- •Современное промышленное получение антибиотиков
- •Биопрепараты для сельского хозяйства
- •Для улучшения питания сельскохозяйственных культур фосфатами эффективен метод применения фосфоробактерина. Препарат получают на основе спор культуры Bacillus megaterium var. Phosphaticum.
- •Биологические методы и препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений и животных. Технология получения биологических препаратов (бактериальных, грибных, вирусных)
- •Бактериальные препараты.
Антибиотики –биологически активные вещества
Образование антибиотиков — это наследственно закрепленная особенность метаболизма микроорганизмов, проявляющаяся в том, что каждый вид (или даже штамм) способен продуцировать один или несколько строго специфичных для него антибиотических веществ, что является результатом эволюции данного микроорганизма.
Специфичность действия антибиотиков объясняется:
— их высокой биологической активностью в отношении Чувствительных к ним организмов, т. е. способностью продлять эффект даже в очень низких концентрациях;
— избирательностью действия, т. е. способностью конкретного антибиотика проявлять свое действие лишь в отношении определенных организмов или групп организмов, не оказывая заметного эффекта на другие формы живых существ.
Величину биологической активности антибиотиков выражают в условных единицах, содержащихся в 1 мл (ед/мл) или в 1 мг (ед/мг) препарата.
За единицу антибиотической активности принято минимальное количество антибиотика, способное подавить развитие или задержать рост определенного числа клеток стандартного штамма тест-микроб единице объема питательной среды.
Так, за единицу активности пенициллина принято минимальное количество препарата, способное задерживать рост золотистого стафилококка (штамм 209)
в 50 мл питательного бульона; стрептомицина единица активности — минимальное количество антибиотика, задерживающее рост Е. coli в 1 мл питательного бульона.
Синтез микроорганизмами антибиотиков — одна из форм проявления антагонизма, который связан с определенным характером обмена веществ, возникшим и закрепленным в ходе эволюции. Воздействуя на постороннюю микробную клетку, это соединение вызывает нарушения в ее развитии. Антибиотики способны подавлять синтез оболочки бактериальной клетки в период размножения, изменять проницаемость цитоплазматической мембраны или ингибировать реакции обмена веществ.
Классификация антибиотиков может быть осуществлена:
— по принципу их биологического происхождения (предпочтительна для биологов, изучающих организмы-продуценты антибиотических веществ);
— по химическому строению (удобна для химиков, занимающихся изучением строения молекул антибиотиков и путей их синтеза);
— по типу и механизму биологического действия (принята в медицинской практике). В этом случае тип действия антибиотиков бывает «цидным» (бактерицидным, фунгицидным, вирицидным, протозоацидным), под которым понимают необратимое нарушение жизнедеятельности (гибель) инфекционного агента, и
статическим (бактериостатическй фунгистатическим, виристатическим, протозоостатическимл при котором прекращается или приостанавливается размножение возбудителя. Такая градация имеет основное практическое значение при лечении тяжелых инфекций,особенно у пациентов с нарушениями иммунитета, когда обязательно назначение «цидных» препаратов.
В зависимости от места приложения и механизма биологического действия, антибиотики подразделяют на:
- специфические ингибиторы биосинтеза клеточной стенки (пенициллины, цефалоспорины, цефамицины и др.);
- препараты, нарушающие молекулярную организацию и функции клеточных мембран (полимиксины, полиены);
- препараты, подавляющие синтез белка на уровне рибосом (макролиды, тетрациклины, левомицетин, фузидин); _
- ингибиторы синтеза РНК на уровне РНК-полимеразы и ингибиторы, действующие на метаболизм фолиевой кислоты (рифампицины);
- ингибиторы синтеза РНК на уровне ДНК-матрицы (актиномицины и др.);
- ингибиторы синтеза ДНК на уровне ДНК-матрицы (антрациклины, митомицин С, нитрофураны, налидиксовая кислота).
При выделенном возбудителе назначают антибиотики с максимально узким спектром активности, так как «избыточная» широта спектра не дает преимуществ и опасна с точки зрения подавления нормальной микрофлоры.
В настоящее время установлена полная химическая структура только для трети антибиотиков, продуцируемых микроорганизмами, а химическим путем может быть получена лишь половина из них.
В связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий существует потребность в новых соединениях. Для этого исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремятся повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от «активации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. В некоторых случаях природные микробные антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более высокими терапевтическими свойствами.
Современное промышленное получение антибиотиков
это сложная многоступенчатая биотехнологическая схема, состоящая из ряда последовательных стадий (
1) стадия биосинтеза (образования) антибиотика основная биологическая стадия процесса получения антибиотика. Необходимо создание оптимальных условий развития продуцента и максимально возможного биосинтеза антибиотика;
2) стадия предварительной обработки культуральной жидкости, клеток (мицелия) микроорганизма и фильтрации ции (отделение культуральной жидкости от биомассы продуцента). Определяется составом реды, характером роста продуцента, местом накопления биологически активного соединения (в культуральной жидкости или внутриклеточно)
3) стадия выделения и очистки антибиотика. В качестве основных методов применяют экстракцию, осаждение, сорбцию на ионообменных материалах, упаривание, сушку;
4) стадия получения готовой продукции, изготовления лекарственных форм, расфасовки.
Для максимального выхода антибиотика при культивировании продуцента необходим комплекс мер, включающий подбор питательных сред, высокопродуктивных штаммов микроорганизмов и режимов их культивирования.
Микроорганизмы, производящие различные метаболиты, в том числе и антибиотики, вначале проходят стадию быстрого роста (тропофазу), во время которой синтез этих веществ незначителен. По мере замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питательных веществ в культуральной среде микроорганизм переходит в идиофазу; именно в этот период синтезируются идиолиты.
Эти особенности культурального роста необходимо учитывать в производственном процессе. Например, в случае антибиотиков большинство микроорганизмов в стадии тропофазы чувствительны к собственным антибиотикам, а во время идиофазы становятся устойчивыми к ним. Чтобы уберечь микроорганизмы, продуцирующие антибиотики, от уничтожения, важно быстро достичь идиофазы и затем к культивировать микроорганизмы в этой фазе. Это достигается путем варьирования режимов культивирования и питательной среды на стадиях быстрого и медленного роста.
Новые антибиотики с уникальными свойствами и специфичностью можно получить путем генно-инженерных манипуляций с генами, участвующими в биосинтезе известных антибиотиков.
Большой эффект здесь дать технология рекомбинантных ДНК: с ее помощью но создавать новые антибиотики с уникальной структурой оказывающие более мощное действие на определенные микроорганизмы и обладающие минимальными побочными эффектами. Генно-инженерные подходы можно использовать для увеличения выхода антибиотиков и снижения стоимости их производства.
Большинство исследований было сосредоточено на пенициллинах и цефалоспоринах, структура которых включает четырехчленное (3-лактамное кольцо.
Добавление к (3-лак-тамному кольцу метоксильной (СН3О)-группы привело к появлению цефамицинов, близких к цефалоспоринам и эффективных как против грамотрицательных, так и против пенициллиноустойчивых микробов.
Полусинтез состоит в замене химическим путем одной боковой цепи
(3-лактамного кольца на другую в полученной ферментацией молекуле. Устойчивость к пенициллинам и цефалоспоринам связана с наличием ферментов, так называемых (3-лактамаз, которые широко распространены среди бактерий, актиномицетов, цианобактерий и дрожжей. Так как гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид, устойчивость может передаваться при переносе плазмид от одного бактериального штамма к другому.
Исследователи фирмы «Мерк, Шарп и Доум» открыли новый класс
(3-лактамных антибиотиков — тиенамицины, " продуцируемые Streptomyces cattleya. Тиенамицины чрезвычайно эффективны против грамположительных и грамотрица тельных бактерий, а также способны ингибировать (3-лактамазы, что значительно повышает возможности этих антибиков. К ингибиторам (3-лактамаз относятся также клавулановая и оливановая кислоты, идентифицированные исследователями английской фармацевтической компании «Бичем»
Компания выпустила новый антибиотик — аугментин, — который представляет собой комбинацию |3-лактамного антибиотика амоксициллина и клавулановой кислоты.
Синтез антибиотика является результатом действия 10-30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить его выход. В промышленных штаммах Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens выход пенициллина или тетрациклина удалось повысить с нескольких миллиграммов на литр (штамм дикого типа) до 20 г/л и более. Эти высокопродуктивные штаммы были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции.
В результате мутаций появились новые вторичные метаболиты, в том числе 6-диметилхлортетрациклин и 6-диметилтетрациклин. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков, в том числе принадлежащих к аминоциклитольной группе.
