Биотехнологической синтез антибиотиков

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА  И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РФ

ФГОУ ВПО «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ БИОТЕХНОЛОГИИ И ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

КАФЕДРА ХИМИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад на тему:

 

«БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АНТИБИОТИКОВ»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент  курса

направления  «Биотехнология»

группа Био-311

Гришина К.В.

Проверила: доцент х.н. Хилкова Н.Л.

 

 

 

 

 

Орел 2013г

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО АНТИБИОТИКОВ 3

НАПРАВЛЕННЫЙ БИОСИНТЕЗ АНТИБИОТИКОВ 5

МУТАСИНТЕЗ 8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 9

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 10

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Биотехнология - это производственное использование  биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов  и осуществления процессов различного назначения. Биологические агенты в  данном случае - микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты, а также биологические макромолекулы (белки, чаще всего ферменты). В целом, биотехнология представляет собой  систему приемов, позволяющих получать промышленным способом ценные продукты за счет использования процессов  жизнедеятельности живых организмов.

В медицине биотехнологические приемы и  методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ  и лекарственных препаратов, предназначенных  для ранней диагностики и лечения  различных заболеваний. Антибиотики  — самый большой класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического  синтеза. Созданы генно-инженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового  гормона, инсулина и интерферона  человека, различных ферментов и  противовирусных вакцин.

 

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ  ПРОИЗВОДСТВО АНТИБИОТИКОВ

 

Антибиотики - самый большой класс фармацевтических препаратов, которые синтезируются  микроорганизмами. Некоторые из антибиотиков используют в сельском хозяйстве  против различных сельскохозяйственных вредителей (например, полиоксин, баридакицин, косгалицин), другие - в медицинских целях (пенициллины, тетрациклины, цефалоспорин С и др.).

Шесть родов феламентозных грибов производят около 1000 различных антибиотиков. Много антибиотиков синтезируют актиномицеты (один только вид Streptomyces griscus производит более 50 антибиотиков). В практике реально используют небольшое число из известных пауке антибиотиков, производимых микроорганизмами. Это в первую очередь пенициллины и цефалоспорины, продуцируемые грибами родов Penicillum; стрептомицин, гентамицин, канамицин, эритромицин и тетрациклины, синтезируемые актиномицетами рода Streptomyces и бактериями родов Micromonospora и Bacillus, и некоторые другие. До “эры” генной инженерии ценные для промышленности штаммы-продуценты антибиотиков с повышенной продуктивностью получали в основном с помощью мутагенеза и селекции природных микроорганизмов. Например, в результате селекции и улучшения техники ферментации промышленный выход пенициллина достиг 20 г/л, что в 10 тыс. раз выше уровня, который имелся в исходном штамме Penicillum chrysogenum.

Причины неослабевающего внимания к поиску новых антибиотиков связаны с токсичностью существующих антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и, помимо этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против которых недостаточно эффективны известные ныне антибиотики. Основные пути поиска включают:

1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов .

 

2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикробные макролиды токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по жизненным показаниям при тяжелых микозах, вызывает необратимые поражения почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и сохраняющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и цефалоспоринов используют иммобилизованные ферменты.

 

3. Мутасинтез. Применяют мутантные штаммы, у которых блокирован синтез отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивирования вносят аналоги этих фрагментов. Мик­роорганизм использует эти аналоги для биосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.
4. Клеточная инженерия. Получают гибридные антибиотики, например, с новыми комбинациями агликона и сахаров.
5. Генетическая инженерия — введение в геном микроорганиз­ма информации о ферменте, необходимом для модификации про­дуцируемого антибиотика, например его метилирования при помощи метилаз.

Важной  задачей является повышение эффективности  биосинтеза известных антибиотиков. Значительных результатов удалось  добиться за десятилетия селекции штаммов-продуцентов  с применением индуцированного  мутагенеза и ступенчатого отбора. Например, продуктивность штаммов Penicillium по синтезу пенициллина увеличена в 300—350 раз. Определенные перспективы открываются в связи с возможностью клонирования генов «узких мест» биосинтеза антибиотика или в случае, если все биосинтетические ферменты кодируются единым опероном.

Многообещающим  подходом служит инкапсулирование антибиотиков, в частности их включение в лигюсомы, что позволяет прицельно доставлять препарат только к определенным органам и тканям, повышает его эффективность и снижает побочное действие. Этот подход применим и для других лекарственных препаратов. Например, кала-азар, болезнь, вызываемая лейгшманией, поддается лечению препаратами сурьмы. Однако лечебная доза этих препаратов токсична для человека. В составе липосом препараты сурьмы избирательно доставляются к органам, пораженным лейшманией, — селезенке и печени.

Вместо  антибиотика в организм человека может вводиться его продуцент, антагонист возбудителя заболевания. Этот подход берет начало с работ  И. И.Мечникова о подавлении гнилостной микрофлоры в толстом кишечнике человека посредством молочнокислых бактерий. Важную роль в возникновении кариеса зубов, по-видимому, играет обитающая во рту бактерия Streptococcus mutans, которая выделяет кислоты, разрушающие зубную эмаль и дентин. Получен мутант Strept. mutans, который при введении в ротовую полость почти не образует коррозивных кислот, вытесняет дикий патогенный штамм и выделяет летальный для него белковый продукт.

