Биотехнология антибиотиков 1 Технологический процесс производства антибиотиков 2

Биотехнология антибиотиков 1. Технологический процесс производства антибиотиков. 2. Антибиотики, образуемые бактериями, организмами с прокариотным типом строения клетки 3. Пенициллины и цефалоспорины 4. Макролиды. Тетрациклины 5. Аминогликозиды

Общая биотехнология антибиотиков

Антибиотики – специфические продукты жизнедеятельности различных групп микроорганизмов, растений и животных, обладающие высокой физиологической активностью в отношении определенных групп микроорганизмов или злокачественных опухолей, избирательно задерживающие их рост или подавление развития.

История антибиотиков 1870 г. – обнаружено, что в среде, содержащей плесень, бактерии не развиваются (Д. Сандерсон); 1872 г. – доказана способность Penicillium glaucum подавлять рост бактерий (Д. Листер); 1871 -1872 гг. – показано, что молодая культура зеленой плесени − грибы рода Penicillium − способны задерживать развитие возбудителей ряда кожных заболеваний человека (В. А. Манассеин, А. Г. Полотебнов); 1877 г. – опубликовано сообщение о подавлении роста Bacillus anthracis аэробными бактериями (Л. Пастер и С. Джеберт, А. Г. Лебединский); 1929 г. − обнаружены антибиотические свойства грибов Penicillium (А. Флеминг); 1940 г. − выделена субстанция пенициллина (Х. Флори, Е. Чейн); 1942 г. , СССР первые образцы пенициллина получили микробиологи З. В. Ермольева и Т. И. Балезина

Формы взаимоотношений внутри микробиологических сообществ: трофические - продукты жизнедеятельности одного микроорганиизма, содержащие значительное количество энергии, потребляют другие виды микробов в качестве питательно материала; Ø метаболические – одни микроорганизмы могут потреблять отдельные продукты метаболизма других микроорганизмов, или продукты метаболизма являются их ингибиторами. Ø

Основные причины быстрого роста числа антибиотиков: многие антибиотические вещества являются незаменимыми при инфекционных заболеваниях, ранее считавшихся неизлечимыми; Ø изменилась этиологическая структура инфекционных заболеваний, возросло число видов бактерий, их индуцирующих; широкое распространение получили инфекции, вызываемые грамотрицательными инфекциями; Ø проблема резистентности микроорганизмов предполагает замену одних антибиотиков другими, более эффективными; Ø развитие химии природных соединений (изучение структуры, их модификация и синтез) способствует появлению новых знаний об антибиотиках; Ø

Образование антибиотиков – наследственно закрепленная особенность метаболизма микроорганизмов, проявляющаяся в том, что каждый вид или штамм способен продуцировать один или несколько строго специфичных для него антибиотических веществ, что обусловлено определенным характером обмена веществ, возникающим и закрепленным в процессе эволюции микроорганизма.

Специфичность антибиотиков характеризуется: Ø высокой биологической активностью в отношении чувствительных к ним микроорганизмов; Ø избирательностью действия.

Условия угнетение роста микроорганизмов антибиотиками: важная для жизнедеятельности бактерий система должна реагировать на воздействие низких концентрацией препарата через определенную точку приложения; 2. препараты должны обладать способностью проникать в бактериальную клетку и воздействовать на точку приложения; 3. препарат не должен инактивироваться раньше, чем вступит во взаимодействие с биологически активной системой бактерии. 1.

Классификация антибиотиков Ø по принципу биологического происхождения (предпочтительна для биологов, изучающих организмы-продуценты антибиотических веществ); Ø по химическому строению (удобна для химиков, занимающихся изучением строения молекул антибиотиков и путей из синтеза); Ø по типу и механизму биологического действия (принята в медицинской практике).

