Биосинтез в производстве лекарственных веществ.

Синтез антибиотиков

С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в различных сферах практической деятельности человека. К ним относят хлебопечение, виноделие, приготовление кисломолочных продуктов и другие. Однако биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь в 19 веке благодаря работам Луи Пастера. В первой половине 20 века сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов.

В современном звучании биотехнология – это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

Учение об антибиотиках - молодая синтетическая ветвь современного естествознания. Впервые в 1940 году был получен в кристаллическом виде замечательный химиотерапевтический препарат микробного происхождения, открывший эру антибиотиков, - пенициллин. Многие ученые мечтали о создании таких препаратов, которые можно было бы использовать при лечении различных заболеваний человека, способных убивать патогенные бактерии, не оказывая вредного воздействия на организм больного.

Антибиотики - это химические соединения биологического происхождения, оказывающие повреждающее или губительное действие на микроорганизмы. Антибиотики, применяемые в медицинской практике, продуцируются актиномицетами (лучистыми грибами), плесневыми грибами, а также некоторыми бактериями.

Существуют антибиотики с антибактериальным, противогрибковым и противоопухолевым действием. В основе действия антибиотических веществ лежит антибиоз, то есть явление антагонизма микроорганизмов, открытое впервые в 80-тых годах 19 века Л. Пастером. Сущность этого явления заключается в том, что одни микроорганизмы выделяют в окружающую среду различные вещества, способные подавлять рост и размножение других микроорганизмов.

Количественное определение антибиотиков осуществляют биологическим методом, основанным на сравнительной оценке угнетения роста тестовых микроорганизмов. По методу диффузии в агар сравнивают действие определенных концентраций испытуемого и стандартного образцов антибиотиков на тест-микроорганизм. Рабочие стандарты выпускают в запаянных ампулах нейтрального стекла и хранят при температуре не более 0^оС.

Выражение величины антибиотической активности антибиотиков производят в условных единицах - ЕД (единица действия), содержащихся в 1 мл раствора (ед./мл) или в 1 мг препарата (ед /мг). Единицей антибиотической активности пенициллина считают минимальное количество препарата, способное задерживать рост золотистого стафилококка штамм 209 в 50 мл питательного бульона.

Более половины известных антибиотиков продуцируют лучистые грибы рода Streptomyces - актиномицеты (стрептомицеты). К этой группе относятся стрептомицин и другие антибиотики-гликозиды, тетрациклины, левомицетин, антибиотики макролиды (эритромицин), полиеновые антибиотики (нистатин) и другие.

Другим важным продуцентом являются плесневые грибы рода Penicillium. Они осуществляют биосинтез пенициллинов, а также некоторых противоопухолевых и противовирусных антибиотиков.

Бактерии, в основном рода Bacillus, продуцируют большинство антибиотиков-полипептидов (грамицидин и другие).

Известна небольшая группа антибиотиков, образуемая лишайниками, водорослями и другими низшими растениями.

Способы получения антибиотиков можно подразделить на три основные группы:

1. микробиологический синтез на основе плесневых или лучистых грибов;

2. химический синтез из простых органических веществ. Его используют для получения антибиотиков с несложной химической структурой (левомицетин и другие);

3. сочетание микробиологического и химического синтезов. На основе трансформации молекул природных антибиотиков получают полусинтетические антибиотики (полусинтетические пенициллины, цефалоспорины, тетрациклины).

Получение большинства природных антибиотиков основано на биосинтезе, который осуществляется в клетке микроорганизма. Микробная клетка играет роль сложнейшей химической лаборатории, в которой происходят очень тонкие процессы, недоступные пока для органического синтеза. Для их проведения не требуется высоких температур, повышенного давления.

Разработка промышленного получения антибиотиков с помощью микробиологического синтеза включает такие основные этапы как изыскание высокопроизводительных штаммов продуцентов, подбор питательных сред, процесс ферментации, выделение и очистку антибиотиков. Отобранные наиболее активные образцы штаммов микроорганизмов, которые образуют вещества, бактериостатически действующие на болезнетворные микробы, подвергают селекции. Для этого используют искусственную мутацию, действуя на природный продуцент различными физическими факторами (ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями, быстрыми нейтронами) или химическими веществами. В результате воздействия этими мутагенами можно получить штамм, который продуцирует в десятки и даже сотни раз больше антибиотика, чем исходный (природный).

Биосинтез выполняют в специальных аппаратах – ферментаторах вместимостью до нескольких десятков тысяч литров. Ферментацию обычно проводят "глубинным способом". Он заключается в том, что рост плесени и образование антибиотика происходит во всей толще ферментационной массы.

