Антибиотики – это специфические продукты жизнедеятельности или их модификации различных м/о, низ. и высш. растений.

Культуры растительных клеток и получение лекарственных веществ. Методы контроля и идентификации (цитофизиологические, химические, биохимические, биологические) биомассы и препаратов. Лекарственные препараты, получаемые из культур клеток женьшеня, родиолы розовой,воробейника, стевии, наперстянки, табака.

Культура растительных клеток как источник лекарственных веществ

Природные запасы лекарственных растений уменьшаются, а синтез БАВ либо не осуществлен, либо нерентабелен. Поэтому технология по­лучения биомассы на основе культуры клеток приобретает большое значение для производства лекарственных средств.

Преимущества использования клеточных культур заключаются в следующем:

-решается проблема дефицита исходного сырья, особенно цен­ных исчезающих видов, не поддающихся плантационному куль­тивированию;

-возможно получение фитомассы, полностью свободной от гер­бицидов, пестицидов, тяжелых металлов и др.; имеется возможность получения новых веществ, не синтезируе­мых соответствующим целевым растением; возможно управление биосинтезом целевых продуктов за счет условий культивирования, состава питательной среды и други­ми способами;

-имеется возможность индустриализации и удешевления произ­водства некоторых БАВ, синтез которых пока не разработан или очень дорог.

Вместе с тем, развитие производства БАВ из изолированных кле­точных культур в промышленных масштабах сдерживается рядом при­чин. Некоторые культуры изолированных клеток и тканей либо не син­тезируют БАВ, характерные для соответствующего целого растения, либо вырабатывают их значительно меньше. В сравнении с микроорга­низмами растительные клетки растут значительно медленнее, время их удвоения в среднем в 20 раз больше, чем клеток микроорганизмов. Вследствие длительности производства высок риск инфекций и гибели культур. Кроме того, большие объемы суспензионных культур расти­тельных клеток состоят как из единичных клеток, так и агрегатов раз­личного размера, которые не идентичны, что усложняет процесс произ­водства БАВ. Вторичные метаболиты многих растительных культур не выделяются в питательную среду, что создает трудности их экстрагирования. Из-за больших размеров растительные клетки очень чувстви­тельны к перемешиванию и снабжению кислородом. Себестоимость производства лекарственных средств на основе культуры изолирован­ных растительных клеток достаточно высока. Промышленный выпуск такой продукции рентабелен лишь для особо ценных БАВ.

В настоящее время получено более 30 видов различных изолиро­ванных клеточных культур лекарственных растений, продуцирующих БАВ либо на уровне соответствующего интактного растения, либо в большем количестве.

Первый отечественный биопродукт из культуры изолированных клеток — настойка «Биоженьшень». Препарат получен на основе высокопродуктивного кле­точного штамма культуры клеток женьшеня и используется для изго­товления лосьонов, кремов, а также тонизирующих напитков. Комплекс гинзенозидов (сапонинов женьшеня), выделяемый из культуры тканей, предлагается в качестве противоэпилептического средства.

Культивируемые in vitro клетки раувольфии змеиной являются пер­спективным источником гипотензивных и противоаритмических индольных алкалоидов. Методами клеточной селекции с использованием химических мутагенов и оптимизации условий выращивания получен высокопродуктивный штамм, накапливающий противоаритмический алкалоид аймалин, содержание которого составляет около 50% от сум­мы алкалоидов, синтезируемых культурой.

Получены изолированные клеточные культуры из различных видов барбариса, а также василисника малого. Суспензионная клеточная куль­тура василисника малого продуцирует берберин - растительный анти­биотик и противоопухолевое средство, при этом более 80% синтези­руемых тканями алкалоидов секретируются в культуральную жидкость. В Японии налажено биотехнологическое производство противоопухо­левого алкалоида берберина из культуры клеток коптиса японского, а также производство нафтохинонового пигмента шиконина - природно­го антибиотика широкого спектра действия из культуры клеток Воро­бейника. На основе шиконина российские ученые разработали мазь «Эритромин», которая обладает антимикробной активностью в отноше­нии антибиотико-резистентных микроорганизмов, многих патогенных бактерий, а также грибов.

