Билет 11

2. Под генетическими маркерами понимают любые наследуемые фенотипические признаки, различающиеся у отдельных особей.

Фенотипические признаки, отвечающие требованиям генетических маркеров, весьма разнообразны. Они включают в себя как особенности поведения или предрасположенность к определенным заболеваниям, так и морфологические признаки целых организмов или их макромолекул, различающихся по структуре. Молекулярные маркеры используются при построении генетических карт сцепления.

3. Метаболи́ты  — продукты метаболизма каких-либо соединений. Метаболиты бывают первичными, вторичными, промежуточными (подвергающимися дальнейшим биотрансформациям) и конечными, не подвергающимися дальнейшей биотрансформации и экскретируемым из организма с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом и др. Первичными метаболитами называют молекулы, присутствующие во всех клетках организма и необходимые для жизнедеятельности. Они делятся на четыре категории:

Углеводы

Белки

Липиды

Нуклеиновые кислоты

АНТИБИОТИКИ

Антибиотики (антибиотические вещества) – это продукты обмена

микроорганизмов, избирательно подавляющие рост и развитие бактерий,

микроскопических грибов, опухолевых клеток. Образование антибиоти-

ков – одна из форм проявления антагонизма.

«Антибиотики – специфические продукты жизнедеятель-

ности организмов, их модификации, обладающие высокой физиологиче-

ской активностью по отношению к определенным группам микроорга-

низмов (бактериям, грибам, водорослям, протозоа), вирусам или к злока-

чественным опухолям, задерживая их рост или полностью подавляя раз-

витие».

Специфичность антибиотиков по сравнению с другими продуктами об-

мена (спиртами, органическими кислотами), также подавляющими рост от-

дельных микробных видов, заключается в чрезвычайно высокой биологиче-

ской активности.

По спектру биологического действия анти-

биотики можно подразделить на несколько групп:

– антибактериальные, обладающие сравнительно узким спектром дей-

ствия (пенициллин, эритромицин, грамицидин, бацитрацин), подавляют

развитие грамположительных микроорганизмов (стафилококки, стрепто-

кокки, пневмококки), и широкого спектра действия (стрептомицин, тетра-

циклины, неомицин, хлоромицетин), подавляющие как грамположитель-

ных, так и грамотрицительных микроорганизмов (кишечную палочку,

дифтерии, брюшного тифа);

– противогрибковые, группа полиеновых антибиотиков (нистатин, гри-

зеофульвин и др.), действующие на микроскопические грибы;

– противоопухолевые (актиномицины, митомицин и др.), действующие

на опухолевые клетки человека и животных, а также на микроорганизмы.

Описано около 600 антибиотиков, которые синтезируются бактериями.

Эти антибиотики по химическому строению принадлежат к полипептидам

и низкомолекулярным белкам. Однако в промышленных масштабах вы-

пускается незначительное число антибиотиков бактериального происхож-

дения. Важнейшими их них являются: грамицидин (Bacillus brevis), поли-

миксины (Bac. polymyxa, Bac. circulans), бацитрацины (Bacillus licheniformis),

низины (Streptococcus lactis).

Самое большое количество (свыше 70 %) антибиотиков, выпускаемых

промышленностью и широко применяемых, синтезируется актиномице-

тами. Среди них – антибиотики различного химического строения, кото-

рые относят к нескольким группам: а) аминогликозиды – стрептомицин

(Streptomyces griseus), неомицины (Streptomyces fradiae, Str. albogriseolus),

канамицины (Str. kanamyceticus), гентамицины (Micromonospora purpurea)

и др.; б) тетрациклины – хлортетрациклин (Str. aureofaciens), окситетра-

циклин (Str. rimosus); в) актиномицины – большая группа близких по

строению препаратов, синтезируемых различными микроорганизмами, в

том числе (Streptomyces antibioticus, Str. chrysomallus, Str. flavus); г) мак-

ролиды – эритромицин (Streptomyces erythreus), олеандоимицин (Str.

antibioticus), магнамицин (Str. halstedii), филипин (Str. filipensis); д) анза-

мицины – стрептоварицины (Str. spectabilis), рифамицины (Nocardia

mediterranea), галамицины (Micromonospora halophytica), нафтамицин (Str.

collinus) и др.

Мицелиальные грибы также синтезируют достаточно большое количе-

ство антибиотиков (около 1200). Наиболее известны среди них следую-

щие: пенициллины (Penicillium chrysogenum, P. brevicompactum,

Aspergillus flavus, Asp. nidulans), цефалоспорины (Cephalosporium

acremonium), фумалгин (Aspergillus fumigatus), гризеофульвин (Penicillium

nigricans, P. griseofulvum), трихоцетин (Trichthecium roseum).

Синтез антибиотиков микробными клетками – это специфический про-

цесс обмена веществ, возникший и закрепленный в процессе эволюции

организма. Каждый микробный вид способен образовывать один или не-

сколько вполне определенных антибиотических веществ. Выделенные из

природных источников, так называемые «дикие» штаммы обладают низ- кой антибиотической активностью. В промышленности применяют в ка-

честве продуцентов штаммы, которые по сравнению с исходными штам-

мами обладают повышенной на 2–3 порядка антибиотической активно-

стью. Это достигается, как и во многих других биотехнологических про-

цессах, двумя способами: генетическими усовершенствованиями организ-

мов и оптимизацией условий ферментации.

Антибиотики – это вторичные продукты обмена микроорганиз-

мов, (идиолиты). Характерной особенностью развития продуцентов ан-

тибиотических веществ является ярко выраженная двухфазность: в первой

фазе развития микроорганизмов происходит накопление биомассы, во

второй – синтез антибиотика. При этом очень важно создать условия фер-

ментации, адекватные этой двухфазности с учетом ингибирующего дейст-

вия антибиотика как продукта обмена на продуцент.

В процессах производства антибиотиков очень большое значение име-

ет правильный выбор состава питательной среды. В зависимости от при-

роды используемого микроорганизма в качестве источника углерода воз-

можно применение различных субстратов. Например, для получения пе-

нициллина лучшим источником углерода и энергии является глюкоза и

лактоза; грамицидина – глицерин и соли янтарной кислоты; стрептомици-

на и неомицина – глюкоза. При разработке состава среды для каждого

отдельного продуцента индивидуально подбирают не только тип углерод-

ного субстрата, но и его концентрацию. В качестве источника азота мно-

гие продуценты антибиотиков используют восстановленные формы (ам-

моний и аминокислоты), однако некоторые предпочитают нитраты. Когда

источник азота должен присутствовать в виде готовых аминокислот, по-

липептидов или белков, используют пшеничную и кукурузную муку, экс-

тракты дрожжевой биомассы. Большое значение имеет также концентра-

ция в среде фосфора, а также других минеральных элементов (серы, мар-

ганца, железа, кобальта и др.). В ряде случаев существенного увеличения

выхода антибиотического вещества достигают в результате внесения в

среду предшественников синтеза конкретного антибиотика. В связи c ин- тенсивным пенообразованием, сопровождающим процесс синтеза анти-

биотиков, в состав среды вводят пеногасители (растительные и животные

жиры, минеральные масла).

Помимо состава среды, большое влияние на выход антибиотиков ока-

зывают другие физико-химические факторы среды: рН, температура,

обеспечение кислородом, которые подбираются и задаются индивидуаль-

но для каждого продуцента.

На предферментационной стадии получают инокулят из музейной

культуры и готовят питательную среду. После стерилизации технологиче-

ского оборудования и среды в ферментер вносят требуемое количество

инокулята и начинают процесс ферментации. В промышленности исполь-

зуют аппараты различной емкости, от 500 л до 100 м3 и более. В ходе фер-

ментации культура непрерывно аэрируется стерильным подогретым воз-

духом. Температура среды, рН и ряд других параметров автоматически

регулируются в соответствии с регламентом производства конкретного

антибиотика.

Процесс ферментации осуществляется в строго стерильной, глубин-

ной, аэробной и периодической культуре и носит выраженный двухфаз-

ный характер (рис. 2.6). Первая фаза сбалансированного роста (тропо-

фаза) характеризуется быстрым накоплением биомассы продуцента на

фоне исчерпания углеродного субстрата, а также азота, фосфатов и др. При этом может наблюдаться некоторое изменение величины рН; синтез

