ChiroBlocks IP-Factory

Isozitronensäure – ein verborgener Schatz?

Vermutlich kennt fast jeder die „Zitronensäure“ – und das nicht nur vom sauren Geschmack der Zitrusfrüchte sondern auch als Massenchemikalie. Zitronensäure wird auch künstlich in unglaublich großer Menge produziert: der Weltmarkt beträgt rund 2,5 Mio. Tonnen.

Diese Substanz wird in zahlreichen Produkten für vielfältige Einsatzzwecke verwendet:

  • Als Konservierungsmittel
  • Als Bestandteil von Desinfektionsmitteln
  • Als Säuerungsmittel
  • In Reinigungschemikalien
  • Als Komplexbildner
  • Als Zusatzstoff für viele Nahrungsmittel und kosmetische Produkte

 

Die Zitronensäure wird nicht nur aus Früchten gewonnen; der Großteil stammt aus einem industriellen biotechnologischen Prozess. Folglich ist dieser Stoff gut verfügbar, billig und bestens bekannt.

 

Wie verhält es sich nun mit der “Schwesterverbindung” Isozitronensäure?

isocitricacid chiroblock

Deren Name klingt nicht nur sehr ähnlich, sie ist auch tatsächlich eng verwandt mit der Zitronensäure. Die chemischen Strukturen sind vergleichbar, beide Verbindungen haben die gleiche Molmasse sowie die gleichen funktionellen Gruppen (sowohl bezüglich des Typs als auch der Anzahl). Schließlich handelt es sich bei beiden um „Naturstoffe“.

Zitronensäure – versus Isozitronensäure: Wie verwandt sind die beiden Substanzen wirklich?

OK, die Strukturen, die Molmasse und die funktionellen Gruppen sind gleich. Das ist schon ziemlich viel Ähnlichkeit – aber das ist noch nicht Alles:

Beide Verbindungen werden in den Zellen über fast die gleichen „Biokaskaden“ hergestellt. Beide sind prominente Vertreter des „Krebs Zyklus“ (des Zitronensäurezyklus). Folglich sind beide in jeder lebenden Zelle anzutreffen – wenn auch in sehr unterschiedlicher Menge.
Die Konzentration an Zitronensäure überwiegt die der Isozitronensäure bei Weitem. So beträgt das Verhältnis zum Beispiel im Orangensaft 130 : 1. Tatsächlich kann dieses Verhältnis auch als eine Art „Fingerabdruck“ zur Identifizierung von Ursprung und Reinheit von Naturprodukten genutzt werden.

Andererseits zeigen diese Zahlen, dass die Gewinnung von Isozitronensäure aus Pflanzen sehr aufwändig und wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Man muss also sagen: Isozitronensäure ist zwar häufig (in jeder Zelle zu finden), aber kaum als Reinform verfügbar (nur in winzigen Konzentrationen vorliegend).

Was folgt daraus? Ist Isozitronensäure nun ein “unnützes Abfallprodukt” oder ein “Aschenputtel”, ein Schatz, dessen Wert bisher verkannt wurde?

citric acid limette

Es müssen hier zwei Aspekte zur Beantwortung dieser Frage berücksichtigt werden: das natürliche Umfeld in den lebenden Zellen einerseits und die Markt- und Anwendungs-Perspektive aus menschlicher Sicht andererseits.

Der erste Punkt ist leicht zu beantworten: Die Natur verschwendet niemals Energie und entwickelt auch keine „nutzlosen“ Reaktionskaskaden und/oder Verbindungen. Im Gegensatz zur Zitronensäure verfügt die Isozitronensäure sowohl über eine Hydroxylgrupe als auch über ein Proton am alfa-Kohlenstoff einer der Carboxylgruppen. Genau dieses Substitutions-/Funktionalitätsmuster ist erforderlich, um (längere) organische Verbindungen unter C-C – Spaltung und CO2-Eleminierung abzubauen. Folglich investiert die Natur (sehr sinnvoll) Energie in die Iosmerisierung der vergleichsweise stabilen Zitronensäure zur instabileren Isozitronensäure und eröffnet damit die Möglichkeit, energiereiche größere organische Moleküle – wie z.B. Glukose – zu metabolisieren.