 

2.Антибиотики как биологические продукты. Методы скрининга продуцентов. Происхождение антибиотиков и эволюция их функций. Причины позднего накопления антибиотиков в ферментативной среде по сравнению с накоплением биомассы.

Антибиотики – это специфические продукты жизнедеятельности или их модификации различных м/о, низ. и высш. растений.

Антибиотики являются «средством преодоления стрессовых ситуаций» для м/о. Антибиотики для почвенных м/о являются не только средствами борьбы, они также являются низкомолекулярными «эффекторами» м/о; с их помощью м/о меняет свой метаболизм при неблагоприятных условиях (например, спорообразование).

Гипотезы возникновения антибиотиков.

1. При происхождении жизни на земле антибиотики являлись стимуляторами или ингибиторами процесса матричного синтеза - они являлись «реликтовыми молекулами» у первичных форм жизни. Но при возникновении рибосом, появились другие регуляторы, они оказались вытесненными и сохранились только у некоторых м/о. У этих м/о из стимуляторов синтеза белка они превратились в ингибиторы.

2. Антибиотики - случайные продукты м/о. Плазмида - кольцевая ДНК - циркулирует по микробным популяциям. При передаче плазмиды другому м/о в результате рекомбинаций и мутаций могут синтезироваться «случайные вещества», из которых образовались антибиотики.

Антибиотики являются веществами, которые вырабатываются одними м/о и подавляют рост других м/о или опухолевых клеток.

Полусинтетические антибиотики - это природные антибиотики, модифицированные ферментативным или химическим путем.

А/б – вторичные мет-ты, поэтому для их получения треб-ся созд-е стресс-х условий.

Пениц-P.chrisogenum, цеф-ны – Acremonium chrisogenum

 

5. Противогрибковые (полиеновые антибиотики). Противоопухолевые антибиотики. Механизм действия. Ферментативная внутриклеточная активации некоторых противоопухолевых антибиотиков.

Противогрибковые - (полиеновые) антибиотики – образуют поры в

цитопластической мембране грибов, взаимодействуя с ее стерольным

компонентом (эргостеролом).

- нистатин - Streptomyces noursei

- леворин – Actinomyces levorus

- амфотерцин - Streptomyces nodosus

В медицине применяют полимексины продуцированные спорообразующими почвенными бактериями Bacillus polymyxa.

По химическому строению явл сл соединениями включающие остатки полипептидов. Нарушают развитие цитоплазмотической мембраны у бактерий, повышают проницаемость.

противоопухолевые антибиотики - угнетают синтез нуклеиновых кислот клеток микро- и макроорганизмов.

- брунеомицин – Actinomyces albusvar bruneomycini

- митомицин – Streptomyces caespitosus.

 

Беталактамные антибиотики. Продуценты беталактамных АБ. Особенности строения клетки и цикла развития при ферментации. Роль фенилуксусной кислоты при биосинтезе пенициллина. Сборка углеродного скелета.

- пенициллины

-цефалоспорины.

На основе chrysogenum получены полусинтетичесие антибиотики из

пенициллина – полусинтетические пенициллины: оксациллин,

карбенициллин; из цефалоспорина С – цефалоспорины I,II, III, IY

поколения.

Первичные метаболиты (предшественники) b-лектамных антибиотиков –три аминокислоты: цистеин, валин, аминоадипиновая кислота.

Продуцентами пенициллинов и цефалоспоринов являются грибы.

Penicillum chrysogenum (пенициллины)

Acremonium chrysogenum (цефалоспорины).

Грибы – это организмы, которые имеют ядра, митохондрии, клеточную стенку, содержащую хитин, имеют сложный цикл развития. Помимо антибиотиков грибы используют для получения иммунодепрессанта – циклоспорина (продуцент – Tolypocladium inflatum), фузидина – антибиотика, в основе которого лежит стероидное ядро сердечных гликозидов (продуцент – гриб Fusidium coccineum).

Дрожжи являются продуцентами витаминов и ферментов.

