Курс лекций по биотехнологии - часть 19

 

  Главная      Учебники - Разные     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..  17  18  19  20   ..

 

 

Курс лекций по биотехнологии - часть 19

 

 

 

145

Глава 7. Проблемы  поиска,  создания  и  применения  антибиотиков  в 

медицинской практике       

7.1.   Антибиотики как вторичные метаболиты и их продуценты 

      История науки об антибиотиках началась с того момента, когда  лондон-

ский  микробиолог  А.Флеминг  обнаружил  в 1929 году  на  агаровой  среде  в 

чашке  Петри, засеянной  стафилококком, колонию  плесневого гриба из  рода 

Penicillinum,  образовавшуюся  в  результате  случайно  попавшей  на  агар  из 

воздуха  споры  этого  гриба.  Он  заметил  вокруг  колонии  зону  прозрачного 

агара.  Гриб  образовывал  антибиотик  пенициллин,  который  не  только 

останавливал размножение стафилококка, но и вызывал последующий лизис 

его  клеток. Однако  в  очищенном  состоянии  пенициллин  был  выделен  лишь 

спустя десятилетие, в начале второй мировой войны,

 

когда с особой остротой 

встала проблема борьбы с раневой инфекцией.            

Под  названием  «антибиотики»  объединены  вещества,  образуемые 

микроорганизмами 

и 

избирательно 

подавляющие 

рост 

других 

микроорганизмов. Позднее это понятие было распространено и на продукты 

их  химической  модификации,  что  получило  отражение  в  наименовании 

«полусинтетические 

антибиотики». 

Некоторые 

из 

антимикробных 

антибиотиков обладают способностью подавлять рост опухолевых клеток,  

в  связи  с  чем  появился  еще  один  новый  термин  -  противоопухолевые 

антибиотики.  Именно  антибиотики,  использование  которых  в  медицинской 

практике  при  инфекционных  заболеваниях  началось  в 40-х  годах  прошлого 

столетия,  вызвали  (за  счет  снижения  смертности)  резкие  демографические 

изменения глобального масштаба, быстрый рост населения в развивающихся 

странах,  увеличение  продолжительности  жизни  в  развитых    странах  и  т.д.     

На  мировом  рынке  годовая  стоимость  продукции  промышленности 

антибиотиков  сейчас  превышает 20 млрд.  долларов  и    продолжает 

стремительно возрастать.  

 

146

Важнейшая  характерная  черта  антибиотиков - их  избирательность  действия 

на  метаболизм.  Обычно,  из  нескольких  тысяч  метаболических  реакций, 

антибиотик  подавляет  только  одну  или  несколько.  В  этом  отношении 

антибиотики  противопоставляются  антисептикам,  активность  которых 

значительно  ниже  (антибиотики  угнетают  рост  микроорганизмов  в 

концентрации порядка 1 мкг/мл и меньше). 

Антибиотики  принадлежат  к  самым  различным  классам  химических 

соединений.  В  настоящее  время  известно  около 14000 природных 

антибиотиков,  образуемых  микроорганизмами.  Из  них  в  медицинской 

практике  нашли  применение  около 200. К  антибиотикам  относятся  только 

низкомолекулярные  вещества,  а  именно  с  молекулярной  массой  не  более 

нескольких 

тысяч 

дальтон. 

Однако, 

большинство 

антибиотиков, 

применяемых  в  медицине,  имеет  молекулярную  массу  в  пределах  одной 

тысячи  дальтон.  Образуемые  микроорганизмами  литические  ферменты, 

несмотря  на  их  антимикробную  активность  к  антибиотикам  не  относятся 

(белки токсины). 

Антибиотики  высокоэффективны  при  инфекционных  заболеваниях, 

вызываемых 

большинством 

грамположительных, 

грамотрицательных 

бактерий  и  многими  патогенными  грибами.  Также  они  с  успехом 

используются  при  некоторых  инфекциях,  вызываемых  простейшими, 

риккетсиями и крупными вирусами. 

