Антибиотики. Поиск штаммов-продуцентов

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ

 

Тема: Антибиотики. Поиск штаммов-продуцентов.

Тема: Антибиотики. Поиск штаммов-продуцентов.

 

 

Цель лекции:     Ознакомить студентов с технологией производства природных антибиотиков.

  

План лекции:

 

1. Принципы получения  вторичных клеточных метаболитов

2. Антибиотики. История развития антибиотикотерапии.

3. Продуценты антибиотиков.

4. Классификация антибиотиков по химической природе

5. Классификация антибиотиков  по механизму действия

6. Проблема устойчивости  к антибиотикам.

 

БИОТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ  МЕТАБОЛИТОВ

        Принципы получения вторичных  метаболитов основаны на особенностях  их образования клетками микроорганизмов.  Биосинтез вторичных метаболитов фазоспецифичен и происходит по завершении стадии роста, в идиофазе, благодаря чему их еще называют идиолитами. Среди вторичных метаболитов ведущее место по объему производства занимают антибиотики.

АНТИБИОТИКИ

Антибиотики - специфические  продукты жизнедеятельности или  их модификации, обладающие высокой  физиологической активностью в отношении определённых групп микроорганизмов или злокачественных опухолей, избирательно задерживают их рост или подавляют развитие.

Антибиотики - первые лекарственные  средства, полученные биотехнологическим способом.

В народной медицине для  обработки ран и лечения туберкулеза издавна применяли экстракты лишайников. Позднее в состав мазей для обработки поверхностных ран стали включать экстракты бактерий Pseudomonas aeruginosa, хотя почему они помогают, никто не знал, и феномен антибиоза был неизвестен.

Однако некоторые из первых ученых-микробиологов сумели обнаружить и описать антибиоз (угнетение  одними организмами роста других). Дело в том, что антагонистические  отношения между разными микроорганизмами проявляются при их росте в  смешанной культуре. До разработки методов чистого культивирования разные бактерии и плесени выращивались вместе, т.е. в оптимальных для проявления антибиоза условиях. Луи Пастер еще в 1877 описал антибиоз между бактериями почвы и патогенными бактериями – возбудителями сибирской язвы. Он даже предположил, что антибиоз может стать основой методов лечения.

 

Первые антибиотики  были выделены еще до того, как стала  известной их способность угнетать рост микроорганизмов. Так, в 1860 был  получен в кристаллической форме  синий пигмент пиоцианин, вырабатываемый небольшими подвижными палочковидными бактериями рода Pseudomonas, но его антибиотические свойства были обнаружены лишь через много лет. В 1896 из культуры плесени удалось кристаллизовать еще одно химическое вещество такого рода, получившее название микофеноловая кислота.

Основные этапы  развития производства антибиотиков

1870 г. - обнаружено, что  в среде, содержащей плесень,  бактерии не развиваются;

1872 г. - доказана способность  Penicillum glaucum подавлять рост бактерий;

1871-1872 гг. - показано (В.А. Манассеин, А.Г. Полотебнов), что грибы рода Penicillum способны задерживать развитие возбудителей ряда кожных заболеваний человека;

1877 г. - опубликовано сообщеиие  о подавлении роста Bacillus аnthracis аэробными бактериями;

1929 г. - выделен пенициллин (А. Флеминг);

1942-1956 гг. - коллектив ученых  и практиков во главе с академиками  Л.А. 3ильбером и 3.В. Ермольевой  провели поиск и отбор штаммов продуктов; разработали ферментационные среды и первые регламенты промышленного производства бензилпенициллина и полусинтетических пенициллинов.

Со времени открытия пенициллина из разных микроорганизмов  были выделены более 6000 антибиотиков, обладающих разной специфичностью и разным механизмом действия. Их широкое применение для лечения инфекционных заболеваний помогло сохранить миллионы жизней.

Подавляющее большинство  основных антибиотиков было выделено из грамотрицательной почвенной бактерии Streptomyces, хотя и продуцируют также грибы и другие грамоположительные и грамотрицательные бактерии. Ежегодно во всем мире производится 100 тыс. т. антибиотиков на сумму около 5 млрд долларов, в т.ч. более 10 млн. долларов приходится на долю антибиотиков, добавляемых в корм скоту в качестве добавок или ускорителей роста.

По оценкам 803, каждый год ученые обнаруживают от 100 до 200 новых антибиотиков, прежде всего, в рамках обширных исследовательских программ по поиску среди тысяч различных микроорганизмов таких, которые синтезировали бы уникальные антибиотики. Получение, лабораторные и клинические испытания новых лекарственных средств обходятся дорого, а до применения доходят только те из них, которые имеют большую терапевтическую ценность и представляют экономический интерес; на их долю приходится -2% всех обнаруживаемых антибиотиков.

