Asimetrik indirgenme tepkimelerinin bitki biyokatalizörlüğünde incelenmesi
Investigation of asymmetric reduction reactions with plant biocatalyst
Yazar: GÜNAY BAYDAR
Danışman: PROF. DR. ÜLKÜ MEHMETOĞLU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, bir prokiral keton olan asetofenonun asimetrik biyoindirgenmesiyle enantiyomerik saflıkta (S)-1-feniletanol üretimi gerçekleştirilmiştir. (S)-1-feniletanol ilaç etken maddesi üretiminde kullanılan bir öncü maddedir. Tepkimeler, sıcaklık ve karıştırma hızının kontrol edildiği orbital çalkalayıcılarda kesikli biyoreaktörlerle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ürünler HPLC' de Chiralcel OB kolonu kullanarak analizlenmiştir. 
Tüm hücre, saf enzime göre daha ekonomik olduğu için yapısında alkol dehidrojenaz (ADH) enzimi bulunduran İspir fasülyesi biyokatalizör olarak kullanılmıştır. Biyokatalizör, İspir fasülyesinden aseton tozu yöntemiyle elde edilmiştir ve (S)-enantiyomer için yüksek enantiyomerik aşırılıkla (>%99) tepkimeler gerçekleştirilmiştir. Uygulanan ön işlemle 100 g İspir fasülyesinden yaklaşık olarak 26 g aseton tozu elde edilmiştir. Asetofenon, dimetilsülfoksit (DMSO) çözücüsünde çözünerek tepkimelerde kullanılmıştır. 
Asimetrik indirgenme tepkimleri ADH tarafından katalizlenir ve ADH kofaktör (NADH ya da NADPH) varlığında aktivite gösteren bir enzimdir. Kofaktörler oldukça pahalıdırlar ve tepkime sonunda tükenirler. Bu sebeple tepkime süresince kofaktör rejenerasyonu gerçekleştirilmelidir. Bu çalışmada kofaktör rejenarasyonu için kosubstrat olarak glukoz kullanılmıştır. ADH-GDH enzim çiftiyle kofaktör rejenerasyonu başarıyla gerçekleştirilmiştir.  
Biyoindirgenme deneylerinde, ürün derişimini maksimum yapmak için tepkime süresi, substrat derişimi, kosubstrat derişimi ve biyokatalizör derişimi Cevap Yüzey Yöntemi (RSM) ile optimize edilmiştir. Optimum değerler; tepkime süresi 36 saat, substrat derişimi 6 mM, kosubstrat derişimi 25 mM, biyokatalizör derişimi 175 mg/mL olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda, fosfat tamponu ortamında (pH=7.0), 30 °C sıcaklıkta >%99 enantiyomerik aşırılık değerinde 2,4 mM (0,29 g/L) (S)-1-feniletanol üretimi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, enantiomerically pure (S)-1-phenylethanol was produced via asymmetric bioreduction of acetophenone. (S)-1-phenylethanol is a drug precursor substance which is used for pharmaceutical active substance production. The reactions were carried out on temperature and agitation rate controlled orbital shaker using batch bioreactors. The yields were analysed by HPLC using Chiralcel OB column.
Since whole cells more cheaper than isolated enzymes, İspir bean used for alcohol deheydrogenase (ADH) source as biocatalyst. Biocatalyst was prepared with acetone powder methodolgy from İspir bean and the biocatalyst showed high enantiomeric excess (>99%) for (S)-enantiomer. For this study, 26 g acetone powder is supplied from 100 g İspir bean with acetone powder methodolgy. Acetophenone was dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) and it was used in the reactions.
Asymmetric reduction reactions are catalyzed from ADH and ADH catalyze the enantioselective reduction of ketones with the help of nicotinamide cofactors (NADH or NADPH). However cofactors are highly expensive and at the end of the reaction nicotianamide cofactors run out. For this reason cofactors must be regenerated during the reaction. In this study, glucose were used as a cosubstrate for solving cofactor regeneration problem. With ADH-GDH enzyme couple, cofactor regeneration was carried out successfully.
In bioreduction reactions, reaction time, substrate concentration, cosubstrate concentration and biocatalyst concentration were optimized to maximize the produced (S)-1-phenylethanol via Responce Surface Methodology (RSM). 36 h bioreduction time, 6mM acetophenone concentration, 25 mM glucose concentration, and 175 mg/ml biocatalyst concentration were determined as optimum values. In these conditions, 2,4 mM (0,29g/L) (S)-1-phenylethanol was obtained in phosphate buffer (pH=7,0) at 30 °C with >99% enantiomeric excess.