Chemische Synthese von Lanthipeptiden vs. In-vivo-Biosynthese für die pharmazeutische Produktion

Lanthipeptide: Chemische Synthese vs. In-vivo-Biosynthese für die pharmazeutische Produktion

1.Forschungshintergrund

Die globale Gesundheitsbranche steht vor einer gravierenden Krise der Antibiotikaresistenz, wodurch ein dringender Bedarf an neuen antimikrobiellen Wirkstoffen entsteht. Lanthipeptide (Lantibiotika) bilden eine einzigartige Klasse ribosomal synthetisierter und posttranslational modifizierter Peptide mit charakteristischen Thioether-vernetzten Lanthionin- und Methyllanthioninstrukturen. Sie weisen eine starke antimikrobielle Aktivität, hohe Zielspezifität und Proteaseresistenz auf und besitzen daher großes Potenzial, traditionelle Antibiotika zu ersetzen.

Die Anzahl der identifizierten Lanthipeptide ist von 26 im Jahr 1997 auf über 100 im Jahr 2015 rasant angestiegen. Engpässe in der großtechnischen Herstellung schränken jedoch ihre klinische Forschung und kommerzielle Anwendung erheblich ein. Die traditionelle Extraktion aus natürlichen Mikroorganismen liefert extrem niedrige Ausbeuten, während die beiden gängigen Produktionswege – die chemische Synthese und die In-vivo-Biosynthese – jeweils spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Bislang fehlt ein umfassender, industriell orientierter Vergleich dieser beiden Produktionsstrategien.

2.Bedeutung der Forschung

Diese Übersichtsarbeit vergleicht systematisch die chemische Synthese und die mikrobielle Biosynthese von Lanthipeptiden und analysiert deren technische Schwierigkeiten, Ausbeuten, Wirtschaftlichkeit und industrielle Anwendbarkeit. Die Ergebnisse verdeutlichen die Vorteile und Grenzen der jeweiligen Produktionsmethode und bieten praktische Hinweise zur Auswahl geeigneter Herstellungsverfahren für Lanthipeptide in pharmazeutischer Qualität.

Die Arbeit fasst zudem praktikable Optimierungsstrategien zur Verbesserung der Produktausbeute, der Aktivität und der physikochemischen Eigenschaften von Lanthipeptiden zusammen. Sie legt den Grundstein für die Weiterentwicklung der Produktionsprozesse, die Beschleunigung der klinischen Anwendung und die Vermarktung von Lanthipeptid-Arzneimitteln und fördert darüber hinaus die Entwicklung neuer antimikrobieller Therapeutika gegen Resistenzen.

3.Forschungsinhalte

Struktur- und Klassifizierungsanalyse: Die wichtigsten Strukturmerkmale, posttranslationalen Modifikationen (PTMs) und vier Hauptklassen von Lanthipeptiden werden anhand biosynthetischer Gencluster und modifizierender Enzyme vorgestellt. Der Biosynthesemechanismus der Vorläuferpeptide wird erläutert, einschließlich der Funktion von Leaderpeptiden sowie der Modifikations-, Spaltungs- und Sekretionsverfahren.

Studie zur chemischen Synthesetechnologie: Erforschung der Festphasen-Peptidsynthese (SPPS) und der Flüssigphasensynthese von Lanthipeptiden. Erfassung von Synthesedaten im Labormaßstab, einschließlich Reaktionsschritten, Gesamtausbeuten und Rohstoffkosten. Analyse der Herausforderungen der stereospezifischen Synthese von Lanthioninringen und verschiedenen chemisch modifizierten Analoga. Bewertung der Anwendung der chemischen Synthese in der Struktur-Wirkungsbeziehungsforschung und der Analogaentwicklung.

Studie zur In-vivo-Biosynthese und zum Bioengineering: Zusammenfassung der Produktionsleistung von Lanthipeptiden in nativen Mikroorganismen und heterologen Wirten wie Escherichia coli. Verschiedene Optimierungsansätze werden aufgezeigt: Stamm-Engineering, Reformulierung des Kulturmediums, Anpassung der Fermentationsparameter, Bioreaktoroptimierung und Modifizierung des Leaderpeptids. Die Studie untersucht In-vivo-Mutagenese zur Verbesserung der Peptidaktivität, -löslichkeit und -ausbeute.