Схема производства антибиотиков в процессе микробного биосинтеза: I стадия биосинтеза Выделение штамма – продуцента антибиотика из природных условий Селекция наиболее активного штамма Получение наиболее активного штамма путем: Индуцированного мутагенеза Слияния протопластов Генно-инженерных манипуляций Высокопродуктивный и экономически выгодный штамм продуцента

Схема производства антибиотиков в процессе микробного биосинтеза: II стадия биосинтеза Продуцент Посевной материал Питательная среда Подготовка инокулята Смешанная культура Культивирование (процесс биосинтеза) Монокультура

Схема производства антибиотиков в процессе микробного биосинтеза: IIIстадия биосинтеза Разделение Культуральная жидкость Биомасса Выделение антибиотика Очистка

Схема производства антибиотиков в процессе микробного биосинтеза: IV стадия биосинтеза Концентрирование Стабилизация Обезвоживание Жидкий препарат Измельчение Сухой препарат Фасовка Хранение

Антибиотики, образуемые бактериями: Грамицидин С Bacillus brevis Полимиксины Bacillus polymyxa Бацитрацины Bacillus licheniformis и B. erevis Низин Streptococcus lactis

Антибиотики, образуемые актиномицетами: Стрептомицин Streptomyces griseus Неомицин Streptomyces fradiae Канамицин Streptomyces kanamyceticus Гентамицин Micromonospora purpurea Сизомицин Micromonospora inyoensis Тобрамицин Streptomyces tenebraris Окситетрациклин Streptomyces rimosus Хлорамфеникол Streptomyces venezuelae Эритромицин Saccharopolyspora erythraea Спирамицин Streptomyces ambofaciens Тилозин Streptomyces fradiae Нистатин Streptomyces noursei Леворин Streptomyces levoris

Антибиотики, образуемые грибами: Пенициллины Penicillium chrysogenum Цефалоспорин Cepholosporium acremonium Циклоспорин Trichoderma polysporum Гризеофульвин Penicillium griseofulvum Фузидин Fusidium coccineum

Penicillium chrysogenum

Особенность производства антибиотиков − двухфазный характер развития продуцентов. В первой фазе развития культуры, носящей название тропофазы (фаза сбалансированного роста микроорганизма), идет интенсивное накопление биомассы продуцента. . В тропофазе антибиотик, как правило, не образуется или его количество незначительное. Ø Во второй фазе – идиофазе (фаза несбалансированного роста микроорганизма), накопление биомассы замедлено. Культуральная среда уже обеднена компонентами, необходимыми для развития продуцента и обогащена продуктами его жизнедеятельности. Ø

Ø Из культуральной среды антибиотики выделяют экстракцией органическими растворителями, осаждением, адсорбцией. Ø Очистку антибиотиков проводят повторной заменой растворителя, адсорбционно-хроматографическими методами, ВЭЖХ.

Стандартизация антибиотиков: Ø антимикробный спектр; Ø стерильность; Ø токсичность; Ø пирогенность; Ø действие на лейкоциты крови.

Частная технология антибиотиков

Пенициллины и цефалоспорины − группа лекарственных препаратов, имеющих определенное сродство химического строения, механизмов действия, фармакологических, клинических эффектов. Эти препараты называют β-лактамными антибиотиками, что обусловлено наличием в их структуре общего для всей группы четырехчленного лактамного кольца.

Структура β-лактамных антибиотиков: пенициллинов и цефалоспоринов

Ø Ø обладающие наивысшей активностью в отношении грамположительных микроорганизмов и слабой в отношении грамотрицательных видов, а также гидролизуемые β-лактамазам (пенициллин G); резистентные к действию β-лактамаз стафилококков, но с более низкой активнолстью в отношении грамположительных микроорганизмов и не действующие на грамотрицательные (нафициллин, метациллин); высокоактивные против грамположительных и грамотрицательныхмикроорганизмов, но разрушаемых β-лактамазами (карбенициллин, тикарциллин); препараты с относительной кислотоустойчивостью и пригодные для перорального применения (пенициллин V, ампициллин, клоксациллин)

Биотехнология пенициллина Ø Среда содержит: кукурузный экстракт, лактозу, глюкозу. Ø Биореакторы свыше 10 000 л, снабженные мешалками, аэрацией и термостатированием. Ø Стерильную и охлажденную среду засевают проросшими спорами гриба Penicillium chrysogenum. Ø Температура 24— 25°С (тропофаза), 18 -20 (идиофаза). Ø Мицелий гриба отделяется вакуумной фильтрацией или центрифугированием. Ø Концентрирования пенициллина продят экстракцией органическими растворителями и адсорбцией на активированном угле, возможно также применение упаривания и осаждения.

