DE19834308A1 - Use of proteases as biocatalysts for production of organic acid amides from carboxylic acid esters - Google Patents
Use of proteases as biocatalysts for production of organic acid amides from carboxylic acid estersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biokatalytischen Herstellung von organisch chemischen Verbindungen, die eine Säureamidbindung enthalten, und die Verwendung von Biokatalysatoren.The invention relates to a method for the biocatalytic production of organic chemical compounds containing an acid amide bond and the Use of biocatalysts.
Zur Herstellung von Säureamiden als Vorstufen für verschiedenartige kommerzielle Produkte werden gegenwärtig hauptsächlich verschiedene organisch-chemische Verfahren (vgl. Übersicht: Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Band E5, Carbonsäuren und Carbonsäure-Derivate (Hrsg.: J. Falbe) 1985, S. 934-1312) eingesetzt. Im Verlauf chemischer Amidsynthesen, insbesondere von solchen mit zusätzlichen funktionellen Gruppierungen, werden sehr oft unerwünschte Nebenreaktionen beobachtet, wenn man sich nicht bei den Reaktionen zur Knüpfung der Amidbindung einer selektiven Schutzgruppen-Taktik bedient. Ein besonders schwerwiegender Nachteil herkömmlicher chemischer Verfahren ist das ungelöste Problem des Erhalts der chiralen Integrität. Da sich Stereoisomere äußerst schwierig vollständig separieren lassen, jedoch die optische Reinheit des Syntheseproduktes für eine spezifische Wirkung eine notwendige Voraussetzung ist, besitzt die industrielle Synthese von Säureamiden mittels organisch-chemischer Verfahren erhebliche Nachteile. Demgegenüber existiert ein zunehmender Bedarf an chiralen Amiden und Umweltaspekte fordern darüber hinaus nachdrücklich, milde biokatalytische Produktionsprozesse zu entwickeln.For the production of acid amides as precursors for various types of commercial Products are currently mainly different organic chemical Process (see overview: Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume E5, carboxylic acids and carboxylic acid derivatives (Ed .: J. Falbe) 1985, pp. 934-1312) used. In the course of chemical amide syntheses, especially those with additional functional groupings are very often undesirable Side reactions observed when not looking at the knotting reactions the amide bond uses a selective protecting group tactic. A special one the serious disadvantage of conventional chemical processes is the unsolved one Problem of maintaining chiral integrity. Because stereoisomers are extremely difficult Allow to separate completely, but the optical purity of the synthesis product is a necessary prerequisite for a specific effect Industrial synthesis of acid amides using organic chemical processes significant disadvantages. In contrast, there is an increasing need for chiral Amides and environmental aspects also require emphatic, mild ones to develop biocatalytic production processes.
Gegenwärtig sind zwei biokatalytische Methoden für die Produktion einfacher Amide bekannt. Bei der ersten Methode werden unter der Katalyse der Nitrilhydratase (EC 4.2.1.84) organische Nitrile (im weiteren nur als Nitrile bezeichnet) zu den entsprechenden Amiden hydrolysiert, während beim zweiten Verfahren geeignete Enzyme die Ammonolyse von Carbonsäureestern katalysieren.There are currently two biocatalytic methods for the production of simple amides known. In the first method, under the catalysis of nitrile hydratase (EC 4.2.1.84) organic nitriles (hereinafter referred to only as nitriles) to the corresponding amides hydrolyzed, while in the second method suitable Enzymes that catalyze the ammonolysis of carboxylic acid esters.
