Chemoenzymatic Synthesis of Chiral Alcohols Relevant to Pharmaceutical Industry

1. From 1987 on, statins have been introduced to the market as cholesterol lowering agents and have, ever since, settled their position as one of the most prescribed drugs for the treatment of cardiovascular diseases. Recent studies have revealed that beyond their lipid lowering properties, statins are also associated with a plethora of biological and pharmacological effects, e. g. anti-inflammatory and immunosuppressive properties. Novel, potent statins that feature structural diversity are therefore highly desirable for further research. Concomitantly, improved synthesis strategies towards easier access to the challenging chiral key motif are furthermore in great demand. Following trending biocatalytic approaches, this work introduces an efficient, green, and facile route for the production of simple statins by employing a novel 2-deoxyribose-5-phosphate aldoldase (DERA) in a sequential aldol addition manner and a novel alcohol dehydrogenase (ADH) for the subsequent regioselective oxidation process. Ultimately, the inhibitory activities of the obtained statins towards HMG-CoA-reductase were assessed and confirmed.

2. Expanding the scope of biocatalysts towards non-natural substrates, by employing novel, engineered, clean, and highly selective enzymes, can offer new and attractive opportunities for the substitution of multi-step chemical pathways for the manufacturing of pharmaceutically relevant intermediates. In this context, ketoreductases are the most commonly employed enzymes in industrial pharmaceutical synthesis. By implementing a highly sensitive, high-throughput assay strategy, the (R)-selective ketoreductase from Lactobacillus brevis (LbKRED) was redesigned towards tolerating a series of non-natural, bulky substrates, including a precursor to the antithrombotic agent ticagrelor.

Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die biokatalytische Synthese von Statinen und Statinbausteinen. Da Statine noch immer eine große Marktmacht besitzen und jüngste Studien zusätzlich vielfältige, pleiotropische Effekte enthüllten, ist das Erschließen und Optimieren neuer Prozesssysteme zur Synthese neuer Statine oder von Statinbausteinen weiterhin äußerst gefragt und lukrativ. Innerhalb dieser Forschungsarbeit wurde das komplexe Statinmotiv durch stereoselektive, sequenzielle Aldoladdition mit Hilfe einer 2-Deoxy-D-ribose-5-phosphat-Aldolase (DERA) aufgebaut. Zur Identifizierung geeigneter DERA-Enzyme mit vergrößerter Akzeptorsubstrat-Bandbreite und erhöhter Stabilität wurde ein Enzymassay zum Hochdurchsatz-Screenen von DERA-Bibliotheken entwickelt. Für die anschließende, regioselektive Oxidation wurde eine durch Hochdurchsatz-Screening identifizierte Alkoholdehydrogenase (ADH) eingesetzt. Eine gelungene Reaktionsoptimierung zur Eintopfsynthese durch das Implementieren einer Enzymkaskade mit integrierter Cofaktor-Regeneration machen die verfolgte Strategie besonders attraktiv. Die hergestellten Statine wurden in in vitro-Experimenten erfolgreich auf ihre biologische Aktivität getestet.

Ein weiterer Hauptfokus dieser Arbeit lag in der Entwicklung neuer Enzymvarianten der (R)-selektiven Ketoreduktase aus Lactobacillus brevis (LbKRED) in Hinblick auf deren Anwendung zur Produktion des chiralen Medikaments Ticagrelor. Hierzu wurden ausgehend vom Wildtyp der LbKRED über eine Kombination aus rationalem Design und gerichteter Evolution innerhalb zweier Mutationszyklen Enzymbibliotheken konstruiert, die mittels eines eigens entwickelten, fluoreszensbasierten HochdurchsatzAssays auf aktive Varianten geprüft wurden. Die Doppelmutante E144A/L152R, welche die höchste Aktivität aufwies, wurde erfolgreich in einem optimierten, hoch skalierten Reaktionsansatz mit integriertem Cofaktor-Recycling eingesetzt.