- •Содержание
- •Предисловие
- •Предисловие ко 2-му изданию
- •Введение
- •Этапы развития биотехнологии
- •Биотехнология сегодня
- •Биотехнологическое производство пищевых продуктов
- •Алкогольные напитки
- •Пивоварение
- •Ферментация в пищевой промышленности
- •Пищевые продукты и молочнокислое брожение
- •Этиловый спирт
- •1-Бутанол, ацетон
- •Уксусная кислота
- •Лимонная кислота
- •Молочная и глюконовая кислоты
- •Аминокислоты
- •L-Глутаминовая кислота
- •D,L-Метионин, L-лизин и L-треонин
- •Антибиотики
- •Антибиотики: источники, применение и механизмы действия
- •Антибиотики: получение. Устойчивость к антибиотикам
- •β-Лактамные антибиотики: промышленное получение
- •Гликопептидные, полиэфирные и нуклеозидные антибиотики
- •Аминогликозидные антибиотики
- •Тетрациклины, хиноны, хинолоны и другие ароматические антибиотики
- •Поликетидные антибиотики
- •Получение новых антибиотиков
- •Специальные продукты
- •Витамины
- •Нуклеозиды и нуклеотиды
- •Биодетергенты и биокосметика
- •Микробные полисахариды
- •Биоматериалы
- •Биотрансформация
- •Биотрансформация стероидов
- •Ферменты
- •Ферменты
- •Ферментативный катализ
- •Ферменты в клинических анализах
- •Тесты с помощью ферментов
- •Применение ферментов в промышленных технологиях
- •Ферменты в производстве моющих средств
- •Ферменты, расщепляющие крахмал
- •Ферментативное расщепление крахмала в промышленности
- •Ферментативное превращение сахаров
- •Утилизация целлюлозы и полиозы
- •Использование ферментов в целлюлозно-бумажной промышленности
- •Пектиназы
- •Ферменты в производстве молочных продуктов
- •Использование ферментов в хлебобулочной и мясоперерабатывающей промышленности
- •Ферменты в кожевенной и текстильной промышленности
- •Перспективы получения ферментов для промышленных технологий
- •Белковая инженерия
- •Пекарские и кормовые дрожжи
- •Пекарские и кормовые дрожжи
- •Белки и жиры из одноклеточных организмов
- •Аэробная очистка сточных вод
- •Анаэробная очистка сточных вод и переработка ила
- •Биологическая очистка газовых выбросов
- •Биологическая очистка почв
- •Микробиологическое выщелачивание руд и биокоррозия
- •Инсулин
- •Гормон роста и другие гормоны
- •Гемоглобин, сывороточный альбумин и лактоферрин
- •Факторы свертывания крови
- •Антикоагулянты и тромболитики
- •Ингибиторы ферментов
- •Иммунная система
- •Стволовые клетки
- •Тканевая инженерия
- •Интерфероны
- •Интерлейкины
- •Эритропоэтин и другие факторы роста
- •Другие белки, имеющие медицинское значение
- •Вакцины
- •Рекомбинантные вакцины
- •Антитела
- •Моноклональные антитела
- •Рекомбинантные и каталитические антитела
- •Методы иммуноанализа
- •Биосенсоры
- •Биотехнология в сельском хозяйстве
- •Животноводство
- •Перенос эмбрионов и клонирование животных
- •Картирование генов
- •Трансгенные животные
- •Генетическая ферма и ксенотрансплантация
- •Растениеводство
- •Культивирование растительных клеток: поверхностные культуры
- •Культивирование растительных клеток: суспензионные культуры
- •Трансгенные растения: методы получения
- •Трансгенные растения
- •Вирусы
- •Бактериофаги
- •Микроорганизмы
- •Бактерии
- •Некоторые бактерии, важные для биотехнологии
- •Грибы
- •Дрожжи
- •Усовершенствование штаммов микроорганизмов
- •Основы биотехнологических методов
- •Микроорганизмы: рост в искусственных условиях
- •Кинетика образования продуктов метаболизма и биомассы в культуре микроорганизмов
- •Технология ферментации
- •Промышленные процессы ферментации
- •Культивирование животных клеток
- •Биореакторы для культивирования животных клеток
- •Биореакторы с иммобилизованными ферментами и клетками
- •Очистка биотехнологических продуктов
- •Очистка биотехнологических продуктов: хроматографические методы
- •Экономические аспекты биотехнологического производства
- •Методы генетической инженерии
- •Структура ДНК