Die chemische Konversation von Nitrilen ist mit verschiedenen Nachteilen belastet, wie das Erfordernis von stark sauren oder basischen Reaktionsbedingungen, einen hohen Energieverbrauch, die Bildung unerwünschter Beiprodukte, niedrige Ausbeuten sowie durch Umweltprobleme bei der Generierung der Abfallsalze. Die Biokonversation von Nitrilen (vgl. Übersichten: T. Nagasawa u. H. Yamada (1989) TIBTECH 7, 153-158; J.M. Wyatt u. E.A. Linton, The industrial potential of microbial nitrile biochemistry, in D. Evered und S. Harnett (eds.) Cyanide compounds in biology, Ciba Foundation Symposium 1988, 140, 32-48) wird durch die in der Natur weitverbreiteten Nitril-hydrolysierenden Enzyme katalysiert. Nachteilig ist hierbei, daß z. B. Nitrilhydratase-produzierende Mikroorganismen daneben noch Enzyme synthetisieren, die in einem Folgeschritt das Amid zur Säure hydrolysieren und somit unerwünschte Nebenprodukte bilden (A. de Raadt, N. Klempier, K. Faber, H. Griengl, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1992, 1, (1) 137-140). Außerdem sind selektive Nitril-hydrolysierende Enzyme gegenwärtig nicht als kommerzielle Produkte erhältlich.The chemical conversation of nitriles has several disadvantages, such as the requirement of strongly acidic or basic reaction conditions, one high energy consumption, the formation of unwanted by-products, low Yields and environmental problems in the generation of waste salts. The Bioconversation of nitriles (see reviews: T. Nagasawa and H. Yamada (1989) TIBTECH 7, 153-158; J.M. Wyatt et al. E.A. Linton, The industrial potential of microbial nitrile biochemistry, in D. Evered and S. Harnett (eds.) Cyanide compounds in biology, Ciba Foundation Symposium 1988, 140, 32-48) is supported by those in nature widely catalyzed nitrile-hydrolyzing enzymes. The disadvantage here is that z. B. Nitrile hydratase-producing microorganisms also enzymes synthesize, which hydrolyze the amide to acid in a subsequent step and thus form undesirable by-products (A. de Raadt, N. Klempier, K. Faber, H. Griengl, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1992, 1, (1) 137-140). They are also selective Nitrile-hydrolyzing enzymes are not currently commercial products available.
Das zweite, nur wenig genutzte Verfahren der enzymatischen Amidbildung durch Ammonolyse von Carbonsäureestern ist insofern eingeengt, daß nur am Amidstickstoff unsubstituierte Amide hergestellt werden können.The second, little used method of enzymatic amide formation Ammonolysis of carboxylic acid esters is restricted in that only on Amide nitrogen unsubstituted amides can be produced.
Aufgabe der Erfindung ist die biokatalytische Herstellung von organischen Säureamiden unter möglichst vollständigem Ausschluß von Nebenreaktionen.The object of the invention is the biocatalytic production of organic Acid amides with the complete exclusion of side reactions.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1.This object is achieved with a method according to claim 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die biokatalytische Herstellung eines organischen Säureamids nicht wie gewöhnlich mit Amidasen, sondern entgegen der vorherrschenden Meinung der Fachwelt mit Proteasen, wobei durch eine programmierte Substratmanipulation die übliche Spezifität der eingesetzten Protease ausgeschaltet und dadurch die Katalyse der Knüpfung von Säureamidbindungen auch nichtpeptidischer Edukte ermöglicht. Da Proteasen gewöhnlich Peptidbindungen, d. h. substituierte Amide spalten, und diese proteolytischen Aktivitäten mit der Substratspezifität für spezifische Seitenkettenfunktionen der Aminosäurebausteine gekoppelt sind, sind die erfindungsgemäßen Ergebnisse sehr überraschend. According to the present invention, the biocatalytic production of a organic acid amides not with amidases as usual, but contrary to prevailing opinion of the professional world with proteases, whereby by a programmed substrate manipulation the usual specificity of the protease used switched off and thereby the catalysis of the formation of acid amide bonds also enables nonpeptide educts. Because proteases are common Peptide bonds, i. H. cleave substituted amides, and these proteolytic Activities with substrate specificity for specific side chain functions of the Amino acid building blocks are coupled, the results according to the invention are very good surprised.
Vorzugsweise werden für die erfindungsgemäßen biokatalytischen Amidsynthesen die bei Amidsynthesen durchaus üblichen Edukte in Form eines Carbonsäure- und eines primären Aminderivates eingesetzt. Als Carbonsäurederivate sind Ester geeignet, deren Abgangsgruppen Spezifitätsdeterminanten der eingesetzten Serin- oder Cysteinprotease enthalten und nachfolgend als Substratmimetika bezeichnet werden (Tab. 1). Dies schließt den Einsatz ladungstragender Esterabgangsgruppen für Proteasen mit einer nativen Spezifität für hydrophobe Aminosäureseitenketten ein, die ebenfalls hochspezifische Enzym-Substratkontakte vermitteln können. Die gesamte Verfahrensweise, d. h. die Wahl der Edukte, des Puffers, des Mediums, der Reaktionszeit, etc., ist verhältnismäßig unkritisch und kann vom Fachmann für biokatalytische Transformationen einfach ermittelt werden.Preferred are for the biocatalytic amide syntheses according to the invention the educts quite common in amide syntheses in the form of a carboxylic acid and a primary amine derivative used. As carboxylic acid derivatives are esters suitable, whose leaving groups determine the specificity of the serine used or contain cysteine protease and hereinafter referred to as substrate mimetics (Tab. 1). This excludes the use of charge-bearing ester leaving groups for proteases with a native specificity for hydrophobic amino acid side chains a, which can also mediate highly specific enzyme-substrate contacts. The overall procedure, d. H. the choice of the starting materials, the buffer, the medium, the Response time, etc., is relatively uncritical and can be done by a person skilled in the art biocatalytic transformations can be easily determined.
