DOI: https://doi.org/10.3390/catal14010084
تاريخ النشر: 2024-01-19
المؤلف: Ningning Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على دور التحفيز الحيوي في تطوير الأدوية، مع التأكيد على قدرته على إنتاج كتل بناء غير متجانسة بانتقائية عالية. يسلط الضوء على المخاوف البيئية المرتبطة بالأنظمة المائية التقليدية، لا سيما فيما يتعلق باستخدام المذيبات والمياه، ويدعو إلى التحول نحو وسائل غير مائية مكثفة. يتماشى هذا الانتقال مع مبادئ الكيمياء الخضراء، بهدف معالجة التحديات مثل ندرة المياه وعلاج مياه الصرف غير الفعال.
تركز المراجعة بشكل خاص على المذيبات المائية العميقة (DESs) كبديل واعد كوسيلة غير مائية للتحفيز الحيوي. توضح التقدم في تقنيات استقرار الإنزيمات التي تسهل التحولات الحيوية في هذه المذيبات. تشمل المناقشة أمثلة تمثيلية من فئات إنزيمية مختلفة وتقيّم بشكل نقدي القيود المفروضة على استخدام DESs في العمليات التحفيزية الحيوية، بينما تستكشف أيضًا الآفاق المستقبلية لتطبيقها في تخليق المكونات النشطة للأدوية (APIs).
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور المهم للتحفيز الحيوي في صناعة الأدوية، لا سيما في تخليق المكونات النشطة للأدوية (APIs) غير المتجانسة. كانت الإنزيمات، كعوامل تحفيزية غير متجانسة عالية الانتقائية، محورية في إنتاج أكثر من ثلثي المركبات غير المتجانسة تجاريًا. يُعزى نمو التحفيز الحيوي على مدى العقدين الماضيين إلى طبيعته الصديقة للبيئة، حيث يتم اشتقاق المحفزات الحيوية من موارد متجددة وتساهم في الممارسات المستدامة في التخليق الكيميائي. تؤكد الورقة على أهمية تحسين جوانب مختلفة من العمليات التحفيزية الحيوية، بما في ذلك اختيار المذيبات، لتعزيز الكفاءة وتقليل الأثر البيئي.
تمتد المناقشة إلى التحديات التي تطرحها المذيبات المائية التقليدية، لا سيما قيودها في إذابة الركائز الكارهة للماء، مما يمكن أن يؤدي إلى زيادة توليد مياه الصرف. لمعالجة هذه القضايا، تقدم الورقة المذيبات المائية العميقة (DESs) كبديل واعد. تقدم DESs، التي تتكون من تركيبات من مانحي وقابلي الروابط الهيدروجينية، خصائص قابلة للتعديل يمكن أن تعزز الأداء التحفيزي الحيوي مع تقليل السمية والأثر البيئي. كما تشير المقدمة إلى الاهتمام المتزايد في استخدام DESs للتحفيز الحيوي، مع تسليط الضوء على مزاياها في استقرار الإنزيمات وتحسين كفاءة التفاعل. ومع ذلك، تعترف بالتحديات المتعلقة بتعطيل الإنزيمات في DESs والحاجة إلى استراتيجيات مبتكرة، مثل تثبيت الإنزيمات، لتسهيل تطبيقها العملي في العمليات الصناعية.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الدور المهم للأكسيدريدكتازات في تخليق المكونات النشطة للأدوية (APIs) باستخدام المذيبات المائية العميقة (DESs). تعتبر الأكسيدريدكتازات، لا سيما إنزيمات إزالة الهيدروجين الكحولية (ADHs)، حاسمة في الاختزال غير المتجانس للكيتونات لإنتاج الكحوليات غير المتجانسة، على الرغم من أن تطبيقها غالبًا ما يكون محدودًا بسبب الحاجة إلى عوامل مساعدة مكلفة مثل NAD(P)H. تم اقتراح استراتيجيات تجديد العوامل المساعدة في الموقع، إما من خلال أنظمة خلايا مصممة أو تجديد صناعي، لتعزيز الجدوى الاقتصادية. لقد أظهرت استخدامات التحفيز الخلوي الكامل في DESs مزايا مثل تحسين ظروف التفاعل والانتقائية، حيث أظهرت الدراسات أن تغيير مكونات ومحتوى الماء في DESs يمكن أن يؤثر بشكل كبير على النشاط والانتقائية الإنزيمية للاختزالات التي تتوسطها الخمائر.
