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
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 к
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
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 от
Полусинтетические антибиотики.
Их готовят комбинированным способом: методом биологического синтеза получают основное ядро молекулы нативного антибиотика, а методом химического синтеза, путем частичного изменения химической структуры - полусинтетические препараты.
Большим достижением является разработка метода получения полусинтетических пенициллинов. Методом биологического синтеза было извлечено ядро молекулы пенициллина - 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК), которая обладала слабой антимикробной активностью. Путем присоединения к молекуле 6-АПК бензильной группы создан бензилпенициллин, который теперь получают и методом биологического синтеза. Широко применяемый в медицине под названием пенициллин, бензилпеиициллин обладает сильной химиотерапевтической активностью, но активен лишь в отношении грамположительиых микробов и не действует на устойчивые микроорганизмы, особенно стафилококки, образующие фермент -лактамазу. Бензилпенициллин быстро теряет свою активность в кислой и щелочной средах, поэтому его нельзя применять внутрь, так как он разрушается в желудочно-кишечном тракте.
Полусинтетические препараты по
Биологический синтез.
Полностью химическая структура установлена одной трети известных антибиотиков и только половина из них может быть получена химическим синтезом. Поэтому микробиологический синтез получения антибиотических средств очень актуален.
Синтез микроорганизмами антибиотиков - одна из форм проявления антагонизма; связан с определенным характером обмена веществ, возникшим и закрепленным ходе его эволюции, то есть это наследственная особенность, выражающаяся в образовании одного и более определенных, строго специфичных для каждого вида антибиотических веществ.
Промышленное получение антибиотиков, как правило, осуществляется путем биосинтеза и включает следующие стадии:
- выбор высокопроизводительных штаммов продуцента (до 45 тыс. ЕД/мл)
- выбор питательной среды;
- процесс биосинтеза;
- выделение антибиотика из культуральной жидкости;
- очистка антибиотика.
Выбор высокопроизводительных штаммов продуцента. Природные штаммы в большинстве своем малоактивны и не могут использоваться для промышленных целей. Поэтому после отбора наиболее активного природного штамма для повышения его продуктивности применяют различные мутагены, вызывающие стойкие наследственные изменения. Эффективными мутагенами являются мутагены физической природы - ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, быстрые нейтроны или химические вещества. Использование мутагенов позволяет не только повысить продуктивность природного штамма, но и получать штаммы с новыми неизвестными для природного микроорганизма свойствами.
Большое значение для биосинтеза антибиотика имеет подбор рационального состава питательных сред. Понятие «среда для культивирования» включает не только определенный качественный и количественный состав компонентов или отдельных элементов, необходимых для конструктивного и энергетического обмена организма (источники азота, углерода, фосфора, источники ряда микроэлементов, витамины и ростовые вещества), но также и физико-химические и физические факторы (активная кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, температура, аэрация и др.). Все эти факторы взаимосвязаны и играют существенную роль при развитии микроорганизмов.
Подбирая среды нужного состава, следует
учитывать специфику культивируемого
организма. Это необходимо для создания
оптимальных условий, которые бы способствовали
наилучшему росту микроба и биосинтезу
необходимых продуктов жизнедеятельности.
Например, если организм не может синтезировать
некоторые существенные для него жизнедеятельности
соединения (как например, аминокислоты или вит
Методы культивирования продуцентов антибиотиков
В современных условиях наиболее перспективным методом выращивания микроорганизмов - продуцентов антибиотиков или других биологически активных соединений признан метод глубинного культивирования. Метод состоит в том, что микроорганизм развивается в толще жидкой питательной среды, через которую непрерывно пропускается стерильный воздух, и среда перемешивается.
Можно указать четыре основные модификации глубинного способа выращивания микроорганизмов.
- Периодическое культивирование. При этом способе весь процесс развития микроорганизмов полностью завершается в одном ферментере, после чего ферментер освобождается от культуральной жидкости, тщательно промывается, стерилизуется и вновь заполняется свежей питательной средой. Среда засевается изучаемым микроорганизмом, и процесс возобновляется.2. Отъемный метод. Культивирование микроорганизмов осуществляется в ферментерах с периодическим отбором части объема культуральной жидкости (от 30 до 60% общего объема). Объем культуральной жидкости в ферментере при этом доводится свежей питательной средой до исходного уровня.
