Антибиотики –биологически активные вещества

Образование антибиотиков — это наследственно закреп­ленная особенность метаболизма микроорганизмов, прояв­ляющаяся в том, что каждый вид (или даже штамм) спосо­бен продуцировать один или несколько строго специфичных для него антибиотических веществ, что является результатом эволюции данного микроорганизма.

Специфичность действия антибиотиков объясняется:

— их высокой биологической активностью в отношении Чувствительных к ним организмов, т. е. способностью про­длять эффект даже в очень низких концентрациях;

— избирательностью действия, т. е. способностью конкретного антибиотика проявлять свое действие лишь в отношении определенных организмов или групп организмов, не оказывая заметного эффекта на другие формы живых существ.

Величину биологической активности антибиотиков выражают в условных единицах, содержащихся в 1 мл (ед/мл) или в 1 мг (ед/мг) препарата.

За единицу антибиотической активности принято минимальное количество антибиотика, способное подавить развитие или задержать рост определенного числа клеток стандартного штамма тест-микроб единице объема питательной среды.

Так, за единицу активности пенициллина принято минимальное количество препарата, способное задерживать рост золотистого стафилококка (штамм 209)

в 50 мл питательного бульона; стрептомицина единица активности — минимальное количество антибиотика, задерживающее рост Е. coli в 1 мл питательного бульона.

Синтез микроорганизмами антибиотиков — одна из форм проявления антагонизма, который связан с определенным характером обмена веществ, возникшим и закреп­ленным в ходе эволюции. Воздействуя на постороннюю микробную клетку, это соединение вызывает нарушения в ее развитии. Антибиотики способны подавлять синтез обо­лочки бактериальной клетки в период размножения, изме­нять проницаемость цитоплазматической мембраны или ингибировать реакции обмена веществ.

Классификация антибиотиков может быть осуществ­лена:

— по принципу их биологического происхождения (предпочтительна для биологов, изучающих организмы-продуценты антибиотических веществ);

— по химическому строению (удобна для химиков, за­нимающихся изучением строения молекул антибиотиков и путей их синтеза);

— по типу и механизму биологического действия (принята в медицинской практике). В этом случае тип действия антибиотиков бывает «цидным» (бактерицидным, фунгицидным, вирицидным, протозоацидным), под которым понима­ют необратимое нарушение жизнедеятельности (гибель) инфекционного агента, и

статическим (бактериостатическй фунгистатическим, виристатическим, протозоостатическимл при котором прекращается или приостанавливается размножение возбудителя. Такая градация имеет основное практическое значение при лечении тяжелых инфекций,особенно у пациентов с нарушениями иммунитета, когда обязательно назначение «цидных» препаратов.

В зависимости от места приложения и механизма биологического действия, антибиотики подразделяют на:

- специфические ингибиторы биосинтеза клеточной стенки (пенициллины, цефалоспорины, цефамицины и др.);

- препараты, нарушающие молекулярную организацию и функции клеточных мембран (полимиксины, полиены);

- препараты, подавляющие синтез белка на уровне рибосом (макролиды, тетрациклины, левомицетин, фузидин); _

- ингибиторы синтеза РНК на уровне РНК-полимеразы и ингибиторы, действующие на метаболизм фолиевой кис­лоты (рифампицины);

- ингибиторы синтеза РНК на уровне ДНК-матрицы (актиномицины и др.);

- ингибиторы синтеза ДНК на уровне ДНК-матрицы (антрациклины, митомицин С, нитрофураны, налидиксовая кислота).

При выделенном возбудителе назначают антибиотики с максимально узким спектром активности, так как «избы­точная» широта спектра не дает преимуществ и опасна с точки зрения подавления нормальной микрофлоры.

В настоящее время установлена полная химическая структура только для трети антибиотиков, продуцируемых микроорганизмами, а химическим путем может быть полу­чена лишь половина из них.

В связи с возросшей сложно­стью выделения эффективных антибиотиков и распростра­нением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий су­ществует потребность в новых соединениях. Для этого ис­следователи перешли от поиска новых антибиотиков к мо­дификации структуры уже имеющихся. Они стремятся повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от «активации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. В некоторых случаях природные микробные антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более высокими терапевтическими свойствами.