Успех  лечения  зависит  от  выбора  антибиотика    для  индивидуального 

больного.  Антимикробный  спектр  действия  всех  применяемых  в 

медицинской 

практике 

антибиотиков 

известен, 

а 

вот 

видовая 

принадлежность и свойства возбудителя инфекции у конкретного  больного, 

как  правило, -  не  известны.      В  тоже  время  лечение,  особенно  при  тяжело 

протекающем  заболевании,  должно  быть  начато    своевременно.  Осмотр  и 

опрос  больного,  предварительные  выводы  о  локализации  и  характере 

инфекций,  обычно  позволяют    врачу  остановиться  на  одном  из  так 

 

147

называемых  «антибиотиков  выбора».  Однако,  независимо  от  этого, 

рациональная и целенаправленная антибиотикотерапия  должна базироваться 

на тщательной бактериологической диагностике заболевания  с  выделением,  

идентификацией  возбудителя  и  оценкой  его  чувствительности  к  ряду 

препаратов,  для  того,  чтобы  выбрать    наиболее  эффективный    для  лечения 

антибиотик.  Для  определения  чувствительности  возбудителя  используются 

стандартные,  бумажные  диски,  пропитанные  раствором  антибиотика  и 

высушенные.  Диски  раскладываются  на  поверхности  твердой  питательной 

среды,  засеянной  культурой  возбудителя  и  после  инкубации  в  термостате 

определяется  величина  зоны  подавления  роста  диффундирующим  в  агар 

антибиотиком.  В  настоящее  время  в  клинических  микробиологических 

лабораториях  используются  автоматизированные  системы,  позволяющие 

быстро  проводить  большое  количество  таких  определений.  Иногда,  после 

сопоставления  чувствительности  возбудителя  к  разным  антибиотикам,  уже 

применявшийся  «антибиотик  выбора»  заменяют  или  дополняют  другим 

препаратом,  более  эффективным  в  каждом  конкретном  случае.  Частой 

причиной  такой  замены  является  распространение  среди  патогенных 

микроорганизмов  штаммов,  устойчивых  (резистентных)  к  тому  или  иному 

антибиотику.  Тем  не  менее,  набор  имеющихся  в  распоряжении  врача 

антибиотиков,  как  природных,  так  и  полусинтетических,  не  гарантирует  

полного успеха антибиотикотерапии. 

Известно,  что  антибиотики    не  являются  первичными  метаболитами.  Как 

правило, их структура резко отличается от

 

первичных метаболитов. Иногда в 

их  молекуле  в  качестве  фрагментов  обнаруживаются  как  необычные  для 

организмов 

структуры, 

так 

и 

аналоги 

метаболитов, 

например,  

аминоциклитол  и  аминосахара  у  аминогликозидов;  макроциклические 

лактоны  и  аминосахара  у  макролидов  и  полиенов. В  отличие  от  первичных 

метаболитов 

(предшественников 

макромолекулярных 

соединений) 

антибиотики,  за  редкими  исключениями,  вообще  не  обнаруживаются  во 

 

148

время  первых  часов  сутки  роста  культуры.  Так,  образуемые  грибами  или 

актиномицетами  антибиотики,  можно  выявить  в  культуральной  жидкости 

или  мицелии  продуцента  только  на  вторые - третьи  сутки  роста,  причем  в 

незначительных количествах. Максимум их накопления наступает на пятые - 

шестые сутки. 

Несмотря  на  то,  что  при  синтезе  или  «сборке»  молекулы  антибиотика 

используются  первичные  метаболиты  (аминокислоты,  сахара,  жирные 

кислоты, пурины и т.д.), образование антибиотика подчиняется общим зако-

нам  внутриклеточной  регуляции,  то  есть  он  становится  необходимым  для 

своего продуцента. 

Существует несколько предположений о биологической роли антибиотиков. 

Наиболее  распространенной  считается  гипотеза  о  том,  что  антибиотики 

являются  средством  преодоления  «стрессовых»  ситуаций  для  продуцента, 

независимо от того, чем вызвана такая ситуация - исчерпанием питательных 

веществ  в  результате  роста  культуры  конкурента,  или  в  результате 

размножения  клеток  своей  же  культуры,  переходящей  в  этом  случае  к 

спорообразованию. 

