Биотехнология антибиотиков

Введение. 

 

 Антибиотики - вещества природного или полусинтетического происхождения (обычно производятся различными грибками), оказывающие сильное подавляющее действие на рост и размножение бактерий и при этом относительно мало повреждающие или вовсе не повреждающие клетки микроорганизма.

   Антибиотики в отличие от антисептиков обладают антибактериальной активностью не только при наружном применении, но и в биологических средах организма при их системном применении.

   Антибиотики используются для предотвращения и лечения воспа-лительных процессов, вызванных бактериальной микрофлорой. По влиянию на бактериальные организмы различают бактерицидные (убивающие бактерий, например, за счёт разрушения их внешней мембраны) и бактериостатические (угнетающие размножение микроорганизма) антибиотики.

   Антибиотики природного происхождения чаще всего продуцируются актиномицетами, реже - немицелиальными бактериями. Некоторые антибиотики оказывают сильное подавляющее действие на рост и размножение бактерий и при этом относительно мало повреждают или вовсе не повреждают клетки макроорганизма, и поэтому применяются в качестве лекарственных средств. Некоторые антибиотики используются в качестве цитостатических (противоопухолевых) препаратов при лечении онкологических заболеваний. Антибиотики не воздействуют на вирусы, и поэтому бесполезны при лечении заболеваний, вызываемых вирусами (например, грипп, гепатиты А, В, С, ветряная оспа, герпес, краснуха, корь).

Полностью синтетические препараты, не имеющие природных аналогов и оказывающие сходное с антибиотиками подавляющее влияние на рост бактерий, традиционно было принято называть не антибиотиками, а антибактериальными химиопрепаратами. В частности, когда из анти-бактериальных химиопрепаратов известны были только сульфаниламиды, принято было говорить обо всём классе антибактериальных препаратов как об «антибиотиках и сульфаниламидах». Однако в последние десятилетия в связи с изобретением многих весьма сильных антибактериальных химиопрепаратов, в частности фторхинолонов, приближающихся или превышающих по активности «традиционные» антибиотики, понятие «антибиотик» стало размываться и расширяться и теперь часто употребляется не только по отношению к природным и полусинтетическим соединениям, но и к многим сильным антибактериальным химиопрепаратам.

   Изобретение антибиотиков можно назвать революцией в медицине. Множество болезней, веками мучавших человечество и несших смерть, стали банальными, как обычная простуда. Разработка и производство антибиотиков активно началась в конце XIX века. Первым антибиотиком, выпущенным в промышленное производство, стал сальварсан (1910 год).

   В начале 30-х годов двадцатого столетия в обиход хирургических отделений широко вошли сульфаниламидные препараты (сульфидин, стрептоцид и др.). Эти вещества задерживают развитие и размножение микроорганизмов (бактериостатическое действие), в результате чего организм получает возможность легче с ними справиться. Однако сульфаниламиды полностью не оправдали возложенных на них надежд, главным образом при лечении ран. После припудривания раны порошком сульфаниламидов в течение гнойного процесса наступало значительное улучшение, но в ряде случаев заживление ран или не наступало, или крайне затягивалось. Таким образом, эти препараты, действуя на бактерии, действовали и на ткани в сторону снижения процессов заживления (регенерации). Это обстоятельство резко снижало достоинства сульфаниламидов, и поиски новых антисептических веществ настойчиво продолжались. Вскоре пришел большой успех в виде открытия антибиотиков - пенициллинов.

   В 1928 году Александр Флеминг проводил рядовой эксперимент в ходе многолетнего исследования, посвященного изучению борьбы человеческого организма с бактериальными инфекциями. Вырастив колонии культуры Staphylococcus, он обнаружил, что некоторые из чашек для культивирования заражены обыкновенной плесенью Penicillium - веществом, из-за которого хлеб при долгом лежании становится зеленым. Вокруг каждого пятна плесени Флеминг заметил область, в которой бактерий не было. Из этого он сделал вывод, что плесень вырабатывает вещество, убивающее бактерии. Впоследствии он выделил молекулу, ныне известную как «пенициллин». Это и был первый современный антибиотик.