- •Функции ДНК
- •Эксперимент в генетической инженерии
- •Методы выделения ДНК
- •Ферменты, модифицирующие ДНК
- •ПЦР: лабораторная практика
- •ДНК: химический синтез и определение размера молекул
- •Секвенирование ДНК
- •Введение ДНК в живые клетки (трансформация)
- •Идентификация и клонирование генов
- •Экспрессия генов
- •Выключение генов
- •Геном прокариот
- •Геном эукариот
- •Геном человека
- •Функциональный анализ генома человека
- •ДНК-анализ
- •Белковые и ДНК-чипы
- •Маркерные группы
- •Тенденции развития
- •Генная терапия
- •Поиск биологически активных веществ
- •Протеомика
- •Обмен веществ
- •Метаболомика и метаболическая инженерия
- •Системная биология
- •«Белая» биотехнология
- •Сертификация биотехнологической продукции
- •Этические аспекты генетической инженерии
- •Патентование в биотехнологии
- •Биотехнология в разных странах
- •Биотехнология в разных странах
- •Литература
- •Источники иллюстраций
- •Указатель микроорганизмов
Антибиотики
58
Получение новых антибиотиков
ВВЕДЕНИЕ. Несмотря на значительные успехи медицины, связанные с использованием антибиотиков, и большое число новых лекарств, обладающих антибиотическим действием, в современном мире распространяются инфекционные заболевания, уже считавшиеся полностью побежденными, например туберкулез, стрептококковые и стафилококковые инфекции. Появление новых форм возбудителей заболеваний объясняется возникновением устойчивости микроорганизмов к используемому антибиотику (антибиотикам). Гены, обеспечивающие такую устойчивость, распространяются посредством плазмид и/или транспозонов; таким образом возможна передача генетического материала как между сходными (при конъюгации), так и между различными (при фаговой инфекции) организмами. Важной проблемой при поиске новых антибиотиков, как правило, является их высокая токсичность для человека. Грибы, дрожжи и простейшие – эукариоты, и для них характерны общие для эукариот особенности обмена веществ, поэтому большинство веществ, токсичных для этих возбудителей заболеваний, оказываются токсичными и для человека. Очевидно, что актуальность задачи создания новых антибиотиков не ослабевает.
НОВЫЕ СТРАТЕГИИ СКРИНИНГА. Использование классического метода скринига, в частности с применением биочипов, приводит к тому, что из 10 проанализированных веществ 9 имеют новую, ранее неизвестную структуру, но вовсе не обязательно новые свойства. Таким образом, очевидна необходимость разработки новых подходов к поиску веществ, обладающих антибиотическим действием. Приведем несколько примеров принципиально новых стратегий.
а) «Биосинтез, направляемый предшественником» – полусинтетический метод, при котором в среду роста микроорганизма-продуцента добавляют вещества-предшественники антибиотика.
б) Скрининг среди малоизученных микроорганизмов, например миксобактерий, редких актиномицетов, лишайников или губок.
в) Усовершенствование технологии микрочипов. г) Поиск промежуточных продуктов биосинтеза
антибиотиков.
д) Осуществление генетической рекомбинации между различными продуцентами антибиотиков.
е) Поиск предшественников антибиотиков методами «обратной генетики».
ж) Осуществление рекомбинации генов – участников биосинтеза антибиотиков в системе in vitro, и использование полученных ферментов в синтезе новых веществ in vivo (комбинаторный биосинтез).
з) Поиск новых мишеней действия антибиотиков на основе анализа генома патогенных микроорганизмов.
ОБРАТНАЯ ГЕНЕТИКА. Если в определенном организме установлена нуклеотидная последовательность гена фермента, участвующего в биосинтезе антибиотика, эта информация может послужить для поиска генов, кодирующих ту же ферментативную активность в геномной ДНК других организмов. Так была получена важная информация о взаиморасположении генов, ответственных за синтез макролидных антибиотиков.
КОМБИНАТОРНЫЙ БИОСИНТЕЗ. Примером может служить получение новых макролидных антибиотиков с измененными свойствами. Гены, кодирующие три фермента комплекса поликетидсинтазы, катализирующей наращивание углеродной цепи, организованы в виде кластера. Аналогичным образом расположены и гены ферментов, определяющих модификации поликетидной цепи. Клонирование всех этих генов позволило осуществить обмен генами между кластерами, и рекомбинантные ДНК в составе плазмид вновь были внесены в клетки организма-хозяина. Так было получено несколько новых макролидных антибиотиков, не найденных в природе и обладающих специфическими свойствами.
ПОИСК НОВЫХ МИШЕНЕЙ ДЛЯ ДЕЙСТВИЯ АНТИБИОТИКОВ МЕТОДАМИ ГЕНОМНОГО АНАЛИЗА. С каждым годом увеличивается число микроорганизмов, для которых нуклеотидная последовательность генома полностью известна. В качестве примера приведем несколько микроорганизмов – возбудителей заболеваний человека, геном которых в настоящее время секвенирован: Haemophilus influenzae
(1,83 млн п.н., хронический бронхит), Helicobacter pylori (1,67 млн п.н., язвенные заболевания), Borellia burgdorferi (0,91 млн п.н., бореллиоз), Mycobacterium tuberculosum (4,41 млн п.н., туберкулез), Treponema pallidum (1,14 млн п.н., сифилис), Chlamydia trachomatis (1,04 млн п.н., инфекционные заболевания глаз). Анализ генома позволяет выявлять особенности метаболизма или сигнальные пути, специфические для патогенного организма. Впоследствии эта информация может служить для создания антибиотиков, действующих на новые «мишени». Так, в настоящее время проводятся работы по созданию антибиотика, действующего против Helicobacter pylori: по данным геномного анализа предполагаемой мишенью действия этого нового антибиотика могут быть ферменты – участники обмена никеля в микроорганизме.
Вещества-предшественники в биосинтезе антибиотиков |
|
||
Антибиотик |
Продуцент |
Структурные элементы |
|
Пенициллины |
Penicillium chrysogenum |
Разнообразные алифатические, ациклические |
|
|
|
и ароматические карбоновые кислоты |
|
Цефалоспорин |
Acremonium chrysogenum |
S-Карбоксиметил-L-цистеин |
|
Блеомицин |
Streptomyces sp. |
Модифицированные амины |
|
Бацитрацин |
Bacillus licheniformis |
D-алло-Аминокислоты |
|
Стрептомицин |
Streptomyces griseus |
2-Дезоксистрептидин |
|
Комбинаторный биосинтез макролидных антибиотиков |
|
||
а Образование мультиферментного комплекса дезоксиэритронолид-В-синтазы (DEBS) 1–3 |
|||
Ген eryAI |
Ген eryAII |
Ген eryAIII |
|
|
|
Транскрипция и трансляция |
|
Начало |
Модуль 2 |
Модуль 4 |
Модуль 6 |
Модуль 1 |
Модуль 3 |
Модуль 5 |
Конец |
Генный кластер |
|
|
|
Мультиферментный комплекс |
|
|
|
Функциональные единицы |
|
|
|
мультиферментного комплекса |
|
|
|
Ацетилтрансфераза |
|
6-Дезоксиэритро- |
|
Белок – переносчик |
Дегидратаза |
нолид В (7) |
|
ацильной группы |
Замыкание |
||
Кетоацилсинтаза |
Еноилредуктаза |
кольца |
|
|
|
||
Кеторедуктаза |
Тиоэстераза |
|
|
б Многообразие вариантов, полученных методом комбинаторного биосинтеза |
Продукт |
||
|
|
|
|
|
|
Экспрессия, |
|
|
|
ферментация |
|
Вариант 1 |
|
|
|
Вариант 2 |
|
|
|
Вариант 3 |
|
|
|
Вариант 4 |
|
|
|
|
|
|
59 |