Получение антибиотиков

Мировое производство антибиотиков очень велико (~ на 20 млрд долл.). Они являются противоопухолевыми и противо- микробными препаратами. Они сделали излечимыми ранее безнадежные заболевания: туберкулез, сепсис, сифилис. Даже более широко, чем в медицине, антибиотики применяются в растениеводстве, животноводстве, ветеринарии и в пищевой промышленности.

Производство антибиотиков сыграло большую роль в становлении биотехнологии.

Антибиотики изначально имеют природное происхождение. Они подавляют рост живых клеток и, по предположению, возникли в борьбе за существование почвенных биоценозов.

Многие из них являются «химическим оружием» и служат для нападения и защиты. Кроме этого они участвуют в процессах детоксикации вредных метаболитов, контролируют обмен веществ, дифференцировку клеток и т. д. Есть теория, что они являются реликтовыми молекулами, которые в ходе эволюции были вытеснены другими продуктами рибосомального синтеза, но сохранили способность вмешиваться в обмен веществ. Англичанин Флеминг в 1928 г. обнаружил способность гриба зеленой плесени Penicillium notatum вызывать гибель м.о. Лечебные свойства плесени описал в 1871 г. русский дерматолог А. Г. Полотебнов.

В настоящее время известно 12 000 соединений этого класса, из которых в клинической практике используются —200. Некоторые токсичны и не используются.

Антибиотики классифицируют по разным признакам — по происхождению (из грибов, бактерий, актиномицетов и др.), химической природе и механизму действия.

Антибиотики относятся к разным классам химических соединений. Их делят на ряд классов: ациклические (полнены, нистатин, леворин), алициклические, ароматические, хиноны, кислородсодержащие гетероциклы (гризеофульвин), макролиды (эритромицин, олеандомицин), азотсодержащие гетероциклы (пенициллин), полипетиды или белки, декапептиды.

Химические формулы наиболее распространенных антибиотиков:

По типу действия антибиотики делятся на бактерицидные, вызывающие гибель м.о., и бактериостатические, нарушающие способность м.о. к делению. По спектру действия — узкого и широкого действия. К антибиотикам широкого действия относится, в частности, тетрациклин и аминогликозиды, которые применяются против неидентифицированных возбудителей болезни, но могут вызвать дисбактериоз.

Для антибиотиков характерна специфичность действия, они избирательно подавляют один или несколько процессов лишь в некоторых м.о.

По принципу специфики действия различают группы антибиотиков, которые вызывают следующие нарушения:

• нарушение биосинтеза пептидогликанов клеточной стенки (в том числе пенициллины);

  • • нарушение отдельных этапов процессов трансляции;
  • • повреждения цитоплазматической мембраны (например, грамицидин);
  • • нарушение биосинтеза нуклеиновых кислот (противоопухолевые антибиотики);
  • • нарушение энергетического обмена.

В научных исследованиях антибиотики широко используются для расшифровки механизмов биосинтеза белка, нуклеиновых кислот и клеточных стенок бактерий, изучения транспорта ионов через мембраны и др. целей.

Постоянно изыскиваются новые антибиотики для лечения более широкого круга заболеваний, а также по причине накопления резистентных к антибиотикам новых форм м.о.

Так, присутствующий в клетках бактерий энзим лактамаза (пенициллиназа) гидролизует в молекуле пенициллина амидную связь лактамного кольца цикла с образованием пенициллиновой кислоты. Эта кислота лишена противомикробной активности.

Устойчивость микроорганизмов к антибиотикам имеет всеобщий характер. Она характеризуется разнообразием типов и стабильностью воспроизводимости. Поэтому главным направлением получения новых антибиотиков является не открытие новых соединений, а в химической трансформации уже известных природных молекул. Целью такой работы является уменьшение резистентности м.о. и снижение токсичности антибиотиков и, одновременно, более широким спектром действия, большим временем жизни, химической и биологической устойчивостью.

Важным подходом является использование природных ингибиторов лактамаз.

Химический синтез антибиотиков очень сложен. В данном случае биотехнология является оптимальным вариантом.

Есть несколько биотехнологических способов получения природных и полусинтетических антибиотиков.

Направленный биосинтез осуществляется прямой ферментацией микроорганизма — продуцента с подходящим предшественником. При этом индуцируется синтез вторичных метаболитов в фазе несбалансированного роста, голодания, когда м.о. прекратили рост, перед образованием покоящихся клеток (идиофаза).

Антибиотик в неблагоприятных условиях подавляет рост м.о. (трофофаза), обеспечивая благоприятные условия для выживания микроба.

Вводимый предшественник должен лимитировать скорость биосинтеза антибиотика. Например, синтез бензилпенициллина, контролируется добавкой его метаболитического предшественника — фенилуксусной кислоты.

Другой способ интенсификации биосинтеза состоит в использовании блокированных мутантов, у которых отсутствует определенное звено для синтеза антибиотика.

В культуральную жидкость вводят аналог предшественника антибиотика и переводят его в аналог самого антибиотика в ходе синтеза, который называется мутационным биосинтезом или мутасинтезом. Такой аналог используется для получения многих синтетических антибиотиков.

Предполагаемая последовательность стадий:

Отсутствие синтеза у мутанта:

Синтез модифицированного антибиотика после аналога предшественника D*:

Таким путем получают полусинтетические пенициллины.

Антибиотики продуцируются плесневыми грибами, актино- мицетами, эубактериями и др. м.о.

Каждый из активных видов синтезирует ряд антибиотиков.

В образовании антибиотиков задействовано много генов — до 2 %. Это обеспечивает для м.о. большие возможности адаптации. С другой стороны это затрудняет анализ путей биосинтеза и идентификацию отдельных мутаций, которые бы способствовали повышению выхода антибиотика.

Биосинтез антибиотиков, как и других идиолитов, происходит в фазе замедленного роста популяции (конец трофофазы) и достигает максимума в стационарной идиофазе.

В этот период изменяется статус клеток, освобождаются гены вторичного метаболизма.

В этот период все механизмы, тормозящие активный рост, стрессовые ситуации стимулируют синтез антибиотика.

Культивирование идиолитов происходит в два этапа.

На первом этапе накапливается достаточное количество биомассы на среде для роста. На втором этапе происходит запуск и активный синтез антибиотика. При этом ферментацию ведут на продуктивной среде.

Оптимизация состава среды при этом имеет очень большое значение. Быстро усваиваемые компоненты снижают выход.

Некоторые антибиотики происходят от промежуточных соединений обмена первичных метаболитов. Их биосинтез регулируется путем ретроингибирования. Кроме этого биосинтез ряда антибиотиков контролируется высокими концентрациями самих антибиотиков.

В процессе эволюции многие м.о. выработали механизмы защиты от своих антибиотиков.

Большинство антибиотиков получают методом глубинной ферментации в асептических условиях. Период ферментации длится 7—10 суток.

Технология завершающих стадий определяется природой антибиотика. Антибиотики выпускают как в очищенном, так и в неочищенном виде.

Выход обычно составляет несколько десятков грамм на 1 л.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >