Методы получения антибиотиков на примере пенициллина

Рассмотрим наиболее характерные особенности промышленных методов получения антибиотиков на примере наиболее распространенного и хорошо освоенного медициной и промышленностью антибиотика – пенициллина.

Полусинтетический способ получения пенициллина

Большое значение в настоящее время имеет так называемый полусинтетический ( биологический + химический) способ получения аналогов природного пенициллина, обладающих целым рядом ценных свойств. Сложный процесс получения пенициллина состоит из двух основных этапов.

А.Процесс ферментации и получение ферментационной (культуральной) жидкости, где пенициллин находится в виде свободной кислоты. Кислоту получают в результате биосинтеза при развитии Penic. chrysodenum в специфических условиях его культивирования (при отсутствии предшественника в среде) или чаще путем ферментативного дезацилирования бензилпенициллина или феноксиметилпенициллина с участием пенициллинацилазы (пенициллинамидазы). Впервые на возможность получения 6-АПК в результате изменения условий культивирования гриба указал Каlo (1953). Это соединение позже было предложено получать из культурной жидкости Penic. chrysopenum, выращенного в среде без предшественника (Batchelorи др.1959).

Пенициллинацилаза осуществляет гидролиз бензилпенициллина с образованием 6-аминопенициллановой кислоты и фенилуксусной кислоты, соединенных в молекуле антибиотика карбоксиламидной связью.

Пенициллиназы (пенициллин-6-лактамаза) вызывают у бензил-пенициллина гидролитическое расщепление 6-лактамного кольца с образованием биологически неактивной бензилпенициллиновой кислоты.

Образование пенициллинацилазы широко распространено среди различных групп микроорганизмов. Все продуцирующие пенициллин грибы способны образовывать этот фермент. Пенициллинацилаза, выделенная из плесневых грибов, дрожжей и актиномицетов,обладает более высокой активностью по отношению к феноксиметил-, п-гептил- и п-актинопенициллинам; фермент же, полученный из бактерий и проактиномицетов, осуществляет гидролиз бензилпенициллина G более быстро, чем других пенициллинов. Пенициллиназа и пеницил-линацилаза могут одновременно продуцироваться различными видами микроорганизмов (E. Goli Nocardia, Acl. Lavendulae и другие). По данным изучения штаммов Е. Goli 79% оказались способными образовывать пенициллиназу, 72 -ацилазу, а 59% - продуцировали оба фермента одновременно, 6%-ов штаммов вообще не образовывали ферменты. Необходимо отметить, что 6-пенициллановая кислота практически лишена антибиотических свойств; ее биологическая активность составляет примерно одну двухтысячную активности бензилпенициллина.

Б. Выделение пенициллина из культуральной жидкости и его очистка. Экстрагирование и очистка пенициллина являются чрезвычайно ответственными и трудоемкими этапами его производства. Достаточно отметить, что несмотря на непрерывное совершенствование , при этих операциях все же обычно происходит потеря 30 -50 активного пенициллина , содержащегося в культуральной жидкости. Основные причины столь больших потерь  инактивация пенициллина за счет воздействия кислой среды, повышенной температуры, присутствия солей тяжелых металлов, а также неполнота экстракции.

В настоящий период наиболее широкое применение в медицинской практике находят полусинтетические пенициллины, полученные на основе 6-аминопенициллановой кислоты. Ее получение в широких масштабах осуществляется с помощью иммобилизованной пенициллинамидазы. Ферментативный метод гидролиза бензилпенициллина по сравнению с кислотным гидролизом имеет ряд преимуществ в выходе и чистоте основного продукта. 6-Аминопенициллановую кислоту подвергают химическому ацилированию и получают соответствующие аналоги пенициллина, обладающие иными свойствами по сравнению с природными пенициллинами. В результате удалось получить ряд ценных антибиотиков. В настоящее время пенициллин играет роль не столько химиотерапевтического препарата, сколько исходного материала для получения 6-аминопенициллановой кислоты и дальнейших превращений. Наиболее ценными с практической точки зрения полусинтетическими препаратами пенициллина следует считать ампициллин, оксацилин, клоксациллин, нафциллин и метициллин.

Все известные пенициллины подобно пенициллину G подавляют процесс синтеза клеточной стенки бактерий в чем и заключается их убийственная для бактерий роль.

Химический синтез пенициллина

После открытия свойств пенициллина были предприняты попытки осуществить химический синтез молекулы пенициллина.

В 1957 году Шихен с сотрудниками синтезировал синтетический пенициллин (феноксиметилпенициллин), но полученные таким путем препараты пенициллина практического значения не имели. Позднее, под руководством Шихена был получен новый синтетический пенициллин, эффективный даже против форм стафилококков, устойчивых к природному пенициллину по схеме:

фенилпенициллин

Выход на последней стадии достаточно высокий и достигает 75%. Относительная простота с которой осуществляется этот синтез, естественно, повлекла за собой синтез ряда новых пенициллинов с различными ацилирующими и другими группами. Наиболее активным среди них оказался бензилсульфопенициллин.

Применение антибиотиков в с/х производстве, пищевой и консервной промышленности

Позднее, антибиотики нашли широкое применение не только в медицинской практике, но и в сельском хозяйстве, в пищевой и консервной промышленности, для консервирования дерева и изделий из него и многих других областях. Ниже, будут рассмотрены некоторые аспекты применения антибиотиков в иных, немедицинских, областях.

Антибиотики в растениеводстве

За последнее время проведено много исследований, посвященных использованию антибиотиков в борьбе с фитопатогенными организмами, наносящими ощутимый ущерб сельскому хозяйству.

Известно, что заболевания растений вызываются различными группами фитопатогенных микроорганизмов: вирусами, бактериями. грибами и др. Причем, поражение растений может происходить как в процессе вегетации их в полевых условиях, так и в закрытом грунте (в садах, теплицах, оранжереях). Источниками заражения растений фитопатогенными организмами может быть посевной материал (с наружной или внутренней инфекцией), растительные пожнивные остатки, а также посадочный материал (черенки, саженцы, клубни, корнеплоды) и сам субстрат или почва.

Выбор антибиотика для борьбы с определенным возбудителем заболевания и очагом его распространения, а также способ применения препарата в каждом отдельном случае могут быть различными. При этом основное внимание должно быть обращено не только на биологический эффект, но и на экономическую сторону вопроса, поскольку и назначение препарата и метод его применения должны быть экономически выгодными. Основные требования, предъявляемые к антибиотикам, используемым в борьбе с фитопатогенными организмами, сводятся к следующему:

 - антибиотик должен быть активным только против возбудителя заболевания: т .е. он должен обладать специфичностью биологического действия;

 -он должен легко проникать в ткани растений;

 -лечебные (рабочие) дозы должны быть безвредными для растения;

 - антибиотик на поверхности и внутри растения не должен быстро

инактивироваться, но попадая в почву, должен легко разлагаться;

 - антибиотик должен обладать антибиотическим действием и не инактивироваться внутри тканей растения.

При этом антибиотики, применяемые в сельском хозяйстве, из-за их низкой степени чистоты и большого количества примесей, ни в коем случае не должны использоваться в официальной медицинской практике .

В настоящее время для борьбы с фитопатогенными организмами в разных странах применяют антибиотические вещества или их сочетания. Так, стрептомицин применяют для борьбы с заболеваниями, вызывающими бактериальное увядание фасоли и сои, а также с рядом других заболеваний сельскохозяйственных растений. Гризеофульвин применяется в борьбе против заболеваний растений, вызываемых грибами, и прежде всего рода Bolrylis. Этот антибиотик активен в отношении возбудителей ржавчины, мучнистой росы. Трихотецин обладает способностью подавлять развитие ряда фитопатогенных организмов, в том числе Bolrylis cinerea, Helminlosporium. Однако он не проявляет закономерного защитного действия при вертициллезном вилте хлопчатника. Это связано с тем, что фитопатогенные грибы, устойчивые к действию трихотецина, образуют во многих случаях эндогенный фермент трихотециназу, инактивирующую антибиотик. Наиболее сильно таким свойством инактивировать трихотецин обладают грибы родов Tusarium, Asperyillus , Penicillium.

Бластицидин или S-антибиотик, продуцируемый микроорга-низмами рода Acl. Qriseochromoqenus (Taheuchi и др., 1958), подавляет рост многих других микроорганизмов в концентрации от 50 до 100 мкг/мл. Антибиотик оказался эффективным и в борьбе с распространенной в Японии опасной грибной болезнью риса перикуляриозом, вызываемой Piricularia orysae. В то же время, этот акнтибиотик оказался в определенной степени токсичным для человека. Вот почему в настоящее время бластицидин в борьбе с перикуляриозом заменен более эффективным и безвредным для человека антибиотиком касугамицином, продуцируемым Act. Kasuyaensis. Минимальная концентрация названного антибиотика для подавления гриба Piricilaria oryyae при pH окружающей среды ниже 6,0 составляет менее 1 мкг/мл; т. е. по сравнению с бластицидином, она ниже в 50 – 100 раз.

Полиоксины – группа антибиотиков, включающая девять компонентов. Эти антибиотики имеют своеобразное химическое строение и относятся к группе пептидилпиримидиннуклеозидных соединений. Полиоксины образуются культурой Act. Qacaoi и обладают высокой фунгицидной активностью. Эти антибиотики подавляют рост фитопатогенных грибов, относящихся к Alternaria, Qochliobalus. Pirqularia . Механизм действия полиоксинов основан на подавлении синтеза клеточной стенки чувствительных к их действию и вредных для растений вышеперечисленных грибов.

Валидомицин A образуется Act. hydroscopicus var. Limoneus. Антибиотик применяется в Японии для борьбы с заболеваниями риса, вызываемыми грибом Riyoctonia salani. Важно для экологии, что валидомицин легко разлагается почвенными микроорганизмами. Время его полураспада в почве составляет менее 4 часов.

Тетранастин А – антибиотик, образуемый Act. aureus, накапливается в мицелии продуцента. Тетранастин А обладает специфической активностью против паразитарных паучков и клещей плодовых деревьев. Он проявляет. вместе с тем очень слабую токсичность в отношении теплокровных животных.

К антибиотикам обладающим гербицидной активностью, относятся гербицидины А и В, образуемые Act sayanonensis. Эти антибиотики подавляют развитие возбудителя болезни риса Хanthomanas oryyae. Гербицидин А инактивирует прорастание семян риса и китайской капусты, обладает избирательной активностью против двудольных растений. Гербицидины А и В по химическому строению и гербицидной активности близки тойокамицину. Тойкамицин (сиромицин, наритерацин) образуется культурой Act Toyocaensis.