Исследователи разработали фермент, который позволяет получать сложный для обычного синтеза хиральный амин, являющийся одним из наиболее эффективных препаратов для лечения диабета.

Для синтеза хиральных спиртов биологический катализ уже применяется, в ряде случаев и в промышленных масштабах, однако разработка подходящей системы для получения хирального амина до настоящего времени была затруднена.

Исследователи из фармацевтической компании Merck & Co. и компания по производству биологических катализаторов Codexis планировали разработку биологического катализатора для препарата наиболее продаваемого средства против диабета фирмы Мерк – препарата Янувия (ситаглиптина) [Januvia (sitagliptin)], объем продаж которого в 2009 году составил 1.9 миллиарда долларов. В сравнении с использующимся в настоящее время катализатором на основе родия применение фермента позволяет увеличить выход целевого продукта на 10-13 процентов, увеличить эффективность производства на 53% и понизить на 19 объем твердых отходов производства, полностью при этом отказавшись от применения в синтезе тяжелых металлов. Применение фермента позволяет понизить стоимость производства, главным образом избавившись от специализированного оборудования для создания высокого давления.

Применение традиционных металлокомплексных катализаторов для промышленного производства лекарственных препаратов часто добавляет проблем. Например, использующийся при получении ситаглиптина родиевый катализатор отличается низкой стереоселективностью, также возникает проблема очистки лекарственного вещества от следов родия и, соответственно, введения дополнительных стадий очистки.

Природные ферменты трансаминазы обычно проявляют небольшую активность по отношению к кетонам из-за стерических препятствий. Для преодоления инертности фермента исследователи применили подход «блуждающего субстрата» («substrate walking»), этот подход позволяет последовательно раскрывать активный центр фермента с помощью стандартных методик эволюции фермента.

Вместо того чтобы сразу использовать в качестве исходного шаблона для создания активного центра фермента целевой субстрат, исследователи использовали серию субстратов, близких по структуре целевому, причем каждый последующий субстрат все больше и больше соответствовал строению целевого, таким образом строение фермента шаг за шагом подстраивалось под желаемую активность.

Николас Тернер (Nicholas Turner) из Университета Манчестера отмечает, что исследователи используют эволюцию ферментов для получения новых биологических катализаторов, как в лаборатории, так и в промышленности. Он отмечает, что возможность улучшать свойства ферментов таким образом, чтобы они смогли соответствовать практически любому субстрату несомненно является огромным достижением для возможности применения биологического катализа в фармацевтике и других областях тонкого химического синтеза.

При синтезе ситаглипина фермент способствовал аминированию лишь одной из двух кето-групп субстрата, что позволило получить продукт практически в виде лишь одного из энантиомеров (энантиомерный избыток составляет 99,95%).

Джон Вард (John Ward), специалист по молекулярной биологии из Университетского Колледжа (Лондон) отмечает, что устойчивость нового искусственного фермента в жестких условиях реакции и его высокая стереоселективность весьма важны для его применения в промышленном органическом синтезе. Он добавляет, что рентгеноструктурный анализ сконструированного фермента может оказаться важным подспорьем для дальнейшего увеличения эффективности новых искусственных ферментов, которые планируется создавать на основе природных трансаминидаз.