Получение антибиотиков
Лекция № 3
Тема: Получение антибиотиков
План:
1. Общая характеристика вторичных метаболитов, в т.ч. антибиотиков.
2. Характеристика химического синтеза и мутационного биосинтеза антибиотиков.
3. Современное промышленное получение антибиотиков - технология микробного биосинтеза.
Ключевые слова: идиолиты, идиофаза, тропофаза.
Спектр продуктов, образующихся методами биотехнологии необычайно широк и разнообразен. Ими являются природные макромолекулы – белки, ферменты, полисахариды, полиэфиры (поли-β-гидроксибутират), выделенные из клеток микроорганизмов, тканей и органов растений и животных. По отношению к процессу роста низкомолекулярные продукты метаболизма живых клеток делятся на первичные и вторичные метаболиты. Первичные метаболиты необходимы для роста клеток. К ним относятся структурные единицы биополимеров – аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, а также витамины, коферменты, органические кислоты и другие соединения. Вторичные метаболиты – антибиотики, пигменты, токсины – низкомолекулярные соединения, не требующиеся для выживания клеток и образующиеся по завершении фазы их роста, т.е. идиофазы, поэтому их еще называют идиолитами. Среди вторичных метаболитов ведущее место по объему производства занимают антибиотики.
В мире ежегодно производится антибиотиков почти на 20 млрд долларов. По оценкам ВОЗ, каждый год ученые обнаруживают от 100 до 200 новых антибиотиков в рамках исследовательских программ по поиску среди тысяч различных микроорганизмов таких, которые синтезировали бы уникальные антибиотики. Однако, получение, лабораторные и клинические испытания новых лекарственных средств обходятся дорого, поэтому до применения доходят только те из них, которые имеют большую терапевтическую ценность и представляют экономический интерес. Это всего лишь 1-2% от всех обнаруживаемых антибиотиков.
Рекомендуемые материалы
Обычно антибиотик действует не на все микроорганизмы подряд, да это и нежелательно, поскольку могут уничтожиться и полезные микроорганизмы человеческого организма. Поэтому должен быть набор различных антибиотиков для лечения разных болезней. Есть и другое обоснование – возбудители болезней постепенно «привыкают» к действию антибиотиков, т.е. возникают виды бактерий, которые нечувствительны к старому антибиотику. Такое привыкание происходит не быстро, а в течение 10-15 лет. Поскольку есть такой феномен «привыкания» или резистентности, ученым необходимо искать новые антибиотики и продуцирующие их микроорганизмы.
Антибиотики продуцируются плесневыми грибами, актиномицетами, эубактериями и другими микроорганизмами. Некоторые из этих организмов способны продуцировать большое количество антибиотиков. Так, 6 родов филаментозных грибов производят около 1000 различных антибиотиков, в том числе пенициллин и цефалоспорин, а три рода актиномицетов – 3000 антибиотиков. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, один из видов которого – S.griseus синтезирует более 50 антибиотиков.
Образование антибиотиков – это генетически закрепленная особенность метаболизма микроорганизмов, проявляющаяся в том, что каждый вид (или даже штамм) способен продуцировать один или несколько строго специфичных для него антибиотиков.
2. Химический синтез антибиотиков чрезвычайно сложный. Направленный биосинтез антибиотиков осуществляется путем прямой ферментации микроорганизма – продуцента с подходящим предшественником, что индуцирует синтез ферментов вторичного метаболизма в идиофазе. Точный механизм индуцирования первичными метаболитами генов, кодирующих синтез ферментов вторичного метаболизма, не расшифрован. Например, производство бензилпенициллина в значительной степени стимулируется добавками его метаболического предшественника – фенилуксусной кислоты; пропионовая кислота и пропиловый спирт инициируют биосинтез макролидов. Аналогичный эффект вызывает использование ингибиторов метаболизма. Например, при подавлении процесса введения хлора микроорганизм S. aureofaciensобразует тетрациклин, а не хлортетрациклин, а при ингибировании реакции метилирования им синтезируется деметилированное производное хлортетрациклина.
