Синтез антибиотиков

Современное производство антибиотиков это крупная отрасль промышленности. В мире производятся десятки тысяч тон антибиотиков и среди лекарств они занимают ведущее место в большинство странах. Их приложение в медицине повысило эффективность лечения многих инфекционных заболеваний, способствовало увеличению продолжительности жизни.

Организация этого производства в широких масштабах потребовала коренного преобразования микробиологической промышленности и сыграла решающую роль в становлении биотехнологии.

Антибиотики – это химические вещества биологического происхождения, способные убивать или подавлять рост бактерий, грибов, водорослей, вирусов и т.д.

Количество антибиотиков резко возросло – к 1940 г было известно 6 антибиотиков, 1945 – 32, 1949 – 150, а в наши дни – более 6000 антибиотиков. Однако только 3 % из них применяются в практике, остальные из-за их токсичности и др. причин не используются.

В качестве продуцентов антибиотиков используются, как правило микроорганизмы, но могут быть и высшие растения, а также ткани животных. До недавнего времени главный метод повышения активности продуцентов был получение мутантов и их селекция. В последние годы достигнуты успехи в конструировании суперпродуцентов методами генной инженерии. Антибиотики производятся на дорогих средах (глюкоза, лактоза, с использованием дефицитных пеногасителей). Проводятся исследования по подбору дешевых сред, обеспечивающих максимальный выход продукта и применение более экономических способов выделения и очистки антибиотиков.

В производстве антибиотиков для медицинских целей решающее значение имеет технология их выделения и очистки.

Новое направление – это модификация существующих антибиотиков путем некоторых их изменений в структуре естественных антибиотиков химическими или биологическими методами.

Антибиотики используются в качестве инсектицидов, гербицидов, пестицидов и имеют ряд преимуществ, по сравнению с химическими методами они применяются в более низких концентрациях, легко разлагаются, могут быть получены промышленными методами, не оказывают токсического действия на растение.

Антибиотики применяются и в пищевой промышленности для консервирования продуктов питания, при сохранении свежего мяса, птицы, рыбы, молочных продуктов.

Антибиотики в последнее время применяются в научных исследованиях при изучении метаболизма организмов, расшифровке молекулярных механизмов биосинтеза белка, механизма функционирования мембран и др.

Синтез гормонов

При помощи генной инженерии создано ряд лекарств например, инсулина, интерферона, соматотропина и др. – вещества, абсолютно сходные с теми, которые производит организм.

До начале 80-х годов гормоны производились из органов и тканей животных и человека, а также из крови. Но в последнее годы получение таких веществ из крови человека стало опасным в связи с возникновением СПИД-а. Кроме того, часто гормоны полученные из организма животных отличаются по некоторым показателям от гормона человеческого организма и их введение вызывает аллергические реакции.

Исходя из этих предпосылок, получение химически чистых веществ и в достаточном количестве представляет одну из главных задач фармацевтической промышленности. И она может быть решена при помощи генной инженерии.

Известно, что самое распространенное эндокринное заболевание у человека – это сахарный диабет – около 20 % людей земного шара страдают этой болезнью. Для ее лечения до сих пор выделялся инсулин из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота. Но эти препараты отличаются по своей структуре от человеческого организма, а именно инсулин свиньи – по одной аминокислоте. Эти отличия вызывают у многих больных аллергические реакции. При помощи генной инженерии бактерии E.coli был перенесен от человека, что контролирует синтез инсулина и т.о.можно получить чистый человеческий инсулин.

Интерферон как универсальный антивирусный агент продуцируется организмом человека и получают его из лейкоцитов крови, но в небольших количествах. Чтобы обеспечить потребности в интерфероне не хватит кровь всех жителей планеты. В 1984 г при помощи генной инженерии был получен интерферон человека, а именно – ген контролирующий синтез интерферона от человека был перенесен в E. coli. 1 л такой культуры дает количество интерферона в 5000 раз больше чем 1 л крови.

Для лечения карликовости у человека используется гормон, которого обычно получают из гипофизов умерших людей. Также при помощи генной инженерии бактерии E. coli был введен ген, синтезирующий этот гормон роста и т.о. можно получить его в достаточном количестве.

В целях получения гормона роста для животных от КРС и свиней были выделены и-РНК, и из них при помощи обратной транскриптазы – получен ДНК. Такие гены были введены в бактерии, которые стали синтезировать соответствующие гормоны роста. Введение таких гормонов при вырацивании животных позволяет получить привеса на 10 – 15 % больше.

Другие направления использования биотехнологических традиций.

В перерабатывающих отраслях АПК все большее применение находят разнообразные ферменты. Это направление получило название – инженерной энзимологии.

Раньше ферменты получали исключительно из тканей, различных животных и растений. Хотя некоторые животные ткани, например поджелудочной железы и слизистой оболочки желудка богаты ферментами, однако сырьевая база ограничена. Успехи в области генетики, биохимии и культивировании микроорганизмов существенно сказались на стоимость ферментных препаратов – стоимость примерно в 100 раз меньше по сравнению с выделением из животных и растительных тканей. Это позволило расширить сферу практического применения ферментов: они используются в практике защиты растений от вредителей. Например, фермент хитиназа, добавляется к бактериальным препаратам, предназначенными для борьбы с вредными насекомыми. Он размягчает хитиновый покров насекомых и т.о. облегчает бактериями проникновения внутрь тела.

Разные ферменты используются в животноводстве для улучшения переваривания и усвоения кормов. Ферментные препараты могут употребляться при силосовании трудносилосуемых растений, содержащих мало углеводов. Добавление ферментных препаратов «аваморин» и «оризин»: к силосуемой массе таких растений ускоряет процесс силосования, способствует накоплению молочной кислоты и повышению качества силоса.

Амилазы и глюкоизомеоазы употребляются в производство сахаристых продуктов из крахмала, пектиназы – для осветления соков и вин, для мочки прядильных растений, лактаза – в переработке молочных продуктов, протеиназы – для тендеризации мяса, обработки кож, изготовление сыра. Ферменты применяются также при выпечке хлеба, в пивоварении и во многих других производствах.

Ферменты в наше время получают главным образом путем культивирования микроорганизмов. Ежегодно в развитых странах, объем продукции ферментной промышленности растет на 10 – 15 %.

Активные штаммы микроорганизмов могут быть получены различными способами, и в первую очередь селекцией форм, изъятых из природы. Активность их можно повысить, используя мутационный процесс. Наряду с методами селекции в создании высокопродуктивных штаммов микроорганизмов продуцентов ферментов используются методы генетической инженерии.

Например, сочетая методы метагенеза и селекции с методами генетической инженерии японские исследователи в 200 раз увеличили выход – амилазы из Bacillus subtilis. Установлено, что если фермент осуществляет гидролиз крахмала при более высокой температуре, то производство сахаристых веществ ускоряется. В связи с этим японские исследователи ввели в сенную палочку ген синтеза этого фермента из термофильной бактерии, что привело к возрастанию выхода термостабильной α- амилазы.

Перспективным объектом для генно-инженерных манипуляций считаются представители рода Bacillus, широко используемые для синтеза различных ферментов и генетика которых хорошо изучена.