НАПРАВЛЕННЫЙ  БИОСИНТЕЗ АНТИБИОТИКОВ

Под направленным биосинтезом антибиотиков следует понимать вмешательство  экспериментатора в метаболизм организма-продуцента (главным образом микроорганизма) для получения одного либо нескольких антибиотиков или же новых по сравнению с обычно образующимися соединениями форм антибиотических веществ. В результате направленного биосинтеза удается модифицировать известные антибиотики, отличающиеся от исходных веществ рядом ценных свойств, которые не могут быть синтезированы химическим путем. Поэтому изучение вопросов, связанных с названной проблемой, имеет существенное теоретическое и практическое значение. Многие микроорганизмы в процессе жизнедеятельности способны одновременно образовывать несколько антибиотических веществ, как близких по химическому строению и биологическому действию, так и значительно различающихся. Например, Streptomyces albireticuli вырабатывает три антибиотика: эйромицин, энтеромицин и карбомицин; S. showdoensis — четыре антибиотика: актиномицин в мицелии и три антибиотика в культу-ральной жидкости: макролид, шоудомицин и антибиотик неизвестной природы. В культуре S. netropsis одновременно образуются антигрибные полиеновые антибиотики (смесь тетраена, пентаена и гептаена) и антибактериальное вещество.

Изучение  закономерностей биосинтеза того или  иного антибиотического вещества, выяснение  условий развития организма, обеспечивающих преимущественное образование одного из возможных антибиотиков, дает возможность  вмешиваться в биосинтетическую деятельность микроба и давать ей нужное направление. Так, достаточная  аэрация культуры S. griseus обеспечивает благоприятные условия для преимущественного накопления стрептомицина и тормозит образование маннозидострептомици-на. При хорошей аэрации среды создаются условия оптимальной деятельности фермента маннозидострептомициназы, расщепляющего менее активный антибиотик маннозидострептомицин на стрептомицин и маннозу. Отсутствие в среде ионов хлора или наличие в субстрате наряду с хлором веществ, ингибирующих процесс биологического хлорирования, приводит к накоплению в культуре S. aureofaciens не хлортетрациклина, а тетрациклина или другого аналога из этой группы антибиотиков.

Наряду с изменением условий культивирования микроба не менее важную роль в проблеме получения того или другого антибиотика играет селекция организмов. В результате обработки продуцентов антибиотиков мутагенами и последующей селекции получены штаммы продуцентов, образующие нежелательный антибиотик в небольшом количестве, а нужный препарат составляет при биосинтезе основную часть продукции. Так, продуцент стрептомицина S. griseus может вырабатывать одновременно со стрептомицином и значительное количество нежелательного антибиотика маннозидострептомицина. В результате селекции получены штаммы S. griseus, образующие маннозидострептомицина не более 5% от общего выхода антибиотика.

Для направленного образования преимущественно  одного из ряда естественно синтезируемых  антибиотиков или их модификации  применяют различные методы вмешательства  в обмен веществ микроорганизмов:

1. соответствующее изменение условий культивирования продуцентов антибиотиков, и прежде всего изменениее состава среды.

 

2. в среду для культивирования  микроорганизма — продуцента антибиотического вещества могут вводиться специфические ингибиторы;

 

3. характер обмена веществ микроорганизма, связанного с модификацией структуры  образуемого антибиотика, может  быть изменен в результате получения  от исходного штамма-продуцента соответствующих мутантов;

 

4. свойства известных антибиотических  веществ можно изменить в результате воздействия на эти антибиотики  одного из микроорганизмов или ферментов, образуемых ими;

 

5. изменить характер метаболизма, связанный  с биосинтезом антибиотика, можно  путем применения комбинации перечисленных  выше факторов. Например, используют соответствующие  мутанты с одновременным внесением  в среду для их развития специфических  предшественников или ингибиторов.

МУТАСИНТЕЗ

Использование комбинации мутантов — продуцентов  антибиотических веществ и предшественников позволяет направлять биосинтез  антибиотиков по нужному пути и в  результате получать вещества с измененными  свойствами (метод мутасинтеза).

Мутасинтез — один из перспективных методов получения новых антибиотиков методом направленного биосинтеза. Суть его состоит в том, что в результате генетических манипуляций получают мутант продуцента, который потерял способность синтезировать один или несколько фрагментов молекулы антибиотика. При внесении в среду для культивирования такого мутанта недостающих фрагментов, синтезированных химическим путем, или других, близких им по химической структуре соединений, мутант способен включать их в молекулу образуемого антибиотика.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В настоящее время не вызывает сомнений утверждение, что будущее фармацевтической отрасли в большой степени  будет определяться биотехнологиями. В отличие от традиционных лекарственных  средств, полученных методами химического  синтеза, в фармацевтических биотехнологиях используются методики, позволяющие  создавать соединения, составляющие основу лекарственных препаратов, зачастую идентичные естественным. Главным преимуществом лекарственных препаратов, полученных биотехнологическим путём, является их высокая специфичность по отношению к факторам, связанным с возникновением и развитием болезни. Этот подход позволил создать ряд препаратов для лечения таких недугов, как онкологические, сердечно-сосудистые, нейродегенеративные заболевания.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бирюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии / В.В. Бирюков. – М. Колосс, 2004.
2. Глик, И.Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология /И.Б.Глик, Дж. Пастернак. – М., Мир, 2002.
3. Шевелуха, В. С. Сельскохозяйственная биотехнология/В. С. Шевелуха, Е. А. Калашникова, 4-е изд.- М.:Изд-во  Высшая школа,2003.-437 с.
4. Современная биотехнология [Электронный ресурс]: сайт по биотехнологии. -  Режим доступа:  http://www.bionews.ru/news/Bio.htm
5. Биотехнология [ Электронный ресурс ]: сайт по биотехнологии.

Режим доступа : http://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt1_6.htm