Каждый из микроорганизмов требует специальных условий ферментации: температуры, подачи воздуха (аэрации), определенной продолжительности процесса. Для обеспечения жизнедеятельности микроорганизма и максимального накопления антибиотика необходимы специальные питательные среды. Регулируя состав ингредиентов питательных сред, можно влиять на выход антибиотика. Питательные среды сначала подают в посевные аппараты, где происходит выращивание культур. Затем смесь культуры и питательной среды перемещают в ферментатор, где происходит процесс биосинтеза. Антибиотик выделяют из культуральной жидкости осаждением с помощью хроматографии или экстракцией. Очистку антибиотика-сырца производят хроматографическим методом или противоточной экстракцией с последующей перекристаллизацией. Кристаллический антибиотик подвергают тщательному химическому и биологическому контролю. Весь процесс производства антибиотика осуществляют в строго асептических условиях.

В настоящее время описано несколько тысяч антибиотических веществ. Разобраться в них можно только при соответствующей классификации. Сложилось несколько подходов к классификации антибиотиков, определяемых профессиональными интересами ученых. Для биологов в основу классификации положен принцип биологического происхождения антибиотиков. Для химиков, изучающих строение молекул антибиотиков и разрабатывающих пути их химического синтеза, принята классификация по химическому строению.

При выполнении микробиологических и других медико-биологических исследований используют классификацию по спектру микробного действия. Различают антибиотики, активные в отношении грамположительных микроорганизмов (пенициллины и другие); антибиотики, воздействующие как на грамположительные, так и на грамотрицательные микроорганизмы (стрептомицин, цефалоспорины, неомицины); антибиотики широкого бактериального действия (тетрациклины, левомицетин и другие).

Бактерии в соответствии с предложенной Грамом систематикой делятся на два класса: грамположительные и грамотрицательные. Грамотрицательные бактерии более устойчивы к антибактериальным препаратам, чем грамположительные. Для борьбы с ними необходимы более сильнодействующие препараты.

По типу действия антибиотики делятся на бактериостатические (ограничивающие рост бактерий) и бактерицидные (убивающие бактерии).

Антибиотики имеют различное химическое строение. Применяемые в медицине антибиотики относятся к следующим группам:

1. антибиотики алициклического строения (тетрациклины и их полусинтетические аналоги);

2. антибиотики ароматического ряда (левомицетин);

3. антибиотики гетероциклической структуры (пенициллины и их полусинтетические аналоги, цефалоспорины);

4. антибиотики-гликозиды (стрептомицин), аминогликозиды, макролиды (эритромицин) и другие;

5. антибиотики хиноидной структуры с противоопухолевым действием;

6. антибиотики-полипептиды (грамицидин и другие).

Антибиотики должны обладать следующим минимальным набором свойств: способностью проникать сквозь наружные слои клеточной стенки бактерий; высокой стабильностью к инактивирующему действию клеточных ферментов (в первую очередь к действию b-лактамаз); высоким сродством к ферментам-мишеням, ответственным за биосинтез клеточной стенки бактерий.

Пенициллины

Открытие пенициллина положило начало широкому поиску антибиотиков и их успешному применению в медицинской практике. Несмотря на получение большого числа таких препаратов, пенициллины по совокупности свойств (высокой активности, хорошей переносимости, низкой токсичности) считаются одними из лучших антибиотиков.

Часть пенициллинов получают из культуральной среды, на которой произрастают определенные штаммы плесневых грибов, являющихся продуцентами пенициллинов. Это биосинтетические пенициллины. Кроме того, путем химической модификации структурной основы естественного пенициллина создан ряд полусинтетических пенициллинов.

Структурной основой природных и полусинтетических пенициллинов является 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК), которая включает конденсированные тиазолиновый (А) и лактамный (В) циклы:

Лактамный цикл впервые был обнаружен в природных пенициллинах и отличается высокой лабильностью к воздействию различных факторов.

В практической медицине наибольшее распространение получил бензил-пенициллин, выпускаемый в виде ряда солей. Все соли бензилпенициллина предназначены для парентерального применения, так как разрушаются в кислой среде желудка.

Хорошо растворимые натриевая и калиевая соли бензилпенициллина действуют кратковременно (3 - 4 часа). Поэтому необходимы частые инъекции.

В качестве длительно действующих препаратов большое значение приобрели плохо растворимые соли бензилпенициллина. Их вводят внутримышечно, и они медленно всасываются из места введения. Это например - новокаиновая соль бензилпенициллина, бициллины.

Препараты бензилпенициллина применяют при инфекциях, вызванных чувствительными к ним микроорганизмами (в основном, грамположительными). Они активны при пневмониях, гнойных инфекциях, ангине, дифтерии, сифилисе, гонорее, ревматизме и других заболеваниях.

Феноксиметилпенициллин - это препарат эффективный при приеме внутрь.

Он был получен при добавлении в ферментационную среду феноксиуксусной кислоты. Феноксиметилпенициллин кислотоустойчив и его назначают внутрь в таблетках.

Все биосинтетические пенициллины разрушаются пенициллиназой – ферментом, который вырабатывают ряд микроорганизмов, например, некоторые штаммы стафилококков.