   Принцип работы антибиотика состоит в торможении или подавлении химической реакции, необходимой для существования бактерии. Пенициллин блокирует молекулы, участвующие в строительстве новых клеточных оболочек бактерий - похоже на то, как наклеенная на ключ жевательная резинка не дает открыть замок. (Пенициллин не оказывает влияния на человека или животных, потому что наружные оболочки наших клеток коренным образом отличаются от клеток бактерий.)

  В течение 1930-х годов предпринимались безуспешные попытки улучшить качество пенициллина и других антибиотиков, научившись получать их в достаточно чистом виде. Первые антибиотики напоминали большинство современных противораковых препаратов - было неясно, убьет ли лекарство возбудителя болезни до того, как оно убьет пациента. И только в 1938 году двум ученым Оксфордского университета Говарду Флори и Эрнсту Чейну удалось выделить чистую форму пенициллина. В связи с большими потребностями в медикаментах во время второй мировой войны массовое производство этого лекарства началось уже в 1943 году. В 1945 году Флемингу, Флори и Чейну за их работу была присуждена Нобелевская премия.

  

 

 Характеристика антибиотиков

 
   Термин «антибиотик» был впервые предложен С.А. Ваксманом (США). Под этим термином он подразумевал вещества, образуемые микро-организмами и обладающие антимикробным действием (от лат. «анти»- противо и «биос» - жизнь), то есть действующие против основных жизненных свойств микробов. В дальнейшем вещества, обладающие антибиотическими свойствами, были обнаружены в растениях - фитонциды (В.П. Токин), крови человека и животных - эритрин (Л.А. Зильбер в Л.М. Якобсон) и других природных источниках. В связи с этим понятие «антибиотик» расширилось, и в настоящее время под антибиотиками следует понимать специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, актиномицетам, грибам, водорослям, протозоа) или к злокачественным опухолям, избирательно задерживая их рост или полностью подавляя развитие.

   Начало развития науки об антибиотиках относится к 40-м годам нашего столетия, когда было открыто сильное химиотерапевтическое средство против бактериальных инфекций - пенициллин. В результате большой работы советских ученых и медицинской промышленности СССР в сравнительно короткое время было организовано производство всех важнейших антибиотиков, имеющих значение для медицинской практики.

Работа по изысканию антибиотиков требует тесного сотрудничества микробиологов (изыскание продуцентов новых антибиотиков), химиков (выделение активно действующих веществ из культуральной жидкости продуцентов), химиотерапевтов, фармакологов, гистологов, испытывающих лечебное действие новых антибиотиков в опытах на животных.

В этом комплексе необходимо также участие инженеров и технологов, располагающих специальным оборудованием, необходимым для получения образцов новых антибиотиков в количествах, требуемых для дальнейшего изучения.

    Для успешной работы в этом направлении в нашей стране были созданы специализированные научные институты: НИИ по изысканию новых антибиотиков АМН СССР, Ленинградский НИИ антибиотиков; Всесоюзный НИИ антибиотиков Министерства медицинской промышленности СССР.

Развитие отечественной науки об антибиотиках (изыскание, установление строения, разработка производственных методов получения) связано с именами крупнейших советских ученых: 3.В. Ермольевой, М.М. Шемякина, Г.Ф. Гаузе, М.Т. Бражниковой, А.С. Хохлова, С.М. Навашина и других.

Известно уже около 3000 антибиотических веществ, из которых химио-терапевтическим действием обладает около 300. По своей химической природе антибиотики представляют органические соединения, относящиеся к самым различным классам соединений.

   

   Антибиотики, в отличие от других продуктов жизнедеятельности, имеют два характерных свойства:

- проявляют высокую биологическую активность по отношению к чувствительным к ним организмам. Даже в очень небольших концентрациях они проявляют высокое физиологическое действие, например пенициллин оказывает бактерицидное действие в отношении чувствительных к нему бактерий в концентрации 0,000001 г/мл;

- обладают избирательностью действия. Каждый антибиотик проявляет свое действие лишь по отношению к отдельным», вполне определенным организмам или к группам организмов, не проявляя при этом заметного действия на другие формы микроорганизмов. Например, пенициллин задерживает развитие лишь некоторых грамположительных бактерий (кокков, стрептококков и др.) и не оказывает действия на грамотрицательные бактерии, грибы или другие группы микроорганизмов. Таким образом, каждый антибиотик характеризуется своим специфическим, антимикробным спектром действия.

