• Szekvenálás (SwissProt, TrEMBL) jóval egyszerűbb mint a 3D szerkezet

meghatározás

• A 3D szerkezetek felhasználása – funkció molekuláris szintű megértése

• Lehetséges alkalmazás - szerkezet alapú gyógyszertervezés

HomolHomolóóggiaia modellmodellezezééss –– kkíísséérleti szerkezettel nem rendelkezrleti szerkezettel nem rendelkezőő de de ismert genetikai szekvenciismert genetikai szekvenciáájjúú protein protein -- 3D 3D proteomiproteomika egyik eszkka egyik eszköözeze• Szekvenálás (SwissProt, TrEMBL) jóval egyszerűbb mint a 3D szerkezet

meghatározás

• A 3D szerkezetek felhasználása – funkció molekuláris szintű megértése

• Lehetséges alkalmazás - szerkezet alapú gyógyszertervezés


A szekvencia azonosság foka<30 %: megbízhatatlan modellek

30-60 %: megbízható modellekkevésbé megbízhatórégiókkal

>60 %: jó minőségű modellek(Cα RMSD < 1 Å)

AA sszekvencia azonosszekvencia azonossáág fokag foka<30 %: megbízhatatlan modellek

30-60 %: megbízható modellekkevésbé megbízhatórégiókkal

>60 %: jó minőségű modellek(Cα RMSD < 1 Å)

A fibroblaszt növekedési faktor modell(alap - patkány keratinocyta GF: ~ 40 % azonosság) összevetve a kísérleti szerkezettel (röntgenkrisztallográfia)

A fibroblaszt növekedési faktor modell(alap - patkány keratinocyta GF: ~ 40 % azonosság) összevetve a kísérleti szerkezettel (röntgenkrisztallográfia)

Protein Protein homolhomolóóggiaia modellmodellezezééssM. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384.


Homológia modell összehasonlítása két röntgenszerkezettelPAL modell PAL modell –– PAL rPAL rööntgen szerkezetntgen szerkezet

PAL (petrezs.)modell

PAL (petrezs.)röntgen

PAL (R. toruloides)röntgen

Homológi modellezés: bonyolultabb fehérjék (pl. fenilalanin ammónia-liáz, PAL) modellezéseHomológi modellezés: bonyolultabb fehérjék (pl. fenilalanin ammónia-liáz, PAL) modellezése


Ligandumok dokkolLigandumok dokkoláása fehsa fehéérjrjéék szerkezetk szerkezetééhezhez

Modell ligandum

dokkolása

Modell fehérjéhez

Heparinnal komplexált kísérleti szerkezet


VirtuVirtuáális szlis szűűrréés s ––Ligandumok automatizLigandumok automatizáált dokkollt dokkoláásasa


BiokatalBiokatalíízis zis ááltalltaláános jellemznos jellemzőőii

Enyhe kEnyhe köörrüülmlméényeknyek +

HatHatéékonyskonysáágg (a kémiai reakciók akár 1012-szoros gyorsítása)

+

SzubsztrSzubsztráátspecifittspecifitááss + - ("Pont az én szubsztrátom nem ?")

SzelektivitSzelektivitááss + (Eredendősztereoszelektivitás)

Majdnem minden kMajdnem minden kéémiai miai reakcireakcióónak lnak léétezik tezik enzimatikus megfelelenzimatikus megfelelőőjeje

+ - (Egész sejtes ill. nyers készítményeknél több enzim

ellentétes irányban működhet)

KKöörnyezetbarrnyezetbaráátt, könnyen lebomlik

+ - (Instabilitás)

Jellemző Előny Hátrány

ÁÁrr + (Könnyen megújuló) - (Tisztítás drága)


SZUBSZTRÁT SZELEKTIVITÁS TERMÉK SZELEKTIVITÁSS1

S2

T1

T2

k1

k2

k1 = k2reagens S

T1

T2

k1

k2

k1 = k2reagens

KEMOSZELEKTIVITÁSKonstitúciójukban különböző, de kémiailag hasonlóan viselkedő csoportok között

REGIOSZELEKTIVITÁSKonstitúciós izomerek között Eltérő konstitúciójú helyre kapcsolódó csoportok

DIASZTEREOMER SZELEKTIVITÁS DIASZTEREOTÓP SZELEKTIVITÁSDiasztereomerek között Diasztereotóp csoportok / felületek között

ENANTIOMER SZELEKTIVITÁS ENANTIOTÓP SZELEKTIVITÁSEnantiomerek között Enantiotóp csoportok / felületek között

Poppe, L., Novák, L.: Selective Biocatalysis: A Synthetic Approach,Verlag Chemie: Weinheim-New York, 1992.