- Батарейный способ. Развитие микроорганизмов проходит в ряду последовательно соединенных ферментеров. Культуральная жидкость на определенной стадии развития микроорганизма перекачивается из первого ферментера во второй, затем из второго - в третий и т. д. Освобожденный ферментер немедленно заполняется свежей питательной средой, засеянной микроорганизмом. При этом способе выращивания микроорганизмов происходит более рациональное использование емкостей.
- Непрерывное культивирование. Метод принципиально отличен от указанных модификаций глубинного культивирования продуцентов антибиотиков. В основе этого метода лежит то, что развитие микроорганизма происходит в условиях непрерывного протока питательной среды, что позволяет поддерживать развитие микроорганизма на определенной стадии его роста. Стадия развития микроорганизма определяется исходя из наиболее выгодного для максимального биосинтеза антибиотика или другого биологически активного соединения.
Еще один метод культивирования микроорганизмов
- поверхностное культивирование.
Метод поверхностного культивирования
на различных агаризованных средах широко
применяется в лабораторной практике
и в некоторых промышленных процесс
Методы выделения антибиотиков из культуральной жидкости весьма разнообразны и определяются химической природой антибиотика. В основном используют следующие методы:
1. Высев почвенной взвеси в воде на поверхность агаровой пластинки.
Определенная навеска почвы, тщательно растертая в ступке с небольшим объемом воды, количественно переносится в колбу со стерильной водой. Содержимое колбы встряхивается в течение 5 мни, а затем из водной суспензии делается ряд последовательных разведений, которые высеваются на соответствующую авизированную среду.
Для получения в дальнейшем чистых культур отдельные колонии после инкубация в термостате при нужной температуре пересеваются в пробирки со скошенным питательным агаром. Каждая чистая культура микроорганизма пересевается на различные по составу среды и после достаточно хорошего развития проверяются ее антибиотические свойства.
2. Высев почвы на питательный агар, предварительно засеянный тест-организмом.
Поверхность питательного агара засевается тест - культурой необходимого организма, после чего на агаровую пластинку раскладывают небольшие, не более просяного зерна, комочки почвы или же почву наносят в виде пыли, распределяя ее по всей поверхности пластинки. Затем чашки помещают в термостат и через определенный промежуток времени (24-48 ч, а иногда и более) просматривают кусочки почвы или отдельные ее участки, вокруг которых образовались зоны задержки роста тест-организма. Из этих участков выделяют чистые культуры организмов и подвергают их дальнейшему изучению.
3. Метод обогащения почвы
Почву, из которой предполагают выделить антагонистов, обогащают организмами тех видов, по отношению к которым хотят получить антагонист. С этой целью к образцам почвы, помешенным в стеклянные сосуды, систематически добавляют отмытую суспензию нужных микроорганизмов.
Затем через определенные промежутки времени такая почва высевается в виде отдельных комочков на агаровые пластинки в чашках Петри, предварительно засеянные тем же самым организмом, который использовался для обогащения почвы.
4. Метод центрифугирования
Для выделения актиномицетов из почв и особенно из почв в весеннее время, когда в ней развивается большое число грибов и бактерий, применяетсяметод центрифугирования почвенной взвеси. Метод основан на различии скорости оседания отдельных видов микроорганизмов в центробежном поле. При 3000 об/мин в течение 20 мин частицы, соответствующие по размерам спорам плесеней или клеткам бактерий осаждаются на дно пробирки. Частицы же, соответствующие по размерам спорам актиномицетов, оказываются при данной скорости центрифугирования в поверхностном слое жидкости. Высевая надосадочную жидкость, удается в большинстве случаев (до 92%) получить на пластинках питательного агара только колонии актиномицетов.
5. Метод замораживания - оттаивания почвы
Известно, что микроорганизмы в почве находятся в адсорбированном на почвенных частицах состоянии. Для полноты десорбции микроорганизмов с почвенных частиц применяются различные методы: химические, при которых почвенные образцы обрабатывают различными детергентами, физические, в основе которых лежит метод механического растирания образцов почвы.
