Charakterisierung eines industriellen Biokatalysators: Zur Substratspezifität der Glutaryl-Acylase

Das Enzym Glutaryl-Acylase (GA) findet Verwendung in der industriellen Produktion semisynthetischer Antibiotika und weist eine strukturelle Verwandtschaft mit der Penicillin G-Acylase (PGA) auf. Letzteres Enzym findet vielfältige Anwendung in der präparativen Synthese, so etwa zur kinetischen Racematspaltung von Aminen oder in enzymatischen Schutzgruppenoperationen. Zur Klärung der Frage, ob die GA ein ähnlich breites Anwendungspotential wie die PGA aufweist wurde die Substrattoleranz, die Enantioselektivität der Umsetzung racemischer Amide und das Synthesepotential von GA untersucht. Zusätzlich wurden die Glutaryl-Acylasen zweier verschiedener Hersteller miteinander verglichen. Die GA weist nur eine geringe Toleranz gegenüber strukturellen Veränderungen des Glutarylrestes auf, während die Aminokomponente strukturell sehr breit variiert werden kann und sogar eine signifikante Esteraseaktivität beobachtet wurde. Glutarylderivate sekundärer Amine und ortho-substituierter Aniline wurden nicht als Substrate akzeptiert. Die GA zeigt meist eine nur moderate Enantioselektivität bei der Hydrolyse verschiedener racemischer Glutarylamide. Derivate von α-Aminosäuren und α-Aminoalkoholen wurden allerdings mit hoher Enantioselektivität (E>30) hydrolysiert. Die GA weist sowohl in wasserfreien polaren aprotischen Lösungsmitteln als auch im wässrigen Medium ein beachtliches Synthesepotential für Glutarylamide auf. Der Vergleich der von Roche und Recordati produzierten Glutaryl-Acylasen zeigte, daß beide Enzyme polare Substrate bevorzugen. Die Recordati-GA weist eine höhere Enantioselektivität bei der Hydrolyse racemischer Amide auf und ist empfindlicher gegenüber strukturellen Veränderungen im Acylrest. Der Aktivitätsverlust bei der Umsetzung unpolarer Substrate ist für die Roche-GA weniger stark ausgeprägt.

The enzyme glutaryl-acylase (GA) is used in the industrial production of semisynthetic antibiotics and is structurally related to penicillin G-acylase (PGA). The later enzyme is vastly applied in synthesis, e.g. for the kinetic resolution of amines or in enzymatic protecting-group techniques. To elucidate whether GA has a similar scope of applications, a number of topics was investigated, i.e. the tolerance towards different substrates, the enantioselectivity and the synthetic potential of GA. Additionally the specificities of GAs from two commercial suppliers were compared. GA exhibits a rather limited tolerance towards structural alterations in the acyl-moiety, while the structural diversity of accepted amine-compounds is extremely broad, except for glutaryl-derivatives of secondary amines and 2-substituted anilines. GA generally hydrolyses racemic glutaryl-amides with an only moderate enantioselectivity, while derivatives of α-aminoacids and α-aminoalcohols are resolved with high enantioselectivity (E>30). GA exhibits a considerable synthetic potential, both in anhydrous polar aprotic solvents as well as in aqueous media. The comparison of the GAs produced by Roche and Recordati showed that both enzymes prefer polar substrates. Recordati GA is more enantioselective concerning the hydrolysis of racemic amines and less tolerant towards structural alterations in the acyl-moiety. The loss of activity for the hydrolysis of non-polar substrates is less pronounced for the GA produced by Roche.