 
 Производство  антибиотиков

 
   Производственное получение антибиотиков, как правило, осуществляется путем биосинтеза и имеет много общих стадий, основными из которых являются: подбор высокопроизводительных штаммов и питательных сред; процесс биосинтеза; выделение антибиотика из культуральной жидкости и его очистка.

   Интенсивность биосинтеза того или другого антибиотика зависит в первую очередь от свойств штамма продуцента. Природные штаммы в большинстве своем малоактивны и не могут использоваться для промышленных целей. Поэтому после отбора наиболее активного природного штамма продуцента антибиотика для повышения его продуктивности применяют различные приемы и методы, основанные на законах генетики.

   Большое значение для биосинтеза антибиотика имеет подбор рациональ-ного состава питательных сред, которые определяются в соответствии со штаммом продуцента. У каждого штамма потребность в источниках питания неодинакова, поэтому состав питательных сред не может быть постоянным для всех продуцентов.

   В настоящее время для промышленного получения всех антибиотиков применяют исключительно «глубинный» метод. Эта значит, что мицелий растет во всей массе среды, а не только на ее поверхности, что достигается путем непрерывного энергичного перемешивания и аэрации (продувания воздухом) всей массы среды. Применяемый для аэрации воздух должен быть стерильным и раздробленным на очень мелкие пузырьки, чтобы кислород мог хорошо растворяться в среде и усваиваться микроорганизмами.

Методы выделения и очистки антибиотиков весьма разнообразны и определяются химической природой антибиотика.

 

  Основные классификации антибиотиков

 
   В основу классификации антибиотиков положено несколько разных принципов.

По способу получения их делят:

• на природные;
• синтетические;
• полусинтетические (на начальном этапе получают естественным путем, затем синтез ведут искусственно).

Продуценты антибиотиков:

- по преимуществу актиномицеты и плесневые грибы;

- бактерии (полимиксины);

- высшие растения (фитонциды);

- ткани животных и рыб (эритрин, эктерицид).

 

По направленности действия:

- антибактериальные;

- противогрибковые;

- противоопухолевые.

По спектру действия - числу видов микроорганизмов, на которые действуют антибиотики:

- препараты широкого спектра действия (цефалоспорины 3-го поколения, макролиды);

- препараты узкого спектра действия (циклосерин, линкомицин, бензилпенициллин, клиндамицин). В некоторых случаях могут быть предпочтительнее, так как не подавляют нормальную микрофлору.

 
 Классификация по химическому строению

 
По химическому строению антибиотики делятся на:

• бета-лактамные антибиотики;
• аминогликозиды;
• тетрациклины;
• макролиды;
• линкозамиды;
• гликопептиды;
• полипептиды;
• полиены;
• антрациклиновые антибиотики.

 

 

 

 

 

 Классификация  антибиотиков по механизму антимикробного действия

 
По механизму антимикробного действия антибиотики можно разделить на следующие группы:

- ингибиторы синтеза клеточной стенки (муреина);

- вызывающие повреждение цитоплазматической мембраны;

- подавляющие белковый синтез;

- ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот.

 

Способы получения антибиотиков.

   

 В настоящее время различают три способа получения антибиотиков: биологический, метод получения полусиитетических препаратов и синтез химических соединений - аналогов природных антибиотиков

 

Синтетические антибиотики.

    Изучение химической  структуры антибиотиков дало возможность получать их методом химического синтеза. Одним из первых антибиотиков, полученных таким методом, был левомицетин. Большие успехи в развитии, химии привели к созданию антибиотиков с направленно измененными свойствами, обладающих пролонгированным действием, активных в отношении устойчивых к пенициллину стафилококков. К пролонгированным препаратам относятся экмоновоциллин, бициллин 1,3,5.