BiokatalBiokatalíízis zis –– SzelektivitSzelektivitáások tsok tíípusaipusai


Enyhe, hatEnyhe, hatéékony katalkony katalíízis (akrilamid)zis (akrilamid)

CNnitriláz

H2OO

NH2

Az akrilamid – amely nagy tömegben felhasznált polimeripari alapanyag, jelenlegi felhasználása kb. 200 000 t/év – előállítására a Nitto Co (Japán) nitriláz enzimmel, enyhe körülmények közt végzett hidrolízisen alapulóeljárást dolgozott ki. E technológia segítségével 1985-ben például már ~ 6000 t akrilamidot gyártottak.


RegioszelektRegioszelektíív izomerizv izomerizáácicióó (inverz cukor)(inverz cukor)

O

OH

HOHO

HO

OHglükóz izomeráz O

HO

HO

HO

OH

OH

α-D-glükopiranóz α-D-fruktofuranóz

O

HO

HO

HO

OH

OHβ-D-fruktopiranóz

A világszerte több helyen több 100'000 t/év mennyiségben előállított termékgazdaságos termelése kifinomult eljárásokat igényel. Jellemző adatkéntmegemlíthető, hogy mára 18'000 kg termék állítható elő egyetlen kg rögzítettbiokatalizátor felhasználásával.


AkirAkiráális vegylis vegyüületletekek vilviláága ga

Alíz csodaországban


Hát persze, hiszen ez tükörország !

BelBelééppéés a kirs a kiráális vegylis vegyüületletekek vilviláággáába ba


KirKiráális vegylis vegyüületek letek –– éélettani hatlettani hatáásoksok

How would you like to live in Looking-glass House, Kitty? I wonder if they'd give you milk, there? Perhaps LookingPerhaps Looking--glass milk glass milk isn't good to drink...isn't good to drink...

A DNS, az élet alapvetőinformációhordozója is monokirális

Az aminosavak, a fehérjék építő-kövei és a fehérjék szintén kirkiráálisaklisak


(feromon/hatástalan)(mentol íz/íztelen)(narancs/citrom illat)(édes/keserű)

(R)-(+)-szulkatol(1R,3R,4S)-(-)-mentol(R)-(+)-limonénL,L-(-)-aszpartám

(nyugtató/teratogén)(hatásos/inaktív)(méreg/gyengébb)(anti-Parkinson/mellékh.)

(S)-(-)-talidomid(-)-atropin(S)-(-)-nikotinL-DOPA

HOOCNH2

O

NH

HO O

OH

OH

HO

HO COOH

NH2

N

N

H

N

O

H

O

OH N

O

ONH

H

O

O

Íz, aroma, illat

Gyógyszer, hatóanyag

EltEltéérrőő enantiomerek eltenantiomerek eltéérrőő biolbiolóógiai hatgiai hatáásasa


LevLevééltetvektltetvektőől az oroszll az oroszláánignig

O

H

HO

(5S,8S,9R)-Nepetalactone

O

H

HOH

A nepetalactone több levéltetű szex-feromon komponense:

az egyik enantiomer hatásos A nepetalactone a házi

macskák és az oroszlán viselkedésére hat:

az egyik vagyvagy másik enantiomer hatásos, a racemracemáát nem hatt nem hat

Macskamenta (Nepeta cataria)


Az enantiomerek megkAz enantiomerek megküüllöönbnbööztetztetéésese

királis ”szelektorszelektor”

királis ”szelektorszelektor”

preferált enantiomer

nem preferált enantiomer

Királis reagens, katalizátor vagy rezolválószer

Enzimek: királis biokatalizátorok


KirKiráális kulcsvegylis kulcsvegyüület korszerlet korszerűű fejlesztfejlesztéési stratsi stratéégigiáájaja

Mikrobiológia:(klasszikus és rekombinánsegész sejtes technológiák)

Biokatalízis:(enzimatikus módszerek)

Homogén katalízis:(aszimmetrikus katalízis)

