ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

к лабораторному занятию по курсу «Биотехнология» для студентов 4-го курса фармацевтического факультета и ФПИГ по специальности «Фармация» по теме:

«Получение лекарственных средств как продуктов вторичного метаболизма. Биосинтез антибиотиков, стероидов»

1. Понятие о вторичных метаболитах жизнедеятельности микроорганизмов

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты, называемые также идиолитами, это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Они производятся ограниченным числом таксономических групп (в основном нитчатыми бактериями, грибами и спорообразующими бактериями). Эти метаболиты представляют собой смесь близкородственных соединений, относящихся к одной и той же химической группе, являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Рост микроорганизмов можно охарактеризовать как S - образную кривую (ярко выраженную двухфазность). Первая стадия - стадия быстрого роста, или логарифмическая, для которой характерен синтез первичных метаболитов. Далее наступает фаза медленного роста, когда увеличение биомассы клеток резко замедляется. Микроорганизмы, производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста, тропофазу, во время которой синтез вторичных 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. Идиолиты, или вторичные метаболиты, не играют явной роли в процессах метаболизма, они вырабатываются клетками для адаптации к условиям окружающей среды, например, для защиты. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения которого был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

2. Антибиотики.

Современное определение термина «антибиотик» (от anti — против, bios — жизнь) дано в 1961 г. М.М. Шемякиным и А.С. Хохловым, которые предложили считать антибиотическими веществами все продукты обмена любых организмов, способные избирательно убивать или подавлять рост и развитие микроорганизмов. Их продуцируют не только клетки микроорганизмов и растений, но и клетки животных. Антибиотики растительного происхождения называют фитонцидами. Это хлорелин, томатин, сативин, получаемый из чеснока, и алин, выделяемый из лука.

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).

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. 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. Антибиотики чаще всего они синтезируются актиномицетами, реже — бактериями. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces (в частности, только один вид Streptomyces griseus синтезирует более 50 антибиотиков).

Наиболее распространенными с коммерческой точки зрения антибиотиками оказались пенициллины, цефалоспорины и тетрациклины.

По оценкам ВОЗ, каждый год ученые обнаруживают от 100 до 200 новых антибиотиков, прежде всего в рамках обширных исследовательских программ по поиску среди 260 тысяч различных микроорганизмов таких, которые синтезировали бы уникальные антибиотики. Получение, лабораторные и клинические испытания новых лекарственных средств обходятся дорого, поэтому до применения доходят только те из них, которые имеют большую терапевтическую ценность и представляют экономический интерес. Это всего лишь 1-2 % от всех обнаруживаемых антибиотиков.

Специфичность действия антибиотиков объясняется:

- их высокой биологической активностью в отношении чувствительных к ним организмов, т. е. способностью проявлять 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;

- активность антибиотиков не является постоянной, а снижается со временем, что обусловлено формированием лекарственной устойчивости (резистентности). Антибиотикорезистентность — неизбежное биологическое явление, и предотвратить ее практически невозможно. Такое привыкание происходит не быстро, а в течение 10-15 лет;

- 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.

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-микроба в 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; для стрептомицина единица активности — минимальное количество антибиотика, задерживающее рост Е. сой в 1 мл питательного бульона.

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). Традиционно антибактериальные препараты подразделяют на:

• природные (собственно антибиотики, например пенициллин);

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

— синтетические (например, сульфаниламиды, нитрофураны).

- 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 (бактериостатическим, фунгистатическим, виристатическим, протозоостатическим), 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.