Курс лекций по биотехнологии - часть 26

 

  Главная      Учебники - Разные     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..  24  25  26  27   ..

 

 

Курс лекций по биотехнологии - часть 26

 

 

 

201

сравнению  с  четырехчленным  беталактамным,  расширяет  возможности 

химического  синтеза,  то  есть    получение  синтетических  гаммалактамов  с 

пространственной  защитой  гаммалактамного  кольца  от  беталактамаз.  Ряды 

получаемых  синтетических  гаммалактамов  быстро  растут  и  некоторые  из 

этих соединений  уже проходят предклинические испытания.                          

 7.5.3.   Пути борьбы с антибиотикорезистентностью. 

       

Потребность  периодического  обновления  используемых  в  медицине 

антибиотиков  обусловлена  постепенным  распространением  в  микромире 

вариантов  резистентности  к  антимикробным  препаратам.  Постоянное 

применение в клиниках oпределенного географического региона конкретного 

антибиотика в

 

течение 20-30 и более лет приводит к тому, что резистентные к 

нему  штаммы  начинают  обнаруживаться  все  чаще.  Применяемые  в 

медицинской  практике  антимикробные  антбиотики,  непосредственно  с 

геномом  микроорганизмов  не  реагируют,  то  есть  они  не  являются 

мутагенами.  Известно,  однако,  что  в  популяциях  микроорганизмов 

происходят, хотя и редко, разнообразные «спонтанные»  мутации отдельных 

генов,  причины

 

которых  неизвестны.  Образуются  мутанты  с  измененными 

субклеточными  структурами  и  отклонениями  в  метаболизме.  Нормальные 

клетки, являясь результатом длительной эволюции, хорошо

 

приспособлены к 

окружающим  их  естественным  условиям.

 

Мутанты  к  таким  условиям

 

приспособлены  хуже  и,  спустя

 

определенный  период  времени  после  ряда 

генераций, исчезают, однако, если сама окружающая среда изменилась и эти 

изменения  сохраняются  в

 

течение  длительного  времени,  мутантные  формы

 

микроорганизмов  могут

 

оказаться  лучше  приспособленными  к  новым 

условиям,

 

что  и  объясняет  распространение    такого  разнообразия  

антибиотикорезистентных форм.

 

Одни и те же антибиотики при их массовом 

и  непрерывном  применении  играют  роль  селективных  факторов  отбора 

резистентных  к  ним  мутантных  микроорганизмов.  В  этом  случае  именно 

мутанты,  обладающие  резистентностью,  реализуют  свой  потенциал.  

 

202

Исходные  антибиотикочувствительные  культуры

 

такой  возможности  не 

получают даже в том случае, если их скорость

 

размножения в свободной от 

антибиотиков среде выше, чем у мутантов. Спонтанные мутации - отнюдь не 

единственный  источник  генов  резистентности.  Как  отмечалось,  у 

продуцентов  некоторых  антибиотиков,  например,  аминогликозидов, 

существуют ферменты, модифицирующие или трансформирующие молекулу 

собственного  антибиотика  таким  образом,  что  приводит  к  его  инактивации. 

Гены,  кодирующие  ферменты  инактивации,  могут  включаться  в  ДНК 

некоторых  фагов,  а  иногда  и  в  плазмиды  и  переноситься  из  продуцентов  в 

клетки  патогенных  и  непатогенных  бактерий.    Таким  образом,  попадание 

генов  резистентности  в  патогенные  микроорганизмы  предопределено 

существованием  в  биоценозах  самих  продуцентов  антибиотиков.  Есть 

прямые  доказательства  того,  что  гены  резистентности  к  антибиотикам  и, 

соответственно,  различные  механизмы  этой  резистентности,  существовали 

до рубежа 40х - 50х годов, то есть до того времени, когда стали применяться 

пенициллин,  стрептомицин,  левомицетин,  тетрациклины.  Музейные 

коллекций культур

 

различных бактерий, хранившиеся с конца XIX века и не 

соприкасавшиеся  с  препаратами  антибиотиков  (музейные  культуры

 

пересеваются 2-3 раза  в  год  в  боксах  с  особыми  предосторожностями), 

содержат, хотя и редко, варианты, устойчивые к тем или иным антибиотикам. 