Образование антибиотиков - наследственно закреплённая особенность метаболизма микроорганизмов, проявляющаяся в том, что каждый вид (или даже штамм) способен продуцировать один или несколько определенных, строго специфичных для него антибиотических веществ, что обусловлено определённым характером обмена веществ, возникающим и закреплённым в процессе эволюции микроорганизма. Метаболиты являются промежуточными продуктами обмена веществ, результатом катаболических и анаболических реакций; конечный продукт обмена - антибиотики - синтезируются из первичных метаболитов.

Продуценты  антибиотиков

Способностью вырабатывать антибиотики обладают не все микроорганизмы, а лишь некоторые штаммы отдельных  видов. Так, пенициллин образуют некоторые  штаммы Penicillium notatum и P. chrysogenum, а стрептомицин – определенный штамм Streptomyces griseus, тогда как другие штаммы тех же видов либо вообще не вырабатывают антибиотики, либо вырабатывают, но другие. Существуют также различия между штаммами-продуцентами антибиотиков, причем эти различия могут быть количественными или качественными. Один штамм, например, дает максимальный выход данного антибиотика, когда культура растет на поверхности среды и находится в стационарных условиях, а другой – лишь когда его культура погружена в среду и постоянно встряхивается. Некоторые микроорганизмы выделяют не один, а несколько антибиотиков. Так, Pseudomonas aeruginosa образует пиоцианазу, пиоцианин, пиолипоевую кислоту и другие пио-соединения; Bacillus brevis производит грамицидин и тироцидин (смесь, известную под названием тиротрицин); P. notatum – пенициллин и пенатин; Aspergillus flavus – пенициллин и аспергилловую кислоту; Aspergillus fumigatus – фумигатин, спинулозин, фумигацин (гельволевую кислоту) и глиотоксин; Streptomyces griseus – стрептомицин, маннозидострептомицин, циклогексимид и стрептоцин; Streptomyces rimosus – окситетрациклин и римоцидин; Streptomyces aureofaciens – хлортетрациклин и тетрациклин. Один и тот же антибиотик может продуцироваться микроорганизмами разного рода. Так, глиотоксин образуют виды Gliocladium и Trichoderma, а также Aspergillus fumigatus и др. Разные микрорганизмы или их штаммы могут вырабатывать разные химические формы одного и того же антибиотика, например разные пенициллины или различные формы стрептомицина.

В последние годы выделено и описано огромное число антибиотиков, продуцируемых различными организмами. Способностью вырабатывать антибиотики обладают как спорообразующие, так и не образующие спор бактерии, а кроме того, более половины изученных на этот предмет родов грибов.

Неспорообразующие бактерии.

Из группы бактерий, ранее называемых Bacillus pyocyaneus, а позднее известных  как Pseudomonas aeruginosa, выделены пиоцианин  и пиоцианаза. Другие не образующие спор бактерии тоже вырабатывают антибиотики, сильно различающиеся по химической структуре и антибактериальным свойствам. Примером могут служить колицины, производимые различными штаммами кишечной палочки (Escherichia coli).

Спорообразующие бактерии.

Многие виды спорообразующих бактерий вырабатывают различные антибиотики. Так, штаммы Bacillus subtilis производят бацитрацин, субтилин и др.; B. brevis – тиротрицин, B. polimixa (B. aerosporus) – полимиксин (аэроспорин). Из B. mycoides, B. mesentericus и B. simplex выделены разнообразные, еще недостаточно изученные соединения: бациллин, колистатин и др. Многие из них препятствуют росту грибков.

Актиномицеты.

Кроме пенициллина, наиболее важные антибиотики, используемые в качестве химиотерапевтических средств, были получены из актиномицетов (грибковоподобных бактерий). К настоящему времени выделено или описано более 200 таких соединений. Некоторые из них широко применяются в лечении инфекционных заболеваний человека и животных. К таким антибиотикам относятся стрептомицин, тетрациклины, эритромицин, новобиоцин, неомицин и др. Одни из них обладают в основном антибактериальным действием, другие – антигрибковым, а третьи активны против некоторых крупных вирусов.

Грибки.

Грибками в медицине называют микроорганизмы, относящиеся к царству грибов. Это одни из наиболее важных производителей антибиотиков. Они вырабатывают цефалоспорин, гризеофульвин, микофеноловую кислоту, пенициллиновую кислоту, глиотоксин, клавацин, аспергилловую кислоту и многие другие соединения.

 

Прочие организмы.

Водоросли.

Многие водоросли способны вырабатывать вещества, обладающие антибиотическими свойствами, но пока ни одно из них не нашло клинического применения.

Лишайники.

К антибиотикам, вырабатываемым лишайниками, относятся лихенин  и усниновая кислота.

Высшие растения.

Высшие зеленые растения также образуют антибактериальные  вещества, сходные по своим свойствам  с истинными антибиотиками. К  ним относятся фитонциды –  аллицин, томатин и др.

Животные.