Современное промышленное получение антибиотиков

это сложная многоступенчатая биотехнологическая схема, состоящая из ряда последовательных стадий (

1) стадия биосинтеза (образования) антибиотика основная биологическая стадия процесса получения антибиотика. Необходимо создание оптимальных условий развития продуцента и максимально возможного биосинтеза антибиотика;

2) стадия предварительной обработки культуральной жидкости, клеток (мицелия) микроорганизма и фильтрации ции (отделение культуральной жидкости от биомассы продуцента). Определяется составом реды, характером роста продуцента, местом накопления биологически активного соединения (в культуральной жидкости или внутриклеточно)

3) стадия выделения и очистки антибиотика. В качестве основных методов применяют экстракцию, осаждение, сорб­цию на ионообменных материалах, упаривание, сушку;

4) стадия получения готовой продукции, изготовления лекарственных форм, расфасовки.

Для максимального выхода антибиотика при культиви­ровании продуцента необходим комплекс мер, включаю­щий подбор питательных сред, высокопродуктивных штам­мов микроорганизмов и режимов их культивирования.

Микроорганизмы, производящие различные метаболи­ты, в том числе и антибиотики, вначале проходят стадию быстрого роста (тропофазу), во время которой синтез этих веществ незначителен. По мере замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питатель­ных веществ в культуральной среде микроорганизм перехо­дит в идиофазу; именно в этот период синтезируются идиолиты.

Эти особенности культурального роста необходимо учитывать в производственном процессе. Например, в случае антибиотиков большинство микроорганизмов в стадии тропофазы чувствительны к собственным антибиотикам, а во время идиофазы становятся устойчивыми к ним. Чтобы уберечь микроорганизмы, продуцирующие антибиотики, от уничтожения, важно быстро достичь идиофазы и затем к культивировать микроорганизмы в этой фазе. Это достигается путем варьирования режимов культивирования и питательной среды на стадиях быстрого и медленного роста.

Новые антибиотики с уникальными свойствами и специфичностью можно получить путем генно-инженерных манипуляций с генами, участвующими в биосинтезе известных антибиотиков.

Большой эффект здесь дать технология рекомбинантных ДНК: с ее помощью но создавать новые антибиотики с уникальной структурой оказывающие более мощное действие на определенные микроорганизмы и обладающие минимальными побочными эффектами. Генно-инженерные подходы можно использо­вать для увеличения выхода антибиотиков и снижения стоимости их производства.

Большинство исследований было сосредоточено на пенициллинах и цефалоспоринах, структура которых включает четырехчленное (3-лактамное кольцо.

Добавление к (3-лак-тамному кольцу метоксильной (СН₃О)-группы привело к появлению цефамицинов, близких к цефалоспоринам и эф­фективных как против грамотрицательных, так и против пенициллиноустойчивых микробов.

Полусинтез состоит в замене химическим путем одной боковой цепи

(3-лактамного кольца на другую в полученной ферментацией молекуле. Устойчивость к пенициллинам и цефалоспоринам связана с наличием ферментов, так называемых (3-лактамаз, которые широко распространены среди бактерий, актиномицетов, цианобактерий и дрожжей. Так как гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид, устойчивость мо­жет передаваться при переносе плазмид от одного бактери­ального штамма к другому.

Исследователи фирмы «Мерк, Шарп и Доум» открыли новый класс

(3-лактамных антибиотиков — тиенамицины, " продуцируемые Streptomyces cattleya. Тиенамицины чрезвы­чайно эффективны против грамположительных и грамотрица тельных бактерий, а также способны ингибировать (3-лактамазы, что значительно повышает возможности этих антибиков. К ингибиторам (3-лактамаз относятся также клавулановая и оливановая кислоты, идентифицированные исследователями английской фармацевтической компании «Бичем»

Компания выпустила новый антибиотик — аугментин, — который представляет собой комбинацию |3-лактамного антибиотика амоксициллина и клавулановой кислоты.

Синтез антибиотика является результатом действия 10-30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить его выход. В промышленных штаммах Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens выход пенициллина или тетрациклина удалось повысить с нескольких миллиграм­мов на литр (штамм дикого типа) до 20 г/л и более. Эти высокопродуктивные штаммы были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции.

В результате мутаций появились новые вторичные мета­болиты, в том числе 6-диметилхлортетрациклин и 6-диметилтетрациклин. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину моле­кулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза при­вела к открытию новых производных антибиотиков, в том числе принадлежащих к аминоциклитольной группе.