Wirtschaftliche und industrielle Machbarkeitsbewertung: Vergleich der Produktionskosten, der Gesamtausbeute, der Produktreinheit, der Skalierbarkeit und der Umweltauswirkungen von chemischer Synthese und Biosynthese. Ermittlung des aktuellen Marktstatus, des Marktpreises und des klinischen Fortschritts typischer Lanthipeptidprodukte.

4.Forschungsergebnisse

Ergebnisse der chemischen Synthese: Die chemische Synthese bietet Flexibilität beim Aufbau von Strukturanaloga und der Untersuchung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen. Lanthipeptide mit komplexen posttranslationalen Modifikationen (PTMs) erfordern jedoch Dutzende bis über 70 Reaktionsschritte. Die Gesamtausbeuten im Labor sind extrem niedrig und liegen zwischen 0,003 % und 2,5 %. Komplizierte stereochemische Kontrolle, teure Katalysatoren und Rohstoffe führen zu prohibitiven Kosten für die industrielle Produktion im großen Maßstab. Darüber hinaus lassen sich einige einzigartige modifizierte Strukturen natürlicher Lanthipeptide nicht vollständig chemisch reproduzieren.

Ergebnisse der In-vivo-Biosynthese: Die Biosynthese ermöglicht die Herstellung von Lanthipeptiden mit natürlicher Stereokonfiguration und vollständigen posttranslationalen Modifikationen, wodurch weniger nachfolgende Aufreinigungsschritte erforderlich sind. Die Optimierung nativer Stämme und Fermentationsbedingungen kann die Ausbeute deutlich steigern; so konnte beispielsweise die Ausbeute von Epidermin und Gallidermin auf mehrere hundert mg/L erhöht werden. Die heterologe Expression in E. coli erweitert das Produktionspotenzial zusätzlich. Mehrere gentechnisch veränderte Lanthipeptidvarianten weisen eine verbesserte antimikrobielle Aktivität, Löslichkeit und Stabilität auf.

Anwendung und Marktstatus: Mehrere Lanthipeptid-Derivate aus chemischer Synthese und Bioengineering befinden sich in präklinischen oder klinischen Studien, darunter NVB302 und Mutacin 1140. Nisin wird bereits kommerziell als Lebensmittelkonservierungsmittel hergestellt, und Microbisporicin wurde im Pilotmaßstab industriell biosynthetisch für therapeutische Zwecke hergestellt. Derzeit ist weltweit noch kein Lanthipeptid offiziell als Arzneimittel für den Menschen zugelassen.

5.Diskussion

Lanthipeptide sind vielversprechende Kandidaten gegen multiresistente Krankheitserreger, doch ihre großtechnische Herstellung stellt nach wie vor das größte Hindernis für die Industrialisierung dar. Die chemische Synthese eignet sich zwar für die Laborforschung, das Analogon-Screening und die Herstellung kleiner Chargen, ist aber aufgrund der geringen Gesamtausbeute und der hohen Kosten für die industrielle Massenproduktion wirtschaftlich nicht rentabel.

Die In-vivo-Biosynthese ist die einzig realistische Lösung für die pharmazeutische Produktion im großen Maßstab. Weitere Forschungsbemühungen sollten sich auf die Optimierung von Hochdurchsatz-Bioprozessen, die Entwicklung robuster heterologer Expressionssysteme und das Engineering von Stämmen zur Reduzierung der Produkttoxizität und Verbesserung der Sekretionseffizienz konzentrieren.

Die Kombination von biosynthetischer Produktion und halbsynthetischer Modifizierung stellt einen vielversprechenden Entwicklungsansatz dar, der die Vorteile beider Methoden vereint und so Lanthipeptidderivate mit verbesserten pharmakologischen Eigenschaften ermöglicht. Dank kontinuierlicher Fortschritte in der mikrobiellen Biotechnologie und Fermentationstechnologie dürften Lanthipeptide zukünftig eine wichtige neue Klasse antimikrobieller Wirkstoffe darstellen.

Referenz: Ongey EL, Neubauer P. Lanthipeptide: Chemische Synthese versus In-vivo-Biosynthese als Werkzeuge für die pharmazeutische Produktion[J]. Microbial Cell Factories, 2016, 15: 97. https://doi.org/10.1186/s12934-016-0502-yDie

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