Среди продуктов животного  происхождения, обладающих антибактериальными свойствами, важное место занимает лизоцим. Многие простейшие, личинки насекомых и некоторые другие животные могут переваривать живые бактерии и грибки, однако пока не выяснено, в какой степени эта способность связана с выработкой веществ, обладающих антибиотическими свойствами.

 

Химическая природа антибиотиков

Разработано несколько  систем классификации антибиотиков, причем за основу брались разные критерии: происхождение, антимикробные свойства, токсичность по отношению к животным, растворимость или химическая природа. Наиболее логичным представляется последний подход к классификации. Антибиотики можно, например, разделить на липоиды, пигменты, полипептиды, серусодержащие соединения, хиноны, кетоны, лактоны, нуклеозиды и гликозиды.

 

Некоторые антибиотики  удалось синтезировать (пиоцианин, циклосерин и, что наиболее важно, пенициллин). Однако весь пенициллин G (бензилпенициллин), применявшийся в медицине до 1962, имел биологическое происхождение. Сочетание биологического и химического синтеза позволило создать большое семейство новых пенициллинов, многие из которых нашли применение в качестве лекарств.

 

Механизм действия

Антибиотики считаются  в основном бактериостатическими агентами, т.е. ингибиторами роста, хотя некоторые  из них обладают выраженным бактерицидным или даже бактериолитическим действием. Многие антибиотики, например актиномицин, высокотоксичны по отношению к тканям животного организма и применяются только в качестве противоопухолевых препаратов; другие, в частности пенициллины, совсем нетоксичны либо (как стрептомицин) обладают лишь слабой токсичностью. Антибиотики широкого спектра действия (например, тетрациклины) нарушают нормальную микробную флору кишечника и могут вызывать желудочно-кишечные расстройства или способствовать вторичным инфекциям. Некоторые нерастворимы в воде и потому применяются лишь для лечения поверхностных или местных инфекционных процессов. Одни (например, тиротрицин) обладают гемолитическим действием, т.е. разрушают эритроциты; другие (например, имипимен), напротив, инактивируются клетками организма. (Фермент, инактивирующий имипимен, в настоящее время известен; введение имипимена вместе с ингибитором этого фермента позволяет сохранить высокую активность антибиотика по всему спектру действия.) Поскольку антибиотикам присуща избирательная антибактериальная активность, ни один из них не может применяться как общее дезинфицирующее средство против любых бактерий. Пенициллин и эритромицин активны в основном против кокковых форм и различных грамположительных бактерий, а стрептомицин – против туберкулезной палочки. Пенициллин и стрептомицин относительно слабо действуют на грибковую флору и вирусы, хотя первый обладает некоторой активностью против крупных вирусов, например против вируса пситтакоза, а второй – против некоторых риккетсий и возбудителей тропической паховой гранулемы. Однако ряд антибиотиков, в первую очередь тетрациклины, действуют на многие грамположительные и грамотрицательные бактерии, а также на риккетсии и крупные вирусы. Некоторые антибиотики обладают высокой противогрибковой активностью, тогда как другие – противоопухолевым действием.

 

Механизмы действия.

Антибиотики отличаются друг от друга не только по химической структуре, но и по месту приложения действия на микробную клетку. Действие антибиотиков, применяемых в низких концентрациях, обычно направлено на специфические особенности жизнедеятельности патогенных микроорганизмов. Клеточные стенки бактерий и плесневых грибков сильно отличаются от клеточной оболочки животных клеток, и многие нетоксичные антибиотики блокируют образование именно клеточных стенок. Так действуют пенициллин, бацитрацин, циклосерин и цефалоспорины, применяемые в клинике при бактериальных инфекциях, а также гризеофульвин, который используется при кожных грибковых заболеваниях. Особо важную роль в жизнедеятельности бактериальной клетки играет ее плазматическая мембрана, расположенная под клеточной стенкой. Она регулирует прохождение в клетку питательных веществ и выход продуктов выделения, в ней протекают многие ферментативные процессы. Антибиотик полимиксин связывается с клеточной мембраной многих грамотрицательных бактерий и нарушает ее функцию. Тироцидин обладает химическими свойствами детергента и разрушает мембрану. На нее воздействует и стрептомицин: вновь синтезируемая мембрана оказывается дефектной, и клетка теряет жизненно важные для себя компоненты. Нистатин, связываясь с клеточными мембранами различных дрожжевых и плесневых грибков, приводит к потере их клетками необходимого элемента – калия. Во всех живых клетках происходит синтез белка. Хлорамфеникол специфически блокирует этот процесс у многих бактерий. Тетрациклины тоже блокируют белковый синтез, но не менее важной стороной их эффекта являются образование комплексов с металлами и влияние на связывание кальция, магния и марганца в клетке. На синтез белка воздействует также эритромицин. Изучение механизмов действия различных антибиотиков дало много полезных сведений о биохимических процессах, протекающих в клетках микроорганизмов. Даже те антибиотики, которые не применяются в лечебных целях, могут использоваться как важный инструмент биохимических исследований.