Wie sieht es aber mit dem Nutzen dieses “energiereichen Isomers” bei Anwendungen in der menschlichen Sphäre aus?

cocktails citric

Es wäre sicher sinnlos, über die Zitronensäure als Produkt zu sprechen, wenn diese nicht eine Reihe einzigartiger, wertvoller Merkmale – auch außerhalb des originären biologischen Stoffwechsels - aufwiese. Tatsächlich gibt es mehrere solche sinnvoll nutzbaren Eigenschaften:

  • Sie ist ein außergewöhnlich gutes Anti-Koagulanz (Gerinnungshemmer)
  • Sie verkörpert ein sehr interessantes Strukturmotiv als „chiraler Molekülbaustein“
  • Sie wirkt auf bestimmte Zellen lebensverlängernd bei externer Applikation


Aus jeder dieser Eigenschaften resultieren vielversprechende Produkt- und Marktchancen:

Isozitronensäure als Gerinnungshemmer:

Diese Eigenschaft kann sowohl in der Diagnostik als auch in der Therapie genutzt warden – konkret für Blutproben und für Blutkonserven.
Der Markt für diagnostische Blut-Untersuchungen umfasst mehrere Milliarden USD weltweit. Täglich werden Millionen solcher Proben jeden Tag untersucht. Eine wesentliche Bedingung für das Funktionieren dieser Diagnostik ist die Unterdrückung der Blutgerinnung in den Probenröhrchen. Bisher setzt man hier in Abhängigkeit von den zu bestimmenden Parametern eine Vielzahl unterschiedlicher Antikoagulanzien ein – z.B. EDTA, Zitronensäure oder NaF/Heparin. Diese Vielfalt resultiert in einer hohen Komplexität in Bezug auf das Handling und die Analyse der Blutproben. Das hat entsprechende Auswirkungen auf die Kosten. Diese Komplexität könnte durch die Substitution der bisherigen Gerinnungshemmer mit Isozitronensäure deutlich verringert werden. Ein Effizienzgewinn von einigen zehn Millionen USD je Jahr wäre die Konsequenz.

blood bag isocitric acid

Ähnlich ist die Situation bei Konserven von Blut oder Blutplasma. Gegenwärtig müssen diese Spenden bei tiefer Temperatur (möglichst Tiefkühlschrank) gelagert warden und sie weisen trotzdem nur eine sehr begrenzte Haltbarkeit auf. Wenn man deren Gerinnungshemmer durch Isozitronensäure ersetzte, dann könnten diese lebensrettenden Konserven bei höherer Temperatur und auch länger gelagert werden. Die positiven Folgen sind offensichtlich – insbesondere, wenn man berücksichtigt, wie schlecht verfügbar Blutkonserven gerade in tropischen / subtropischen Ländern mit unterentwickelter Infrastruktur sind.

Isozitronensäure als “chiraler Molekülbaustein”:

Die Bedeutung und die Anzahl von eindeutig definierten Stereozentren - selbst in synthetischen “small molecule” Wirkstoffen - nimmt ständig zu.
Einer der einfachsten Wege, solche chiralen Untereinheiten in ein Molekül einzubinden, ist die Nutzung gut verfügbarer „chiral building blocks“. Die Natur mit ihren chiralen Zuckern, Aminosäuren, Terpenen und anderen optisch aktiven Substanzklassen ist dabei die Hauptquelle entsprechender Bausteine. Diese bieten nicht nur den Vorteil der Verfügbarkeit und der Nachhaltigkeit, sondern für diese Stoffe sind in der Natur bereits Aktivitäts- und Wirkungsmodi sowie Stoffwechselwege etabliert.

Isozitronensäure mit den beiden geometrisch klar definierten Stereozentren ist in dieser Hinsicht ein idealer Kandidat für die “building block” Strategie bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe. Bisher wurden auf diese Weise hergestellte Moleküle mit Wirkung gegen HIV und bestimmte Anämien beschrieben.

Ist Isozitronensäure selbst ein funktionaler Wirkstoff?

Es gibt noch weitaus mehr potentielle Anwendungsgebiete der Isozitronensäure. So kann man sich gut vorstellen, dass die Verabreichung dieser allgegenwärtigen, „energiereichen“ Verbindung eine Wirkung auf den Zellstoffwechsel hat.
Die offensichtlichste direkte Folge ist der Einfluss auf die chemischen Gleichgewichte im Krebs-Zyklus der Zelle. Wenn man eine der dort vorkommenden Verbindungen von außen zuführt, dann ändert das die Gleichgewichtslagen und damit die Biochemie der Zelle. So fanden Forscher eine Reihe positiver Effekte im Zusammenhang mit Isozitronensäure: eine Verlängerung der Lebensdauer, eine Unterdrückung von Alterungsprozessen – und generell konservierende und vitalisierende Wirkungen.

Diese Beobachtungen eröffnen nun den Weg für neue Anwendungen auf den Gebieten “functional food“, Kosmetik und anderen life-style Produkten – das gilt umso mehr als Isozitronensäure nicht giftig ist und die Verwendung dieses Naturstoffs keine ausgedehnten regulatorischen Zulassungsprozesse erfordert.