Механизм действия b-лектамных антибиотиков. Они ингибируют синтез пептидогликана клеточной стенки на последнем этапе, подавляя активность фермента транспептидазы. Транспептидазы соединяют концы пептидных цепочек, на концах которых находится D-аланин, а b-лектамные антибиотики являются аналогами D-аланина и связываются с активным центром фермента, тем самым инактивируя его. В результате пептидные цепочки не замыкаются.

Актиномицеты – это многоклеточные бактерии. Актиномицеты не имеют ядра (вместо ядра имеется одна замкнутая нить ДНК), т.е. актиномицеты – прокариоты, не имеют митохондрий, имеют сложный цикл развития. Актиномицеты продуцируют следующие группы

антибиотиков:

Аминогликозиды – ингибируют синтез белка у бактерий, связываясь с малойрибосомной субъединицей, нарушая правильность считывания кодонов информационной РНК (иРНК) антикодонами транспортной РНК (тРНК).

-канамицин - Actinomyces kanamycetus

-неомицин - Actinomyces iracie.

Тетрациклины ингибируют белковый синтез, связывая аминоацил –тРНК с рибосомно-матричным комплексом,

-окситетрациклин – Аctinomyces ninesus/

макролиды гр. эритромицина – связываются с большой субъединицей

рибосомы.

пиранозиды (группы линкомицина – сходны с макролидами, они связываются с большой субъединицей рибосомы.

- линкомицин – Streptomyces linconiensis/

левомицетин (получают химическим путем) – ингибирует пептилтрансферазу большой рибосомальной субъединицы.

Природный левомицетин (хлорамфеникол) продуцируется Streptomyces

venezuelae.

Рифамицин – Streptomyces mediterranei, на основе рифамицина получен

рифампицин.

Рифампицин подавляет активность ДНК-зависимую РНК-полимеразу и темсамым блокирует синтез белка на уровне транскрипции.

противогрибковые - (полиеновые) антибиотики – образуют поры в

цитопластической мембране грибов, взаимодействуя с ее стерольным

компонентом (эргостеролом). (рис.)

- нистатин - Streptomyces noursei

- леворин – Actinomyces levorus

- амфотерцин - Streptomyces nodosus

противоопухолевые антибиотики - угнетают синтез нуклеиновых кислот

клеток микро- и макроорганизмов.

- брунеомицин – Actinomyces albusvar bruneomycini

- митомицин – Streptomyces caespitosus.

Бактерии – также способны к образоыванию антибиотиков. Образуют

антибиотики и большинство бацилл, которые являются спорообразующими

бактериями. В медицине применяют полимиксины, продуцируемые

спорообразующими почвенными бактериями Bacillus polymyxa.

Полимиксины (полимиксин, грамицидин) по химическому строению

являются сложными соединениями, включающими остатки полипептидов.

Они нарушают развитие цитоплазматической мембраны у бактерий,

повышают ее проницаемость.

Условия ферментации.

- в среде не должно быть глюкозы (нельзя использовать легко усвояемые источники углеводов), используют трудно усвояемые источники углеводов – например, крахмал.

- в качестве источника аммонийного азота используют соевую муку;

- должна быть небольшая концентрация фосфора.

Любые предшественники для получения антибиотической структуры надо добавлять не в «0» точке ферментации, а на 2-е, 3-и сутки (если продуцент – грибы или актиномицеты), когда антибиотики начинают синтезироваться (это относится, например, и к фенилуксусной кислоте (ФУК) при синтезе пенициллина, которую добавляют на вторые или третьи сутки биосинтеза пенициллина.

4. Синтез антибиотиков, образуемых актиномицетами: аминогликозиды, тетрациклины, макролиды, левомицетин. Сборка углеродного скелета. Фактор А и биосинтез стрептомицина.

Актиномицеты – это многоклеточные бактерии. Актиномицеты не имеют ядра (вместо ядра имеется одна замкнутая нить ДНК), т.е. актиномицеты – прокариоты, не имеют митохондрий, имеют сложный цикл развития.