Образование  антибиотика  определенной  структуры  не  является  строго 

видоспецифическим  признаком.  Принадлежащие  к  одному  виду  штаммы, 

выделенные  из  природных  источников,  могут  иногда  образовывать  разные 

антибиотики. Особенно много таких примеров относится к виду Streptomyces 

riseus.  Разные  штаммы  этого  вида  могут  образовывать  резко  отличающиеся 

по  структуре  антибиотики:  например,  аминогликозидный  антибиотик 

стрептомицин,  полиеновый  антибиотик  кандицидин,  антибиотик  пептидной 

структуры  виридогризеин.  С  другой  стороны,  штаммы  микроорганизмов, 

отнюдь  не  близкие  по  своему  систематическому  положению,  могут  иногда 

образовывать сходные структуры. Так, цефалоспорины образуются не только 

грибами,  но  и  актиномицетами (в  последнем  случае  они  получили название 

цефаминов).  Здесь  же  следует  отметить,  что  антибиотики,  ключевым 

 

149

компонентом  которых  является  беталактамное  ядро,  образуются  не  только 

грибами  и  актиномицетами,  но  и  отдельными  штаммами  некоторых  видов 

бактерий, в том числе даже  и неспорообразующих. 

Все  эти  данные  трудно  объяснить,  исходя  из  того,  что  каждый 

антибиотик  играет  специфическую  роль  в  метаболизме  своего  продуцента. 

Японский  исследователь  Умезава  (открывший  несколько  ценных  для 

практики  антимикробных  и  противоопухолевых  антибиотиков)  даже  вы-

двинул гипотезу об антибиотиках как случайных для штамма веществах. Он 

предположил, что гены биосинтеза антибиотиков могут быть  локализованы 

во  внехромосомных  генетических  элементах - плазмидах  и  могут 

передаваться  от  одного  вида  микроорганизма  другому  путем  конъюгации 

или, например, переноситься с помощью умеренных фагов  широкой 

специфичности.  В  настоящее  время  гипотеза  Умезавы  отвергнута:  гены 

биосинтеза антибиотиков считаются локализованными только в хромосомах. 

Внимание  привлекла  новая  концепция - у  микроорганизмов,  особенно  это 

относится  к  актиномицетам,  часть  генов  в  геноме  находится  в  «молчащем» 

состоянии.  Они  не  экспрессируются,  то  есть  продукты,  кодируемые  этими 

генами, в том числе антибиотики, не  синтезируются. Однако, под влиянием 

различных воздействий, тот или иной участок «молчащего» генома начинает 

работать.  В  результате,  получает  общее  объяснение  причина  образования 

различными  штаммами  одного  вида  разных  антибиотиков.   В  этом  случае 

получает 

объяснение 

и 

образование 

близких 

антибиотиков 

микроорганизмами  разных  видов.  Конечно,  это  не  означает,  что  любой 

актиномицет  может  образовать  любые  антибиотики.  Однако,  концепция 

«молчащих»  генов  заставляет  уже  на  современном  молекулярном  уровне 

вернуться  к  одному  из  положений,  высказанных  классиком  науки  об 

антибиотиках - американским  микробиологом  З.Ваксманом.  Он  утверждал, 

что,  выделив  почвенный  микроорганизм  на  искусственных  питательных 

средах,  культивируя  его  в  условиях,  отличных  от  природных,  нельзя 

 

150

получить  представления  о  полном  биосинтетическом  потенциале 

микроорганизма  и  о  перечне  образуемых  им  вторичных  метаболитов. 

Однако,  моделирование  природных  условий – исключительно  сложная 

задача.  Во-первых,  на  микроуровне  они  мало  изучены.  Во-вторых,  их 

разнообразие должно быть очень велико. 

К  настоящему  времени  в  лабораториях  разных  стран  мира  выделены  и 

охарактеризованы  десятки  тысяч  продуцентов  антибиотиков.  Как  правило, 

продуцентами антибиотиков являются такие почвенные микроорганизмы как 

плесневые грибы, актиномицеты и спорообразующие бактерии. 