Mit all diesen aussichtsreichen Anwendungen im Hintergrund, sollte es einen hohen Bedarf an dieser Substanz geben. Das ist allerdings nicht der Fall – jeder Bedarf oberhalb einiger hundert Gramm kann nicht gedeckt werden, was jede Produktentwicklung in eine dieser Richtungen blockiert. Diese Verbindung, speziell in reiner Form, ist praktisch nicht kommerziell verfügbar. Der Preis für Isomerengemische liegt zwischen 15 und 20 tausend € je kg, das reine natürliche Isomer kostet mindestens das Zehnfache und wird im kg-Maßstab nicht angeboten.

Wie kann der Bedarf nun gedeckt werden?

Bisher sind alle drei denkbaren Ansätze, diese Substanz zu gewinnen, nicht großtechnisch praktikabel, viel zu teuer und daher insgesamt nicht wirtschaftlich umsetzbar:

  • Die Gewinnung aus natürlichen Quellen (Pflanzenmaterial) ergibt nur etwa 16 g Produkt aus 250 kg Rohmaterial (Blättern).
  • Die chemische Totalsynthese ist nur von akademischem Interesse: Mehr als 8 nicht skalierbare Synthesestufen resultieren in einer Gesamtausbeute von unter 20%, wobei mehrere Isomere anfallen, die kaum abtrennbar sind.
  • Die naheliegende Biotransformation mittels diverser Mikroorganismen oder Zellsysteme ergibt zwar das Produkt in deutlich größerer Menge. Dieses ist hier aber immer mit einer Vielzahl verwandter Carbonsäuren in einer wässrigen Matrix verunreinigt. Insofern überwiegen die Aufwendungen zur Isolierung und Reinigung der Subtanz den möglichen Vorteil des prinzipiell eleganteren Syntheseansatzes.

Was ist nun ChiroBlocks Beitrag zur Herstellung von Isozitronensäure?

appleorange chiroblock

Genau solche Situationen, in denen Bedarf an einer anderweitig nicht kommerziell verfügbaren Substanz entsteht, wecken unser Interesse und bilden die Basis für neue F&E Aktivitäten. Das gilt hier ganz besonders, weil die betreffende Verbindung „chiral“ und „klein“ und dazu noch ein potentieller „building block“ ist.

So haben wir vor rund zwei Jahren – gemeinsam mit zwei Leipziger Partnern, dem Umweltforschungszentrum und dem Institut für nichtklassische Chemie – ein entsprechendes F&E – Projekt gestartet.
Dieses Projekt wird wegen seiner potentiellen wirtschaftlichen Bedeutung und wegen seines Beitrags zur Substitution fossiler Rohstoffe durch nachhaltige Ausgangsverbindungen vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Wir verfolgen gemeinsam mit unseren Partnern hier von Beginn an zwei unterschiedliche Lösungsansätze, um am Ende auch wirklich einen praktikablen Zugang zur Isozitronensäure vorliegen zu haben:

  • Der eine Ansatz basiert auf einem Fermentationsprozess natürlicher Substrate
  • Der andere, eher chemisch-synthetische Weg beinhaltet vorwiegend klassische organische Transformationen

 

Jetzt, nach mehreren Monaten intensiver Arbeit wird deutlich, dass mindestens einer dieser Wege effizient und robust genug sein wird, um die wertvolle Isozitronensäure in Reinfrom zu wettbewerbsfähigen Preisen und in größerer Menge herstellen zu können.

Gegenwärtig optimieren wir die wesentlichen Syntheseschritte weiter, doch wir sind zuversichtlich, das Projekt bis zum Frühjahr 2021 erfolgreich abschließen zu können. Danach werden wir mit dem Marketing und dem Verkauf beginnen. Interessenten, potentielle Kunden können uns gern ihre Vorstellungen zur Zielspezifikation (Reinheit, Salzform...) mitteilen oder Substanzmuster anfordern.

Dieses Projekt ist in der Gesamtschau ein gelungenes Beispiel für Aktivitäten in ChiroBlocks „IP-Factory“ – Geschäftsfeld: Zuerst wird ein unbefriedigter Bedarf an nicht verfügbaren, komplexen diskreten Molekülen identifiziert, dann erfolgt die Evaluierung vom Markt und von der technischen Machbarkeit – und schließlich nutzen wir unsere internen F&E-Ressourcen auf dem Gebiet der chemischen Syntheseentwicklung gemeinsam mit externen Partnern, um neues, eigenes IP zu neuen Verbindungen und/oder neuen Syntheserouten zu generieren.

In anderen Worten: “Transforming Ideas into Molecules”.

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