Создание новых и совершенствование существующих технологий получения антибиотиков, разработка экологи­чески чистых безотходных технологий получения высоко­качественных препаратов — важнейшая задача современ­ной биотехнологии. В основном антибиотики применяют для борьбы с болезнями человека, животных и растений, как стимуляторы роста животных, при консервировании продуктов, в научных исследованиях (в биохимии, молекулярной биологии, генетике, онкологии).Традиционно антибактериальные препараты подразде­ляют на:

природные (собственно антибиотики, например пенициллин

полусинтетические (продукты модификации природных молекул, например амоксициллин, цефазолин);

синтетические (например, сульфаниламиды, нитрофураны).

Антибиотики используют для предотвращения и лечения воспалительных процессов, вызванных бактериальной микрофлорой. Они избирательно угнетают жизнеде ность микроорганизмов. Под избирательным действием понимают активность только в отношении определенных родов и видов микроорганизмов при сохранении жизнеспособности клеток хозяина.

Антибиотики представляют собой самую многочисленную группу лекарственных средств. Так, в России в настоящее время используется 30 различных групп антибиотиков, а число препаратов приближается к 200. Ежегодно во всем мире производится 100 тыс. т антибиотиков на сумму примерно 5 млрд долларов, причем более 100 млрд долларов приходится на долю антибиотиков, добавляемых в корм скоту в качестве добавок или ускорителей роста.

Все антибиотики, несмотря на различия химической структуры и механизма действия, объединяет ряд уникаль­ных качеств.

Во-первых, уникальность антибиотиков заключается в том, что, в отличие от большинства других лекарственных средств, их мишень-рецептор находится не в тканях чело­века, а в клетке микроорганизма.

Во-вторых, активность антибиотиков не является посто­янной, а снижается со временем, что обусловлено формиро­ванием лекарственной устойчивости (резистентности). Антибиотикорезистентность — неизбежное биологическое яв­ление, и предотвратить ее практически невозможно.

В-третьих, антибиотикорезистентные микроорганизмы представляют опасность не только для пациента, у которо­го они были выделены, но и для многих других людей, даже разделенных временем и пространством. Поэтому борьба с антибиотикорезистентностью в настоящее время приобрела глобальные масштабы.

В течение многих лет антибиотики используют как стимуляторы роста сельскохозяйственных животных и г как средство борьбы с заболеваниями растении и посторонней микрофлорой в ряде бродильных производств, как консерванты пищевых продуктов. Механизм стимулирующего действия антибиотиков также не до конца выяснен, полагают, что стимулирующий эффект низких концентраций антибиотиков на организм животного связан с двумя фактороми:

-воздействием на микрофлору кишечника;

-непосредственным влиянием на организм животного.

В первом случае антибиотики снижают число вредных и увеличивают количество полезных для организма микроорганизмов, во втором — снижают рН содержимого кишечника и уменьшают поверхностное натяжение клеток организма, что способствует ускорению их деления. Кроме того, антибиотики увеличивают количество ростовых гормонов, улучшают приспособляемость организма к неблагоприят­ным условиям и т. д.

Кормовые антибиотики применяют в виде неочищенных препаратов, представляющих собой высушенную массу про­дуцента, содержащую, помимо антибиотика, аминокисло­ты, ферменты, витамины группы В и другие биологически активные вещества.

Все производимые кормовые антибио­тики:

— не используются в терапевтических целях и не вызы­вают перекрестной резистентности бактерий к антибиоти­кам, применяемым в медицине;

— практически не всасываются в кровь из пищевари­тельного тракта;

— не меняют своей структуры в организме;

— не обладают антигенной природой, способствующей возникновению аллергии.

В настоящее время производится несколько видов кор­мовых антибиотиков: препараты на основе хлортетрациклина (биовит, кормовой биомицин),

бацитрацин, гризин, гигомицин Б и др.

Из этих препаратов только бацитрацин представляет собой высушенную культуральную жидкость,полученную в результате глубинного выращивания Bacillus licheniformis. Остальные антибиотики являются продуктами жизнедеятельности разных видов Actinomyces.

Антибиотики используют и как средство борьбы с различными фитопатогенами. Действие антибиотика сводится к замелению роста и гибели фитопатогенных микроорганизмов, содержащихся в семенах и вегетативных органах растений. К таким антибиотикам относятся фитобактериомицин, трихотецин, полимицин.

Применение антибиотиков в пищевой промыщлен позволяет снизить длительность термообработки продуктов питания при их консервировании. Используемые антибиотики воздействуют на клостридиальные и термофильные бактерии, устойчивые к нагреванию. Наиболее эффективным признан низин, который практически не токсичен для человека и позволяет вдвое снизить время термообработки