Als Carbonsäurederivate können auch chirale Substratmimetika eingesetzt werden. In der Regel müssen an der Umsetzung nicht involvierte funktionelle Gruppen während der enzymatischen Amidknüpfungsreaktion nicht temporär blockiert werden.Chiral substrate mimetics can also be used as carboxylic acid derivatives. As a rule, functional groups not involved in the implementation must be involved not temporarily blocked during the enzymatic amide linkage reaction become.
Als Aminkomponente eignen sich in Abhängigkeit von der eingesetzten Protease Edukte mit einer vorrangig primären aber auch sekundären Aminofunktion, wobei andere acylierbare Drittfunktionen frei vorliegen können.Depending on the protease used, suitable amine components are Educts with a primarily primary but also secondary amino function, where other acylatable third party functions can be freely available.
Die Wahl eventueller Derivatisierungen und Ausgangssubstrate richtet sich dabei grundsätzlich nach dem gewünschten Endprodukt und dem eventuellen Erfordernis, Nebenreaktionen zu verhindern. Diese Wahl liegt daher im üblichen fachmännischen Handeln.The choice of possible derivatizations and starting substrates depends on this basically according to the desired end product and the possible requirement, To prevent side reactions. This choice is therefore in the usual professional Act.
Das erfindungsgemäße Verfahren offenbart aufgrund der Stereo- und Regioselektivität gegenüber der bisherigen Verwendung chemischer Verfahren den besonderen Vorteil, daß Edukte mit chiralen Zentren und anderen acylierbaren Funktionen ohne experimentell aufwendige und zu zusätzlichen Nebenreaktionen führenden temporären selektiven Blockierungsmaßnahmen eingesetzt werden können.The method according to the invention discloses due to the stereo and Regioselectivity compared to the previous use of chemical processes special advantage that educts with chiral centers and other acylatable Functions without experimentally complex and additional side reactions leading temporary selective blocking measures can.
Erfindungsgemäß werden organische Säureamide bevorzugt hergestellt aus einem Carbonsäurederivat, dessen in Reaktion tretende Carboxylgruppe als Ester mit einer Spezifitätsdeterminante in der Abgangsgruppe vorliegt, die dem eingesetzten Enzym entspricht, und einem organischen Aminderivat, bei dem die in Reaktion tretende Aminofunktion unblockiert ist, in Gegenwart einer Protease, z. B. einer Thiolprotease wie Clostripain in Lösung oder Suspension bei Raumtemperatur, die ggf. Anteile organischer Lösungsmittel und/oder Puffersubstanzen enthält, oder auch bei tieferen Temperaturen.According to the invention, organic acid amides are preferably produced from a Carboxylic acid derivative, the carboxyl group which reacts as an ester with a Specificity determinant is present in the leaving group, the enzyme used corresponds, and an organic amine derivative in which the reacting Amino function is unblocked, in the presence of a protease, e.g. B. a thiol protease such as clostripain in solution or suspension at room temperature, the proportions, if any contains organic solvents and / or buffer substances, or even with deeper ones Temperatures.
Vorzugsweise wird die Reaktion in einem wäßrigen Medium durchgeführt, wobei u. U. tiefe Temperaturen vorteilhaft sind. The reaction is preferably carried out in an aqueous medium, u. U. low temperatures are advantageous.
Die gebildeten Amide können mit geeigneten chromatographischen oder extraktiven Techniken präparativ separiert werden. Nach beendeter Aufarbeitung können ggf. vorhandene Schutzgruppen nach bekannten Methoden entfernt werden.The amides formed can be used with suitable chromatographic or extractive Techniques are preparatively separated. After processing has been completed, existing protective groups are removed by known methods.
Im Gegensatz zu beschriebenen Verfahren zur Synthese von Amiden unter Nutzung anderer Enzyme wird durch den erfinderischen Einsatz von Proteasen in Kombination mit den Substratmimetika die Gefahr unerwünschter Amidspaltungen verhindert. Erstmalig wird für die Stoffklasse der organischen Säureamide ihre biokatalytische Synthese mit Proteasen durchgeführt. Der Effekt der Erfindung ist insofern überraschend als mit proteolytischen Enzymen eine nichtpeptidische Amidknüpfung nicht erwartet werden konnte.In contrast to the methods described for the synthesis of amides using other enzymes is in the inventive use of proteases Combination with the substrate mimetics the risk of unwanted amide cleavages prevented. It will be the first time for the organic acid amide class biocatalytic synthesis carried out with proteases. The effect of the invention is to the extent that it is surprising that with proteolytic enzymes a non-peptidic one Amide linkage could not be expected.
Die mit der vorliegenden Erfindung herstellbaren Amide eignen sich, ggf. nach Abspaltung von essentiellen Schutzgruppen, z. B. als Wirkstoffe bzw. Zwischenprodukte von Wirkstoffen.The amides which can be prepared with the present invention are suitable, if appropriate, after Removal of essential protective groups, e.g. B. as active ingredients or Intermediate products of active ingredients.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher ausgeführt.The present invention will be explained in more detail below with the aid of examples executed.
1 ml 0,05 M HEPES-Puffer, pH 8, enthaltend 0,1 M NaCl, 0,01 M CaCl2, 2 mM Phenylbuttersäure-4-guanidinophenylester, 34 mM Argininamid (effektiver Anteil: 1/1,72) und 30 µM Chymotrypsin werden bei 25°C unter pH-Kontrolle gerührt. Nach 10 min wird die Reaktionslösung mit 0,5 proz. Trifluoressigsäure in Methanol/Wasser (1 : 1; v/v) auf pH 2 gebracht. Die Ausbeute wird HPLC analytisch bestimmt und beträgt 90% d. Th. Parallelansätze nach 1, 2 und 5h führten zu den gleichen Ausbeuten. 1 ml 0.05 M HEPES buffer, pH 8, containing 0.1 M NaCl, 0.01 M CaCl 2 , 2 mM phenylbutyric acid 4-guanidinophenyl ester, 34 mM argininamide (effective proportion: 1 / 1.72) and 30 µM chymotrypsin are stirred at 25 ° C under pH control. After 10 min, the reaction solution with 0.5 percent. Trifluoroacetic acid in methanol / water (1: 1; v / v) brought to pH 2. The yield is determined analytically by HPLC and is 90% of theory. Th. Parallel runs after 1, 2 and 5 h led to the same yields.
1 ml 0,05 M HEPES-Puffer, pH 8, enthaltend 0,1 M NaCl, 0,01 M CaCl2, 2 mM Phenylbuttersäure-4-guanidinophenylester, 39 mM Alanylalaninamin (effektiver Anteil: 1/1,96) und 30 µM Chymotrypsin werden bei 25°C unter pH-Kontrolle gerührt. Nach 10 min wird die Reaktionslösung mit 0,5 proz. Trifluoressigsäure in Methanol/Wasser (1 : 1; v/v) auf pH 2 gebracht. Die Ausbeute wird HPLC analytisch bestimmt und beträgt 80% d. Th. Parallelansätze nach 1, 2 und 5h führten zu den gleichen Ausbeuten.1 ml 0.05 M HEPES buffer, pH 8, containing 0.1 M NaCl, 0.01 M CaCl 2 , 2 mM phenylbutyric acid 4-guanidinophenyl ester, 39 mM alanylalaninamine (effective proportion: 1 / 1.96) and 30 µM chymotrypsin are stirred at 25 ° C under pH control. After 10 min, the reaction solution with 0.5 percent. Trifluoroacetic acid in methanol / water (1: 1; v / v) brought to pH 2. The yield is determined analytically by HPLC and is 80% of theory. Th. Parallel runs after 1, 2 and 5 h led to the same yields.
1 ml 0,05 M HEPES-Puffer, pH 8, enthaltend 0,1 M NaCl, 0,01 M CaCl2, 2 mM Phenylbuttersäure-4-guanidinophenylester, 109 mM Pentylamin (effektiver Anteil: 1/448) und 7 µM Clostripain werden bei 25°C unter pH-Kontrolle gerührt. Nach 1h wird die Reaktionslösung mit 0,5 proz. Trifluoressigsäure in Methanol/Wasser (1 : 1; v/v) auf pH 2 gebracht. Die Ausbeute wird HPLC analytisch bestimmt und beträgt 81.5% d. Th. Parallelansätze nach 2, 5 und 24h führten zu den gleichen Ausbeuten.1 ml 0.05 M HEPES buffer, pH 8, containing 0.1 M NaCl, 0.01 M CaCl 2 , 2 mM phenylbutyric acid 4-guanidinophenyl ester, 109 mM pentylamine (effective fraction: 1/448) and 7 µM clostripain are stirred at 25 ° C under pH control. After 1h the reaction solution with 0.5 percent. Trifluoroacetic acid in methanol / water (1: 1; v / v) brought to pH 2. The yield is determined analytically by HPLC and is 81.5% of theory. Th. Parallel runs after 2, 5 and 24h led to the same yields.
1 ml 0,05 M HEPES-Puffer, pH 8, enthaltend 0,1 M NaCl, 0,01 M CaCl2, 2 mM Phenylbuttersäure-4-guanidinophenylester, 38 mM 1-Amino-3-propanol (effektiver Anteil: 1/92) und 7 µM Clostripain werden bei 25°C unter pH-Kontrolle gerührt. Nach 1 h wird die Reaktionslösung mit 0,5 proz. Trifluoressigsäure in Methanol/Wasser (1:1; v/v) auf pH 2 gebracht. Die Ausbeute wird HPLC analytisch bestimmt und beträgt 39.0% d. Th. Eine O-Acylierung wurde nicht festgestellt. Parallelansätze nach 2, 5 und 24h führten zu den gleichen Ausbeuten.1 ml 0.05 M HEPES buffer, pH 8, containing 0.1 M NaCl, 0.01 M CaCl 2 , 2 mM phenylbutyric acid 4-guanidinophenyl ester, 38 mM 1-amino-3-propanol (effective proportion: 1 / 92) and 7 μM clostripain are stirred at 25 ° C. under pH control. After 1 h, the reaction solution with 0.5 percent. Trifluoroacetic acid in methanol / water (1: 1; v / v) brought to pH 2. The yield is determined analytically by HPLC and is 39.0% of theory. Th. An O-acylation was not found. Parallel runs after 2, 5 and 24 h led to the same yields.
1 ml 0,05 M HEPES-Puffer, pH 8, enthaltend 0,1 M NaCl, 0,01 M CaCl2, 2 mM Phenylbuttersäure-4-guanidinophenylester, 25 mM 3-Amino-1,2-propandiol (effektiver Anteil: 1/27) und 7 µM Clostripain werden bei 25°C unter pH-Kontrolle gerührt. Nach 1h wird die Reaktionslösung mit 0,5 proz. Trifluoressigsäure in Methanol/Wasser (1 : 1; v/v) auf pH 2 gebracht. Die Ausbeute wird HPLC analytisch bestimmt und beträgt 81.1% d. Th. Eine O-Acylierung wurde nicht festgestellt. Parallelansätze nach 2, 5 und 24h führten zu den gleichen Ausbeuten.1 ml 0.05 M HEPES buffer, pH 8, containing 0.1 M NaCl, 0.01 M CaCl 2 , 2 mM phenylbutyric acid 4-guanidinophenyl ester, 25 mM 3-amino-1,2-propanediol (effective proportion: 1/27) and 7 µM clostripain are stirred at 25 ° C under pH control. After 1h the reaction solution with 0.5 percent. Trifluoroacetic acid in methanol / water (1: 1; v / v) brought to pH 2. The yield is determined analytically by HPLC and is 81.1% of theory. Th. An O-acylation was not found. Parallel runs after 2, 5 and 24 h led to the same yields.
1 ml 0,05 M HEPES-Puffer, pH 8, enthaltend 0,1 M NaCl, 0,01 M CaCl2, 2 mM Phenylbuttersäure-4-guanidinophenylester, 51,7 mM 1,3-Diaminopentan (effektiver Anteil: 1/160) und 7 µM Clostripain werden bei 25°C unter pH-Kontrolle gerührt. Nach 1h wird die Reaktionslösung mit 0,5 proz. Trifluoressigsäure in Methanol/Wasser (1 : 1; v/v) auf pH 2 gebracht. Die Ausbeute wird HPLC analytisch bestimmt und beträgt 35% d. Th. Eine N-Acylierung der primären Aminofunktion in Position 3 wurde nicht festgestellt. Parallelansätze nach 2, 5 und 24h führten zu den gleichen Ausbeuten.1 ml 0.05 M HEPES buffer, pH 8, containing 0.1 M NaCl, 0.01 M CaCl 2 , 2 mM phenylbutyric acid 4-guanidinophenyl ester, 51.7 mM 1,3-diaminopentane (effective proportion: 1 / 160) and 7 μM clostripain are stirred at 25 ° C. under pH control. After 1h the reaction solution with 0.5 percent. Trifluoroacetic acid in methanol / water (1: 1; v / v) brought to pH 2. The yield is determined analytically by HPLC and is 35% of theory. Th. N-acylation of the primary amino function in position 3 was not found. Parallel runs after 2, 5 and 24 h led to the same yields.
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