Например,  у  таких  культур

 

были  обнаружены  гены,  кодирующие 

образование  беталактамаз.  Еще  одно  доказательство  изначального 

существования  генов  антибиотикорезистентности  было  получено  в 60-х 

годах экспедициями микробиологов в труднодоступные районы планеты, где 

местное  население  еще  не  соприкасалось  с  антибиотиками  (верховья 

Амазонки, острова  Полинезии). Из кишечной микрофлоры

 

аборигенов, хотя 

и  очень  редко,  но  выделяли  штаммы  с  генами  резистентности, 

обусловливающими 

образование 

беталактамаз 

или 

ферментов, 

инактивируюших антибиотики аминогликозидной структуруы. 

 

203

Все  факты,  перечисленные  выше,  свидетельствуют  о  том,  что  полностью 
избавиться  от  генов  резистентности    теоретически  невозможно.  Однако,  
частоту  их  распределения  можно  свести  к  минимуму.  Изъятие  антибиотика 
из  клинической  практики    будет  означать  уменьшение  распространенности 
генов  резистентности  к  нему.  Спустя  определенный  период  времени 
антибиотик и близкие к нему препараты восстановят свою эффективность и 
могут  быть  возвращены  в  лечебную  практику.  Так,  в  США,

 

ставший 

малоэффективным  стрептомицин,  был  вытеснен  из  лечебной  практики 
гентамицином,  амикацином,  полусинтетическими  беталактамами  и  другими 
новыми антибиотиками. В небольших городах, не являющихся транзитными 
пунктами для большого количества людей, стрептомицин восстановил свою 
эффективность спустя

 

примерно 20 лет после прекращения его применения. 

В  Нидерландах  было  запрещено  использование  тетрациклина  в  живот-
новодстве    ввиду    широкого  распространения  тетрациклинорезистентных 
сальмонелл.  Уже  через  пять  лет  после  этого,  частота  встречаемости  этих 
бактерий    в  стране  снизилась  в  два  раза,  а  применение  тетрациклина  при 
случаях пищевых отравлений стало в два раза более эффективным. 
    Общая  стратегия  в  борьбе  с  антибиотикорезистентностью  может  зак-
лючаться  в  последовательной  замене  одних  препаратов  другими

 

с  возвра-

щением  «старых»  препаратов  в  практику  через

 

определенный  срок.  Такая 

«цикличность»  быстрее  приведет  к  желаемым  результатам  в  том  случае, 
когда она будет соблюдаться в крупных

 

географических регионах. 

     В  настоящее  время,  учитывая  вышесказанное,   в  клинической  практике 
ассортимент  антибиотиков  и  других 

 

антимикробных  препаратов  не 

позволяет  достаточно  эффективно  проводить  полную  замену  одних  групп 
антибиотиков  другими.  Однако,  при  условии

 

получения  ряда  новых  групп

 

антибиотиков, принцип

 

цикличности мог бы быть реализован. В этом случае 

произойдет постепенное, значительное уменьшение генов резистентности  к 
представителям  временно  исключенных  из  лечебной  практики  групп 
антимикробных  препаратов.  Таким  образом,  не  только  эффективность 
лечения,  но  и  возвращение  к  экологическому  равновесию  в  окружающей 

 

204

человека микрофлоре требует усиления работы в области создания методами 
биосинтеза  и  оргсинтеза  антибиотических  средств  с  новыми  механизмами 
действия. 
Контрольные вопросы к главе 7 

1.  Какова биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов? 

2.  Каким  образом  накопление  антибиотика,  как  целевого  продукта, 

согласуется с накоплением биомассы? 

3.  Каковы пути создания высокоактивынх продуцентов антибиотиков? 

4.  Каковы  механизмы  защиты  от  собственных  антибиотиков  у  их 

суперпродуцентов? 

5.  Каковы 

особенности 

ферментации 

актиномицетов 

и 

бактерий 

(эубактерий), как продуцентов антибиотиков? 

6.  Почему  в  инструкциях  по  применению  антибиотиков  существуют 

указания на  ПБС-2 и ПБС-3? 

7.  Какую 

опасность 

представляет 

хромосомная 

и 

плазмидная 

резистентность? 