Всего имеется 12 тысяч природных антибиотиков, из них 9 тысяч

антибиотиков продуцируют актиномицеты. Актиномицеты продуцируют антибиотики, ингибирующие синтез белка на рибосомах бактериальных клеток. Такой же механизм у противогрибковых и противоопухолевых антибиотиков. Актиномицеты продуцируют следующие группы антибиотиков:

Аминогликозиды – ингибируют синтез белка у бактерий, связываясь с малой рибосомной субъединицей, нарушая правильность считывания кодонов информационной РНК (иРНК) антикодонами транспортной РНК (тРНК).

-канамицин - Actinomyces kanamycetus

-неомицин - Actinomyces iracie.

Тетрациклины ингибируют белковый синтез, связывая аминоацил –тРНК с рибосомно-матричным комплексом,

-окситетрациклин – Аctinomyces ninesus/

макролиды гр. эритромицина – связываются с большой субъединицей

рибосомы.

пиранозиды (группы линкомицина – сходны с макролидами, они связываются с большой субъединицей рибосомы.

- линкомицин – Streptomyces linconiensis/

левомицетин (получают химическим путем) – ингибирует пептилтрансферазу большой рибосомальной субъединицы.

Природный левомицетин (хлорамфеникол) продуцируется Streptomyces

venezuelae.

Рифамицин – Streptomyces mediterranei, на основе рифамицина получен

рифампицин.

Рифампицин подавляет активность ДНК-зависимую РНК-полимеразу и тем самым блокирует синтез белка на уровне транскрипции.

А-фактор представляет собой 25-изокаприлоил-38-оксиметил-у-бутиролактон. Актиномицет одновременно синтезирует два гомолога.

А-фактор оказывает стимулирующее влияние на биосинтез стрептомицина у недостающих по А-фактору мутантов Str. griseus, а также принимает участие в образовании стрептомицина активными продуцентами этого антибиотика.

Нарушение образования А-фактора оказывает влияние на процессы, связанные с биосинтезом молекулы стрептомицина, — резко уменьшается активность амидинотрансферазы — фермента, участвующего в образовании стрептомицина.

Получен мутант продуцента стрептомицина, блокированный по биосинтезу стрептидина (такие мутанты называют идиотрофами). Образование антибиотика этим мутантом происходит лишь в том случае, если к среде добавлен стрептидин. С увеличением добавленного стрептидина синтез стрептомицина возрастает. Это указывает на то, что стрептидин целиком включается в молекулу стрептомицина, т. е. является ее предшественником.

Образование стрептомицина на 5-е сут, мкг/мл

В культуральной жидкости актиномицета, развивающегося без А-фактора, образуется другое вещество регуляторного характера, способное индуцировать переход развития актиномицета в стадию активного образования стрептомицина. Получен ряд мутантов Str. griseus с блоками биосинтеза стрептидина на разных этапах. Выделены мутанты продуцента стрептомицина, блокированные по биосинтезу стрептобиозамина. Добавление стрептобиозамина в среду, где развиваются полученные мутанты, способствовало увеличению образования стрептомицина в 3—6 раз. Использование стрептобиозамина происходит на относительно поздних стадиях развития актиномицета. Аналогичные приемы, широко применяемые при изучении процессов биосинтеза антибиотиков, получили название мутосинтез или мутационный синтез.

Приведенные результаты показывают, что в процессе образования стрептомицина участвует ряд регуляторных механизмов, выявление которых с помощью мутантных штаммов актиномицета поможет вскрыть истинные пути механизма биосинтеза молекулы стрептомицина.

Промышленное получение стрептомицина

Производство стрептомицина в настоящее время исчисляется тоннами. Увеличение производства антибиотика осуществлялось не только за счет расширения и увеличения числа промышленных предприятий, но и за счет, в основном, следующих трех мероприятий: 1) получение наиболее активных штаммов актиномицета — продуцента стрептомицина; 2) подбор наиболее благоприятных сред и других условий культивирования продуцента, обеспечивающих максимальный биосинтез стрептомицина, 3) разработка наиболее рациональных методов выделения и очистки антибиотика.

 

 

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: