Een slimme combinatie van bio- en organische synthesemethoden maakt de productie van medicijnen milieuvriendelijker.
De farmaceutische industrie gebruikt veelal traditionele organische synthesemethoden voor de productie van medicijnen. Er valt echter grote winst te behalen door ook biosynthese te gebruiken, blijkt uit een recente inventarisatie opgesteld door Leidse chemici.
De traditionele synthesemethoden zijn ‘stap-voor-stapmethoden’: beginstof A wordt in een aantal stappen omgezet in eindproduct D, waarbij men de producten B en C van tussenliggende stappen isoleert en zuivert voor de volgende omzetting. Door deze scheidingsstappen is het energieverbruik hoog. Andere nadelen zijn dat er vaak grote hoeveelheden beginstof nodig zijn en dat er veel afval ontstaat, omdat er geen geschikte katalysator bestaat. Een katalysator is een verbinding die de gewenste reactie bevordert.
Biosynthesemethoden kennen bovengenoemde nadelen niet. Biosynthese is het soort synthese dat in elke cel van je lichaam plaatsvindt. Het is een meerstapsproces waarin speciale eiwitten, zogenaamde enzymen, de individuele reacties katalyseren. Doordat de enzymatische omzettingen zeer nauw op elkaar aansluiten en zeer efficiënt zijn, zijn tussentijdse scheidingsstappen overbodig. Voor industriële toepassingen gebruiken bedrijven combinaties van losse enzymen of een compleet micro-organisme dat in zijn cel alle reacties kan uitvoeren.
De wetenschappers constateren dat biosynthese zeer aantrekkelijk is vanuit economisch en milieutechnisch oogpunt, maar helaas is het niet zo geschikt voor farmaceutische toepassingen. Micro-organismen zijn namelijk slecht in staat de zeer specifieke verbindingen te maken die nodig zijn voor medicijnen, omdat deze aanzienlijk verschillen van de puur natuurlijke producten die de gebruikte organismen gewoonlijk vormen. In hun rapport zien de Leidse chemici meer toekomst in een combinatie van bio- en organische synthesemethoden. In het meest ideale geval kunnen ze op die manier chemische, enzymatische en microbiële omzettingen combineren tot efficiënte meerstapsprocessen die in één reactievat zijn uit te voeren zonder tussentijdse scheidingsstappen.
Volgens de scheikundigen vormen de indrukwekkende resultaten op het gebied van waspoeders een goede inspiratiebron voor toekomstige ‘schone’ synthesemethoden. Wasmiddelen bestaan uit tientallen verbindingen, waaronder minstens zes verschillende enzymen, en het wasproces is een uitstekend voorbeeld van een meervoudig gekatalyseerde omzetting van vuile was naar schone was plus vuil. Hierbij is de wasmachine een geavanceerd reactievat dat tijdens het proces het product (schone was) van het afval (vuil) scheidt.
De combinatie-aanpak, waarbij je meerdere enzymen of een enzym en een chemische katalysator combineert, vergt veel fijne afstemmingen om een gebalanceerde samenwerking van de omzettingen te verkrijgen. De verschillende katalysatoren mogen elkaar bijvoorbeeld niet aantasten en voor elke omzetting moeten de reactieomstandigheden worden geoptimaliseerd.
De ontwikkelingsgeschiedenis van het antibioticum cephalexine illustreert dat de combinatie-aanpak desondanks zeer reëel is. In de jaren zeventig bestond de synthese van dit antibioticum uit een microbiële vergistingsstap en maar liefst zeven organische synthesestappen, die tezamen veel energie en grondstoffen kostten. Dertig jaar later bestaat de route uit slechts één organische synthesestap, één microbiële stap en twee enzymatische omzettingen. De milieuwinst drukt zich uit in 90% minder oplosmiddelen, 15% minder afval en 40% minder energieverbruik.
Mirjam Leunissen