Heterogén katalízis:(aszimmetrikus katalízis)

Biokatalízis Kémiai katalízis

1. Technológia 2. Technológia 3. Technológia 4. Technológia

Gazdaságossági elemzés (a környezetvédelmi szempontokat is beleértve)

Kiválasztott + tartalék technológia ipari léptékû termelésre

Cél: egy adott enantiomer tiszta formájának elõállítása

Magas enantiomer tisztaságú termék


Enantiomer szelektEnantiomer szelektíív hidrolv hidrolíízis zis (Taxol intermedier el(Taxol intermedier előőáállllííttáása)sa)

HNO

O

Oimm. lipáz

(Ps. cepacia)H2O

HNO

O

O HNO

OH+

(3R,4S)-Ac

> 96 % (az enantiomerre)> 99.5 %ee

Taxol

A Bristol-Myers cég által 150 l-es reaktorban, 1,2 kg/sarzs-nagyságban,rögzített (tehát többször felhasználható) enzim segítségével végrehajtottfolyamatában a nem hidrolizáló acetát enantiomer hűtés hatására kiválik, így könnyen kinyerhető.


Enantiomer szelektEnantiomer szelektíív hidrolv hidrolíízis racemizzis racemizáácicióóval val (L(L--lizin ellizin előőáállllííttáása)sa)

Az enantiomer szelektív folyamatok gazdaságossága nagymértékben megnövel-hető, ha a racém elegyból az egyik enantiomer forma nem csupán kinyerhető, hanem a racemát teljes mennyisége a kívánt enantiomer formává alakítható.

HN

O

NH2

rac-AKL

(C. laurentii)H2O

L-lizin laktamáz

D-AKL

HN

O

NH2

AKL racemáz

(Achromobacter obae)

+ H2N COOH

NH2

L-lizin

> 99 % (a racemátra)> 99,5 %ee

A Toray Industries (Japán) 4000 t/év kapacitású tankreaktorokban egész sejtekfelhasználásával állít(ott) elő L-lizint. Az enantiomer szelektív hidrolízist a Cryptococcus laurentii sejtekben található L-lizin laktamáz enzim, míg az in situracemizációt az Achromobacter obae sejtekben meglévő α-amino-ε-kaprolaktám racemáz enzim végzi.


ProkirProkiráális diol enantiotlis diol enantiotóóp szelektp szelektíív acilezv acilezéése se (fungicid intermedier el(fungicid intermedier előőáállllííttáása)sa)

F

F

OH

OH

F

F

O

OH

O

> 74 % (az enantiomerre)> 99 %ee

lipáz

(C. antarctica)O

O

F

FO

N

N

N

O

Xgombaölõszerek

A Schering-Plough (USA) cégnél a diolból Candida antarctica lipáz enzimeáltal katalizált reakció segítségével több kg-os léptékben állították elő a kívánt királis monoacetátot.


Keton enantiotKeton enantiotóóp szelektp szelektíív reduktv reduktíív aminv amináálláása sa ((kofaktor enzimes regenerkofaktor enzimes regeneráálláása sa −− LL--terleucin)terleucin)

COOH

O

COOH

NH2

leucin deh idrogenáz

formiát deh idrogenáz

HCOOHCO2

NADH NAD+

L-terleucin

74 %>99 %ee+ NH3

- H2O

Az enzimek sok esetben külön hozzáadottkofaktorokat igényelhetnek a katalízis során. Ekkor komoly problémát jelenthet a kofaktorokfolyamatos, hatékony regenerálása, mivel e nélkül az igen drága kofaktorokból sztöchio-metrikus mennyiségre lenne szükség.

A Degussa-Hüls AG (Németország) a rák- ésHIV-ellenes szerek szintézisében intermedier-ként felhasználható L-terleucin tonnás lépték-ben történő előállítása során használt felL-leucin dehidrogenáz/formiát dehidrogenázenzimeket az enantiotóp szelektív reduktívaminálás/NADH regenerálás megvalósítására


KKÖÖSZSZÖÖNNÖÖM M FIGYELMFIGYELMÜÜKETKET

Documents

Dr. Poppe László BME Szerves Kémia és Technológia Tsz ... · ¾Molekuláris biológia ¾Biokémia ¾Sejtbiológia és embriológia (őssejt kutatás) ¾Bioinformatika ¾Vegyész