8.  Какими  препаратами  антибиотиков  представлены  новые  поколения 

цефалоспоринов и пенициллинов? 

9.  Каков механизм резистентности к аминогликозидным антибиотикам? 

10. В чем преимущества целенаправленной трансформации аминогликозидов 

на примере  антибиотика амикацина? 

11. Какие  аналоги  эритромицина,  превышающие  его  эффективность  в 

отношении  внутриклеточных    возбудителей  инфекции  известны  в 

настоящее время? 

12. Какие  природные  источники  генов  резистентности  к  антибиотикам 

существуют? 

13. Что  включают  в  себя  организационные  мероприятия  по  ограничению 

распространения генов антибактериальной резистентности? 

 

 

205

Глава 

8. 

 

 

Лекарственные 

препараты, 

получаемые 

 

в          

фармацевтической   промышленности 

 с  

помощью      

биотехнологических методов. 

8.1.   Стероиды  

   К  фармацевтическим  препаратам,  в  производстве  которых  используется 

биотехнология, 

принадлежат 

стероидные 

гормоны, 

к 

основным 

представителям  которых  относятся  кортикостероиды,  прогестогены, 

эстрогены  и  андрогены.  Они  не  только  принимают  участие  практически  во 

всех  жизненно-важных  функциях  организма,  но  и  как  лекарственные 

средства,  имеют  высокую  избирательность  и  большую  широту  спектра 

действия.  В  медицинской  практике  стероидные  гормоны  применяются  в 

качестве 

противовоспалительных, 

диуретических, 

анаболических, 

контрацептивных, противораковых лекарств.  

При 

сравнении 

структуры 

наиболее 

ценных 

кортикостероидов, 

прогестогенов,  эстрогенов  и  андрогенов,  можно  обнаружить,  что  все  они 

содержат в положении С-3 кетогруппу, кроме эстрогенов, у которых кольцо 

А - ароматическое. Кортикостероиды  

 

содержат  при  С-17  гидроксизамещенную  ацетильную  группу.  Их 

отличительной особенностью является наличие кислородной группы у 11-го 

 

206

углеродного  атома.  Андрогены  и  эстрогены  в  положении  С-17  имеют 

карбонильную или гидроксильную группы, а их модифицированные аналоги 

-  алкильную  или  этинильную  группу.  К  стеринам  (стеролам)  относятся 

стероиды, имеющие в положении С-3 гидроксильную группу. 

В  основе  истории  синтеза  стероидных  гормонов  лежат  методы 

биотрансформации  (биоконверсии),  результатом  применения  которых 

является  превращение  метаболитов  в  структурно  родственные  соединения 

под  влиянием  микроорганизмов  или  микробных  клеток.  Весьма 

существенным  в  этом  процессе  является  то,  что  микроорганизмы  могут 

оказывать влияние только на отдельные (единичные) стадии весьма сложных 

и длительных процессов химического синтеза. Общей чертой всех процессов 

микробиологической 

трансформации 

является 

изменение 

именно 

молекулярной  структуры  трансформируемого  вещества,  а  не  синтез 

молекулы de novo. Основные процессы микробиологической трансформации 

-  это  окисление,  восстановление,  декарбоксилирование,  дезаминирование, 

гидролиз, метилирование, конденсация, изомеризация и т.д. 

Большинство  реакций  биотрансформации  являются  строго  специфическими 

и  осуществляются  индуцибельными  ферментами  в  строго  определенном 

порядке.  Так,  например,  процесс  гидроксилирования  относится  к 

дыхательным системам (гидроксилаты содержат ионы железа или цинка), а в 

дегидрировании  участвуют  ферменты  флавиновой  природы,  содержащие 

рибофлавин и витамин В

12

.  

Необходимо  отметить,  что  с  точки  зрения  физиологии,  биотрансформация 

стероидных  соединений  как  источников  углеродного  питания  (стерины 

расщепляются  до  углекислого  газа  и  воды)  связана  с  метаболизмом 

микроорганизмов,  в  процессе  которого  происходит  детоксикация  субстрата 

(например, 11α-оксисоединения  обладают  меньшим  отрицательным 

влиянием на рост и дыхание клеток).  