Создание новых и совершенствование существующих технологий получения антибиотиков, разработка экологически чистых безотходных технологий получения высококачественных препаратов — важнейшая задача современной биотехнологии. В основном антибиотики применяют для борьбы с болезнями человека, животных и растений, как стимуляторы роста животных, при консервировании продуктов, в научных исследованиях (в биохимии, молекулярной биологии, генетике, онкологии).Традиционно антибактериальные препараты подразделяют на:
природные (собственно антибиотики, например пенициллин
полусинтетические (продукты модификации природных молекул, например амоксициллин, цефазолин);
синтетические (например, сульфаниламиды, нитрофураны).
Антибиотики используют для предотвращения и лечения воспалительных процессов, вызванных бактериальной микрофлорой. Они избирательно угнетают жизнеде ность микроорганизмов. Под избирательным действием понимают активность только в отношении определенных родов и видов микроорганизмов при сохранении жизнеспособности клеток хозяина.
Антибиотики представляют собой самую многочисленную группу лекарственных средств. Так, в России в настоящее время используется 30 различных групп антибиотиков, а число препаратов приближается к 200. Ежегодно во всем мире производится 100 тыс. т антибиотиков на сумму примерно 5 млрд долларов, причем более 100 млрд долларов приходится на долю антибиотиков, добавляемых в корм скоту в качестве добавок или ускорителей роста.
Все антибиотики, несмотря на различия химической структуры и механизма действия, объединяет ряд уникальных качеств.
Во-первых, уникальность антибиотиков заключается в том, что, в отличие от большинства других лекарственных средств, их мишень-рецептор находится не в тканях человека, а в клетке микроорганизма.
Во-вторых, активность антибиотиков не является постоянной, а снижается со временем, что обусловлено формированием лекарственной устойчивости (резистентности). Антибиотикорезистентность — неизбежное биологическое явление, и предотвратить ее практически невозможно.
В-третьих, антибиотикорезистентные микроорганизмы представляют опасность не только для пациента, у которого они были выделены, но и для многих других людей, даже разделенных временем и пространством. Поэтому борьба с антибиотикорезистентностью в настоящее время приобрела глобальные масштабы.
В течение многих лет антибиотики используют как стимуляторы роста сельскохозяйственных животных и г как средство борьбы с заболеваниями растении и посторонней микрофлорой в ряде бродильных производств, как консерванты пищевых продуктов. Механизм стимулирующего действия антибиотиков также не до конца выяснен, полагают, что стимулирующий эффект низких концентраций антибиотиков на организм животного связан с двумя фактороми:
-воздействием на микрофлору кишечника;
-непосредственным влиянием на организм животного.
В первом случае антибиотики снижают число вредных и увеличивают количество полезных для организма микроорганизмов, во втором — снижают рН содержимого кишечника и уменьшают поверхностное натяжение клеток организма, что способствует ускорению их деления. Кроме того, антибиотики увеличивают количество ростовых гормонов, улучшают приспособляемость организма к неблагоприятным условиям и т. д.
Кормовые антибиотики применяют в виде неочищенных препаратов, представляющих собой высушенную массу продуцента, содержащую, помимо антибиотика, аминокислоты, ферменты, витамины группы В и другие биологически активные вещества.
Все производимые кормовые антибиотики:
— не используются в терапевтических целях и не вызывают перекрестной резистентности бактерий к антибиотикам, применяемым в медицине;
— практически не всасываются в кровь из пищеварительного тракта;
— не меняют своей структуры в организме;
— не обладают антигенной природой, способствующей возникновению аллергии.
В настоящее время производится несколько видов кормовых антибиотиков: препараты на основе хлортетрациклина (биовит, кормовой биомицин),
бацитрацин, гризин, гигомицин Б и др.
Из этих препаратов только бацитрацин представляет собой высушенную культуральную жидкость,полученную в результате глубинного выращивания Bacillus licheniformis. Остальные антибиотики являются продуктами жизнедеятельности разных видов Actinomyces.
Антибиотики используют и как средство борьбы с различными фитопатогенами. Действие антибиотика сводится к замелению роста и гибели фитопатогенных микроорганизмов, содержащихся в семенах и вегетативных органах растений. К таким антибиотикам относятся фитобактериомицин, трихотецин, полимицин.
Применение антибиотиков в пищевой промыщлен позволяет снизить длительность термообработки продуктов питания при их консервировании. Используемые антибиотики воздействуют на клостридиальные и термофильные бактерии, устойчивые к нагреванию. Наиболее эффективным признан низин, который практически не токсичен для человека и позволяет вдвое снизить время термообработки