Плесневые  или  «низшие»  мицелиальные  грибы  отличаются  от  «высших» 

грибов  отсутствием  плодового  тела.  Плесневые  грибы  широко 

распространены  в  почве.  Их  относят  к  микроорганизмам  эукариотам, 

имеющим  оформленное,  окруженное  мембраной  ядро.  Плесневые  грибы 

имеют  также  субклеточные  структуры - митохондрии,  где  сосредоточены 

ферменты,  катализирующие  биоэнергетические  процессы.  Клеточная  стенка 

грибов состоит из хитина – полимера, содержащего остатки аминосахаров. В 

целом,  клетки  грибов  отличаются  сложной  организацией  и  большими 

размерами  по  сравнению  с  бактериальными  клетками.  Плесневые  грибы  - 

многоклеточные  микроорганизмы  со  сложным  циклом  развития.  Они 

формируют  различные  виды  мицелия  (например,  воздушный  -  на 

поверхности  водной  среды),  спороносцы  со  спорами  и  другие 

морфологические образования. Цикл развития грибов - около 6-7 -ми суток.                

Плесневые  грибы  образуют  сотни  различных  антибиотиков,  однако,  в 

медицинской  практике  применяются  лишь  отдельные  из  них.  Важнейшая 

группа  антибиотиков,  образуемых  грибами – это  пенициллины  и 

цефалоспорины. Их объединяют под названием беталактамные антибиотики, 

так  как    важнейшая  часть  их  молекулы,  от  которой  зависит  антимикробная 

активность,  реакционно-способное  четырехчленное  беталактамное  кольцо 

(циклический амид).  

 

151

 

Беталактамное  кольцо  получило  свое  название  ввиду  того,  что  при  его 

образовании  происходит  замыкание  связи  между  углеродом  карбоксильной 

группы  аминокислоты  и  азотом  аминогруппы,  находящейся  при

  

бетауглеродном  атоме.  Беталактамные  антибиотики  образуются  двумя 

родами  плесневых  грибов: Penicillium (отсюда - пенициллины)  и 

Cephalosporium (цефалоспорины).  В  настоящее  время  предпочитают  вместо 

Cephalosporium  использовать  название  Асrеmоnium.  Широко  известны  два 

продуцента  беталактамов: Penicillium chrysogenium и Acremonium 

chrysogenium. Первый образует бензилпенициллин, 

 

 второй - цефалоспорин С.  

 

У пенициллинов с беталактамной структурой сконденсировано пятичленное 

кольцо,  содержащее  серу,  а  у  цефалоспоринов – шестичленное.  К  грибам 

относится продуцент ещё одного антибиотика, применяемого в медицинской 

практике.  Представитель  рода Fusidium, a именно Fusidium coccineum, 

образует  антибиотик  стероидной  структуры - фузидиевую  кислоту  или 

фузидий.  

 

152

 

Необходимо  отметить  ещё  один  ценный  лекарственный  препарат, 

образуемый грибами. На рубеже 70-80-х годов из гриба рода Tolypocladium, 

был выделен циклопептид, проявлявший

 

слабую антимикробную активность, 

а  поэтому  «забракованный»  как  антибиотик.  Однако,  он  оказался 

высокоэффективным 

в 

качестве 

иммуносупрессора. 

Циклопептид, 

получивший 

название 

циклоспорин 

(точнее 

 

циклоспорин 

G             

), широко используется сейчас при пересадке органов и тканей, а также при 

некоторых аутоиммунных заболеваниях. 

Название    «актиномицеты»  отражает  распространенное  ранее  неправильное 

представление  об  этих  микроорганизмах  как  о  лучистых  грибах. 

Установлено,  что  актиномицеты  стоят  гораздо  ближе  к  бактериям,  чем  к 

грибам.  Они  являются  прокариотами.  Их  геном  не  заключен  в  ядро,  а 

представляет  собой  кольцевую  хромосому,  не  отделенную  от  цитоплазмы 

ядерной  мембраной.  Клетки  актиномицетов  не  содержат  также  и 

митохондрий.  Их  клеточная  стенка  построена  из  гетерополимера - 

пептидогликана.  Все  это  сближает  актиномицеты  с  бактериями.  Однако 

актиномицеты,  в  отличие  от  «истинных»  бактерий  (эубактерий),  являются 

многоклеточными  организмами  со  сложным  циклом  развития - обычно 5-6 

суток. Актиномицеты образуют спороносцы и споры.                                           

Актиномицеты 

являются 

продуцентами 

огромного 

количества 

разнообразных  антибиотиков  (около  четырех  тысяч).  Актиномицетами 

образуется  большинство  антибиотиков,  применяемых  в  медицинской 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  17  18  19  20   ..