антибиотиков не наблюдается или имеет место в незначительных количе-

ствах. На второй фазе (идио-фаза) прирост биомассы прекращается, и мо-

жет иметь место некоторое падение концентрации клеток в культуре в

результате гибели и лизиса некоторой части популяции. При этом среда

обогащается продуктами обмена и продуктами автолиза погибших клеток,

и начинается активный процесс синтеза антибиотиков. Исключительно

важным на этом этапе становится правильно организованный режим пе-

ногашения. Наряду с пеногасителями химической природы, дополнитель-

но применяют механическое пеногашение с использованием специальных

устройств. В большинстве случаев антибиотики выделяются в культу-

ральную среду, хотя возможно и сохранение их внутри клеток. Локализа-

ция антибиотика, а также сфера применения последнего определяют спе-

цифику приемов постферментационной стадии. Если антибиотик находит-

ся в клетках, на первом этапе обработки биомассу выделяют из культу-

ральной жидкости (фильтрацией или центрифугированием); далее после

разрушения клеток антибиотик экстрагируют и переводят в растворимую

фазу. Затем данный раствор, а также культуральные среды, (если антибио-

тик в процессе идио-фазы выделяется из клеток в среду) подвергают раз-

личным методам экстракции, разделения, очистки и концентрирования

для получения готового продукта. Особенность процедуры выделения и

очистки антибиотиков – разбавленные исходные растворы (около 1 %) и

возможность инактивации антибиотика в ходе постферментационной ста-

дии. Цель всех процедур постферментационной стадии – получение сте-

рильных препаратов высокой степени чистоты. Особенно высокие требо-

вания предъявляют к антибиотикам медицинского назначения. Поэтому

выделение, очистка, концентрирование, высушивание, а также расфасовка

и упаковка медицинских антибиотиков осуществляются в асептических

условиях. Готовый продукт подвергается тщательному биологическому и

фармакологическому контролю. Биологический контроль определяет сте-

пень стерильности препарата. В ходе фармакологического контроля про-

водят всесторонние испытания препарата на токсичность, пирогенность,

токсикогенность и пр., устанавливают максимально переносимую дозу

антибиотика, дозы, вызывающие полную и 50 % гибель эксперименталь-

ных животных. Готовая форма лекарственного препарата антибиотическо-

го вещества поступает к потребителю с указанием биологической актив-

ности и даты выпуска.

Антибиотики немедицинского назначения, применяемые в сельском

хозяйстве, получают также в условиях строго стерильной регламентиро-

ванной культуры, однако готовый продукт представляет собой высушен-

ную биомассу продуцента или культуральную среду. В таком препарате,

помимо антибиотика, содержатся также другие биологически активные

вещества (витамины группы В, ферменты, витамины, аминокислоты). Наиболее известны среди применяемых в качестве кормовых антибиоти-

ческих препаратов – биовит и биомицин, являющиеся препаратами хлор-

тетрациклина, а также гризин, бацитрацин, гигромицин и др. Подавляя

развитие болезнетворных микроорганизмов, тем самым снижая заболе-

ваемость и смертность, антибиотики ускоряют рост и развитие животных

и птицы. Так, применение антибиотиков в свиноводстве обеспечивает до-

полнительный привес от каждой тысячи животных до 120 ц при сокраще-

нии расхода кормов на 5–10 %. При добавлении антибиотиков в корм кур-

несушек можно дополнительно получить до 15 тыс. яиц в год от 1000 кур.

В течение последних 25 лет антибиотики применяют также для борьбы с

фитопатогенами, возбудителями которых являются микроорганизмы. Ан-

тибиотические вещества наносят на вегетативные части растения, а также

на семена или вносят в почву. В результате селективного действия на фи-

топатогенные микроорганизмы антибиотики задерживают рост или уби-

вают микроорганизмы-возбудители, не нанося вреда растению. Наиболее

эффективными фитопатогенными препаратами являются трихотецин, по-

лимицин, фитобактериомицин, гризеофульвин.

Поиск продуцентов новых антибиотиков непрерывно продолжается.

Огромные перспективы для получения высокопродуктивных штаммов

открываются в связи с развитием новейших методов клеточной и генети-

ческой инженерии. Помимо усовершенствования природы микроорганиз-

мов-продуцентов антибиотических веществ, оптимизации аппаратуры и

технологий, большое значения для получения нового спектра препаратов,

обладающих более ценными свойствами по сравнению с исходными, име-

ет так называемая модификация антибиотиков и получение полусинтети-

ческих препаратов. Полученные микробиологическим путем антибиотики

подвергают химической модификации, в результате которой возможно

получение препаратов с более выраженным физиологическим действием.