Использование  биотрансформации  при  получении  тех  или  иных  продуктов 

 

207

известно  с  древних  времен.  В  качестве  примера  можно  привести  методику 

получения  уксуса  еще  во  времена  Древнего  Вавилона  (около 5000 лет  до 

н.э.),  когда  этиловый  спирт  с  помощью  микроорганизма Gluconobacter 

suboxidans  превращали  в  уксусную  кислоту  (естественно,  что  все  подобные 

методы  носили  чисто  эмпирический  характер  и  не  имели  никакой  научной 

подоплеки). 

В  настоящее  время  возможности  и  достоинства  использования 

биотрансформации  проявились  наиболее  ярко  в  области  превращений 

стероидных соединений. Дело в том, что сложность и громоздкость молекул 

стероидов  затрудняет  даже  незначительные  их  модификации  химическим 

путем. Микроорганизмы могут осуществлять уникальные реакции в синтезе 

лекарственных 

препаратов 

стероидной 

природы, 

например, 1,2-

дегидрирование и 11α и β-гидроксилирование. Промышленный синтез таких 

важнейших  лекарств,  как  гидрокортизон,  преднизолон,  дексаметазон  стал 

возможен  только  после  разработки  микробиологических  способов  их 

получения.  

Первые  сообщения  о  микробиологической  трансформации  стероидов 

появились задолго до установления их химической структуры. Так, еще в 19 

веке  было  известно,  что  бактериальная  флора  кишечника  млекопитающих 

превращает холестерин в капростерин, а холевую кислоту в дезоксихолевую. 

В 1913 г было открыто полное расщепление холестерина микобактериями, но 

только  в 30-тые  годы  после  того,  как  структура  основных  стероидных 

гормонов  была  установлена,  стали  пытаться  применить  биотрансформацию 

как  метод  получения  этих  соединений.  В  эти  годы  ученые  Базельского 

университета  впервые  получили  из  надпочечников  кортизон.  Однако,  лишь 

десять  лет  спустя  было  установлено,  что  кортизон  эффективен  при  лечении 

ревматоидного артрита.  

На  примере  промышленного  получения  кортизона  можно  показать,  каких 

успехов  можно  достичь  при  использовании  методов  биотрансформации. 

 

208

Первоначальный  химический  синтез  кортизона  насчитывал 37 стадий  и 

стоимость  1г  вещества  составляла 200 долларов  США.  В 1952 году    было 

обнаружено,  что  штамм Rhizopus nigricans способен  гидроксилировать 

прогестерон  (промежуточный  продукт  синтеза  кортизона).  В  результате 

синтез  кортизона  сократился  до 11 стадий,  а  стоимость  гормона  упала  до 6 

долларов.  Кроме  того,  в  случае  применения  биотрансформации  брожение 

происходило при атмосферном давлении и температуре 37

0

С в водной среде, 

тогда  как  химический  синтез  требовал  экстремальных  температур  и 

давления, осложняя и удорожая саму технологию производства. Дальнейшее 

совершенствование  биотехнологического  производства  (использование 

мутантных  штаммов)  позволило  снизить  цену  кортизона  в  США  до 0,3 

доллара за 1 г. к 2002 г, что в 600 с лишним раз меньше той суммы, которая 

была в 1930 г. 

Таким  образом,  внедрение  биотрансформации  в  процессы  получения 

стероидных  гормональных  препаратов  вызвало  буквально  переворот  в 

фармацевтической  промышленности,  позволив  многократно  удешевить  и 

сделать  доступными  для  большинства  нуждающихся  людей  эти  ценные 

лекарственные препараты.  

Для  синтеза  указанных  гормонов  используются  природные  соединения 

содержащие  стероидную  структуру,  которую  необходимо  химически 

модифицировать  для  введения  функциональных  заместителей  того  или 

другого гормона. 

В качестве исходного сырья для производства этих препаратов используются 

стерины растений (класс фитостеринов). 

Прежде  всего - это  эргостерин  обнаруженный  у  многочисленных 

представителей  растительного  мира,  а  также  у  грибов  и  микроорганизмов. 

Особенно  много  эргостерина  присутствует  в  дрожжевых  микроорганизмах, 

вследствие  чего  для  промышленного  получения  эргостерина  используются 

пекарские  дрожжи.  Следующий  представитель  фитостеринов - это 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  24  25  26  27   ..