Ø Для промышленного производства антибиотика используют культуру Penicillium chrysogenum Ø Синтез того или иного пенициллина зависит от наличия специфичного вещества в среде, иначе говоря, предшественника, который микроорганизм включает в молекулу антибиотика без предварительного расщепления • • • фенилуксусная кислота фенилацетамид феноксиуксусная кислота

Ø В настоящее время большое практическое значение имеет полусинтетический (биологический + химический) способ получения аналогов природного пенициллина. Ø Исходным продуктом служит 6 -аминопенициллановая кислота (6 -АПК).

6 -АПК получают: Ø в результате биосинтеза при развитии P. chrysogenum при отсутствии предшественника в среде Ø путём ферментативного дезацилирования бензилпенициллина или феноксиметилпенициллина при участии фермента пенициллинацилазы (пенициллинамидазы). этот способ наиболее перспективен. Используется иммобилизованная пенициллинацилаза, которая гидролизует бензилпенициллин с образованием 6 АПК и фенилуксусной кислоты.

Ø Сама по себе 6 -АПК не активна. Её подвергают химическому ацилированию и получают аналоги пенициллина с улучшенными или новыми свойствами; Ø некоторые из них: оксациллин, ампициллин, метициллин, амоксициллин и другие.

Ø В настоящее время бензилпенициллин необходим не только как медицинский препарат, но и как вещество, являющееся исходным продуктом для получения 6 АПК и в дальнейшем полусинтетических пенициллинов. Ø Из общего количества природных пенициллинов, примерно 35 % используется как медицинские препараты, а 65 % - для получения 6 -АПК.

Недостатки пенициллина G (бензилпенициллина): Ø разрушение β-лактамазой (пенициллиназой); Ø низкая активность в отношении большинства грамотрицательных бактерий;

Заместители для различных пенициллинов

Производные пенициллина инактивируемые β-лактамазой: Ø ампициллин Ø амоксициллин Ø карбенициллин Ø тикарциллин Ø пиперациллин Ø мезлоциллин Ø азлоциллин

Производные пенициллина устойчивые к β-лактамазе: Ø оксациллин Ø клоксациллин Ø диклоксациллин Ø нафциллин

Положительные свойства комплекса липосома-антибиотик: снижение токсичности за счет направленного транспорта; Ø повышение проникновение антибиотика через внешнюю мембрану грамотрицательных бактерий; Ø пролонгирование действия антибиотика; Ø снижение возможности возникновения резистентных форм микроорганизмов от действия β-лактамаз; Ø повышение стабильности антибиотика. Ø

Строение цефалоспоринов первого поколения

Строение цефалоспоринов второго поколения

Строение цефалоспоринов третьего поколения

Строение цефалоспоринов четвертого поколения

Механизм антимикробного действия β-лактамных препаратов: Ø нарушение образования клеточной стенки микроорганизмов; Ø нарушение синтеза адгезинов – белков покрывающих микроб как волоски, обеспечивающих его связывание с клетками макроорганизма.

Структура β-лактамных антибиотиков - монобактамов

Структура β-лактамных антибиотиков - карбапенемов

Карбапенемы Ø первое поколение: имипенем, тиенам, примаксин; Ø второе поколение: меропенем.

Антибиотики, образуемые организмами с прокариотным строением клетки Ø Тиротрицин Ø Бацитрацин, грамицидин Ø Полиены, полимиксины, амфотерицин В и другие препараты.

Аминогликозиды Структура стрептомицина

Аминогликозиды

Классификация аминогликозидов: Ø I поколение: стрептомицин, неомицин, канамицин, мономицин; Ø II поколение: гентамицин; Ø III поколение: тобрамицин, сизомицин, амикацин, нетилмицин; Ø IV поколение: изепамицин.

Структура тетрациклинов

Структура антрациклинов:

Антрациклины Ø даунорубицин; Ø доксорубицин; Ø пликамицин (митрамицин); Ø митомицин; Ø блеомицин.

Полиены: Ø нистатин Ø микогептин Ø леворин Ø натамицин Амфотерицин В Гризеофульвин