تشير النتائج إلى أن التفاعل بين مكونات DES والخلايا الكاملة يمكن أن يؤدي إلى تثبيط انتقائي لبعض الإنزيمات، مما يعزز إنتاج الإنزيمات المرغوبة. لقد استخدمت دراسات مختلفة بنجاح أنواعًا مختلفة من المحفزات الحيوية الخلوية الكاملة في DESs لتخليق وسائط غير متجانسة للأدوية، مما يكشف أن اختيار DES يمكن أن يؤثر بشكل كبير على كفاءة التفاعل والانتقائية. علاوة على ذلك، أظهرت استكشاف الإنزيمات المعزولة في DESs إمكانيات لتحميل الركائز بشكل أعلى والحفاظ على نشاط الإنزيم، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة بشأن استقرار الإنزيم. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على تعددية استخدام DESs في التحفيز الحيوي، مما يشير إلى أن تركيبات DES المصممة يمكن أن optimize التحولات الحيوية لتخليق API، مما يمهد الطريق لعمليات إنتاج دوائية أكثر استدامة وكفاءة.
DOI: https://doi.org/10.3390/catal14010084
Publication Date: 2024-01-19
Author(s): Ningning Zhang et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
The section provides an overview of the role of biocatalysis in pharmaceutical development, emphasizing its ability to produce chiral building blocks with high selectivity. It highlights the environmental concerns associated with traditional aqueous systems, particularly regarding solvent and water usage, and advocates for a shift towards intensified non-aqueous media. This transition is aligned with Green Chemistry principles, aiming to address challenges such as water scarcity and inefficient wastewater treatment.
The review specifically focuses on deep eutectic solvents (DESs) as a promising alternative non-aqueous medium for biocatalysis. It outlines the advancements in enzyme stabilization techniques that facilitate biotransformations in these solvents. The discussion includes representative examples from various enzyme classes and critically evaluates the limitations of using DESs in biocatalytic processes, while also exploring future prospects for their application in the synthesis of active pharmaceutical ingredients (APIs).
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of biocatalysis in the pharmaceutical industry, particularly in the synthesis of chiral active pharmaceutical ingredients (APIs). Enzymes, as highly selective chiral catalysts, have been pivotal in producing over two-thirds of chiral compounds commercially. The growth of biocatalysis over the past two decades is attributed to its eco-friendly nature, as biocatalysts are derived from renewable resources and contribute to sustainable practices in chemical synthesis. The paper emphasizes the importance of optimizing various aspects of biocatalytic processes, including solvent selection, to enhance efficiency and minimize environmental impact.
The discussion extends to the challenges posed by traditional aqueous solvents, particularly their limitations in solubilizing hydrophobic substrates, which can lead to increased wastewater generation. To address these issues, the paper introduces deep eutectic solvents (DESs) as a promising alternative. DESs, formed from combinations of hydrogen bond donors and acceptors, offer tunable properties that can enhance biocatalytic performance while potentially reducing toxicity and environmental footprint. The introduction also notes the increasing interest in using DESs for biocatalysis, highlighting their advantages in stabilizing enzymes and improving reaction efficiency. However, it acknowledges the challenges of enzyme deactivation in DESs and the need for innovative strategies, such as enzyme immobilization, to facilitate their practical application in industrial processes.
Discussion
The discussion highlights the significant role of oxidoreductases in the synthesis of active pharmaceutical ingredients (APIs) using deep eutectic solvents (DESs). Oxidoreductases, particularly alcohol dehydrogenases (ADHs), are crucial for the asymmetric reduction of ketones to produce chiral alcohols, although their application is often limited by the need for costly cofactors like NAD(P)H. In situ cofactor regeneration strategies, either through designer cell systems or artificial regeneration, have been proposed to enhance cost-effectiveness. The use of whole-cell catalysis in DESs has demonstrated advantages such as improved reaction conditions and selectivity, with studies showing that varying the components and water content of DESs can significantly influence the activity and enantioselectivity of yeast-mediated reductions.
The findings indicate that the interaction between DES components and whole cells can lead to selective inhibition of certain enzymes, thereby enhancing the production of desired enantiomers. Various studies have successfully employed different wild-type whole-cell biocatalysts in DESs to synthesize chiral intermediates for pharmaceuticals, revealing that the choice of DES can dramatically affect reaction efficiency and selectivity. Furthermore, the exploration of isolated enzymes in DESs has shown potential for higher substrate loading and maintained enzyme activity, although challenges remain regarding enzyme stability. Overall, the research underscores the versatility of DESs in biocatalysis, suggesting that tailored DES formulations can optimize biotransformations for API synthesis, paving the way for more sustainable and efficient pharmaceutical production processes.