Для лучшей десорбции микроорганизмов с почвенных частиц рекомендуется использовать метод замораживания – оттаивания почвы. Суть метода состоит в следующем. Отобранный для выделения актиномицетов образец почвы помещается в испаритель бытового холодильника при температуре 8°. Через час образец извлекается из холодильника и выдерживается при комнатной температуре до полного оттаивания. Процедуру замораживания-оттаивания повторяют дважды. Затем навеску почвы помещают в стерильную водопроводную воду, взбалтывают суспензию в течение 15 мин на круговой качалке при 230 об/мин, после чего различные разведения суспензии высевают на питательную агаровую пластинку в чашках Петри.
Метод замораживания - оттаивания образцов почвы позволяет обнаружить в них в 1,2-3,6 раза больше актиномицетов, чем в тех же образцах без замораживания. Это, по-видимому, связано с повышением десорбции актиномицетов с поверхности почвенных частиц. Очистка антибиотика производится хроматографическими методами (хроматография на оксиде алюминия, целлюлозе, ионитах) или противоточной экстракцией. Очищенные антибиотики подвергают лиофильной сушке. После выделения антибиотика проводят испытания его чистоты. Для этого определяют его элементный состав, физико-химические константы (температуру плавления, молекулярную массу, адсорбцию в видимой, УФ- и ИК-областях спектра, удельное вращение). Исследуют также антибактериальную активность, стерильность и токсичность антибиотика.
Токсичность антибиотиков определяют на экспериментальных животных, которым в течение определенного периода внутривенно, внутрибрюшинно, внутримышечно или иным путем вводят различные дозы изучаемого антибиотика. При отсутствии внешних изменений в поведении животных в течение 12-15 сут считают, что испытуемый антибиотик не обладает заметными токсическими свойствами. При более глубоком исследовании выясняют, обладает ли данный антибиотик скрытой токсичностью и влияет ли на отдельные ткани и органы животных.
Одновременно исследуют характер биологического действия антибиотика - бактериостатический или бактерицидный, что позволяет прогнозировать механизмы его антибактериальных свойств.
Следующий этап изучения антибиотика - оценка его терапевтических свойств. Экспериментальных животных заражают определенным видом патогенного микроба. Минимальное количество антибиотика, предохраняющее животного от смертельной дозы инфекции, является минимальной терапевтической дозой. Чем больше отношение токсичной дозы антибиотика к терапевтической, тем выше терапевтический индекс. Если терапевтическая доза равна токсической или приближается к ней (низкий терапевтический индекс), то вероятность применения антибиотика в лечебной практике ограничена или совсем невозможна.
В том случае, когда антибиотик
входит в широкую медицинскую практику,
разрабатывают промышленные мет
Стандартизация антибиотиков.
За единицу антибиотической активности принимают минимальное количество антибиотика, способное подавить развитие или задержать рост стандартного штамма тест-микроба в определенном объеме питательной среды. Величину биологической активности антибиотиков выражают обычно в условных единицах дозы (ЕД), содержащихся в 1 мл раствора (ЕД/мл) или в 1 мг препарата (ЕД/мг). Например, за единицу антибиотической активности пенициллина принято считать минимальное количество препарата, способное задерживать рост золотистого стафилоккока стандартного штамма 209 в 50 мл питательного бульона. Для стрептомицина за единицу активности принято считать минимальное количество антибиотика, задерживающее рост Е. coli в 1 мл питательного бульона.
После того как многие антибиотики были получены в чистом виде, для некоторых из них стали выражать биологическую активность в массовых единицах. Например, установлено, что 1 мг чистого основания стрептомицина эквивалентен 1000 ЕД. Следовательно, 1 ЕД активности стрептомицина эквивалентна 1 мкг чистого основания этого антибиотика. Поэтому в настоящее время в большинстве случаев количество стрептомицина выражают в мкг/мг или мкг/мл. Чем ближе число мкг/мг в препаратах стрептомицина к 1000, тем, следовательно, чище препарат. Понятно, что единица биологической активности антибиотика не всегда совпадает с 1 мкг. Например, для бензилпенициллина 1 ЕД эквивалентна примерно 0,6 мкг, так как 1 мг антибиотика содержит 1667 ЕД.

- Биотехнология антибиотиков
- Биотехнология анықтамасы
- Биотехнология вакцин и сывороток
- Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества
- Биотехнология в медицине
- Биотехнология в медицине
- Биотехнология в пищевой промышленности
- Биотехнология
- Биотехнология
- Биотехнология
- Биотехнология
- Биотехнология
- Биотехнология
- Биотехнология антибиотиков