Другой способ получения антибиотиков состоит в использовании для их биосинтеза блокированных мутантов, у которых блокировано (отсутствует) определенное звено в цепи реакций, ведущих к синтезу антибиотика. Так, мутанты Nocardia mediterranei, у которых нарушена способность к ацилированию, образует аналог предшественника рифамицина – В-рифамицин, который служит исходным веществом для получения многих синтетических рифамицинов, используемых в лечении туберкулеза и проказы.
3. Современное промышленное получение антибиотиков – это сложная многоступенчатая биотехнологическая схема, состоящая из ряда последовательных стадий.
1) стадия биосинтеза антибиотика – основная биологическая стадия процесса. Процесс культивирования антибиотиков или идиолитов проходит две фазы (двуступенчатое культивирование). На первой фазе – трофофазе, происходит накопление достаточного количества биомассы, которая выращивается на среде для роста микроорганизма. Эта фаза должна быть быстрой, а питательная среда дешевой. Биосинтез антибиотиков возрастает в фазе замедленного роста клеточной популяции, т.е. в конце трофофазы и достигает максимума в стационарной или идиофазе. В конце трофофазы изменяется энзиматический статус клеток, появляются индукторы вторичного метаболизма, освобождающие гены вторичного метаболизма из-под влияния катаболитной репрессии. Поэтому любые механизмы, тормозящие клеточную пролиферацию и активный рост, стрессовые ситуации, активируют процесс образования антибиотиков. Поэтому в идиофазе ведут ферментацию на продуктивной среде. Большинство антибиотиков получают при глубинной аэробной ферментации периодического действия в асептических условиях. Период ферментации длится около 7-10 суток. К примеру, в биосинтезе пенициллина ферментация питательной среды осуществляется составом, включающем: глюкозу – 1,5%, лактозу – 5% (лактоза снимает катаболитную репрессию глюкозы), аммония сульфат и фосфаты – 0,5 - 1%, кукурузный экстракт – 2-3%, предшественники антибиотика – фенокси- или фенилуксусная кислота – 0,3-0,6%, мел – 0,5-1%, пеногаситель – 0,5-1%; температуру ферментации поддерживают на уровне 22-260 С при рН от 5,0 до 7,5 и аэрации 1 м3воздуха на 1 м3 среды в 1 минуту. Продолжительность ферментации – 4 суток.
2) Следующая, стадия предварительной обработки культуральной жидкости – отделение культуральной жидкости от биомассы продуцента путем фильтрации.
В лекции "1.1. Значение производства" также много полезной информации.
3) стадия выделения и очистки антибиотика. Для медицинских целей технология выделения и очистки имеет особое значение. Обычно она включает сложные многоступенчатые комбинации различных операций: экстракцию антибиотиков подходящими растворителями, осаждение и перекрисстализацию их из разных сред, фракционирование на ионообменных смолах, лиофильную и распылительную сушку готовых препаратов. 4) стадия получения готовой продукции, изготовления лекарственных форм и расфасовки. Антибиотики выделяют или в виде сравнительно неочищенных препаратов (натриевая соль пенициллина), или в виде высокоочищенных вешеств (прокаиновая соль пенициллина), предназначенных для клинического использования. Выход антибиотиков обычно составляет несколько десятков граммов на 1 литр.
Использованная литература:
1. Медицинская биотехнология. К.Х.Әлмағамбетов, Ә.Ө.Байдүйсенова. // Астана. – 2009. – 232с.
2. Основы биотехнологии. Т.А.Егорова, С.М.Клунова, Е.А.Живухина. // Москва. – «Академия». – 2008. – 208с.
3. Биотехнология. Н.В.Загоскина, Л.В.Назаренко и др. // Москва. – «Оникс». – 2009. – 496с.
Контрольные вопросы:
- Основные классы антибиотиков новых поколений в зависимости от химической природы.
- Классификация антибиотиков по механизму действия - СРС.
- Технологии производства антибиотиков.
- Основные пути поиска антибиотиков новых поколений - СРС.
- Биотехнология промышленного получения антибиотика.
- Характеристика вторичных метаболитов.
- Химический синтез антибиотиков
- Мутационный биосинтез антибиотиков.
- Характеристика Р. Chrysogenum – продуцента пенициллина.
