: Главная arrow Неполные окисления arrow Образование антибиотиков  

Образование антибиотиков

Печать E-mail
 

 

Уже в прошлом веке было известно, что между различными микроорга­низмами могут существовать как симбиотические, так и антагонистиче­ские взаимоотношения. Толчком к выяснению материальной основы ан­тибиоза послужило наблюдение Флеминга, обнаружившего (1928), что колония гриба Penicillium notatum подавляла рост стафилококков. Выде­ляемое этим грибом вещество, которое диффундировало в агар, получи­ло название пенициллина. С тех пор было выделено множество веществ с антибиотической активностью. Антибиотики-это вещества биологиче­ского происхождения, способные даже в низких концентрациях по­давлять рост микроорганизмов. Различают вещества, подавляющие рост микробов (бактериостатические, фунгистатические) и убивающие их (бактерицидные, фунгицидные и т.д.).

Продуценты антибиотиков. К синтезу антибиотиков способны главным образом грибы из группы Aspergillales, актиномицеты и неко­торые другие бактерии. На первом месте по химическому многообра­зию синтезируемых веществ стоят стрептомицеты. К настоящему вре­мени подробно охарактеризовано более 2000 антибиотиков, однако в качестве химиотерапевтических средств применяется всего лишь около полусотни. Число описанных случаев антибиотических взаимо­действий гораздо больше, но многие группы микроорганизмов, в том числе не поддающиеся культивированию или с трудом культивируемые бактерии и низшие грибы, в этом смысле еще недостаточно изучены.

Значение антибиотиков для образующих их организмов. Вопрос о зна­чении антибиотиков для их продуцентов в условиях их естественного обитания-в почве - остается неясным. К образованию антибиотиков ве­дут специальные биохимические пути, относящиеся к вторичному мета­болизму. Эти пути и обеспечивающие их ферменты не являются необхо­димыми для роста и выживания клеток. Генетический аппарат, который нужен для синтеза антибиотиков, для организма в случае их бесполез­ности был бы балластом, и организм освободился бы от него в процес-

се эволюции путем соответствующих делеций. Поскольку в природе, очевидно, сохраняется лишь то, что целесообразно, нужно видеть в ан­тибиотиках вещества, обеспечивающие их продуцентам селективное преимущество и в естественных условиях, т.е. в почве (например, пре­имущество в конкуренции за один и тот же субстрат). Однако такие ан­тагонистические взаимоотношения в почве трудно обнаружить, по­скольку антибиотики образуются в очень малых количествах; к тому же они обычно подавляют и рост самих продуцентов.

Постепенно утверждается представление, согласно которому в про­цессе эволюции может сохраняться и ненужный на первый взгляд гене­тический материал-даже в том случае, если в изученных до сих пор экспериментальных условиях он оказывается для организма балластом. Очевидно, природа более консервативна, чем это предполагалось на за­ре эры молекулярной биологии. В настоящее время антибиотики, а так­же другие вторичные метаболиты, прямую пользу которых для синтези­рующих их клеток усмотреть трудно, причисляют, образно выражаясь, к «стружкам» обмена веществ или же к продуктам, возникшим на «игровой площадке» метаболизма. Этот пример ясно показывает, что изучение вторичного метаболизма бактерий, грибов и растений- одно из перспективных направлений в исследовании путей органической эволюции.

Методы выявления антибиотиков. Первые антибиотики были обнару­жены случайно, по образованию зон подавления роста. В чашках с пи­тательным агаром, густо засеянным тест-организмом (индикаторными бактериями), вокруг колоний гриба или стрептомицета рост отсутство­вал: антибиотик, диффундирующий из колонии в агар, вызывал образо­вание прозрачных участков в сплошном бактериальном газоне (рис. 10.4). Видами-индикаторами (тест-объектами) в таких опытах слу­жат типичные представители различных групп микроорганизмов. Для качественного испытания продуцента антибиотика достаточно посеять его в середину чашки с питательным агаром, а индикаторные бакте­рии-в виде радиальных штрихов (штрих-тест, рис. 10.5). После инку­бации по степени торможения роста различных индикаторных организ­мов судят о спектре действия антибиотика. Антибиотики различаются по действию на грам-положительные и грам-отрицательные бактерии, на дрожжи, дерматофиты и другие микроорганизмы.

 

Image

 

Image

Большинство антибиотиков было открыто в процессе предваритель­ного отбора (скрининга). На рис. 10.6 представлена вся последователь­ность работы-от получения суспензии почвенной пробы до опыта на животных.

Количественное определение. Для количественной оценки действия антибиотика пользуются методом диффузии в агар (рис. 10.7), методом последовательных разведений и некоторыми другими методами. Для проведения теста с диффузией чашки заполняют до определенной вы­соты агаризованной средой, содержащей суспензию тест-организма. За­тем в чашки вносят испытуемые растворы антибиотика. Их помещают в лунки, либо в стеклянный или металлический цилиндр, или же на­кладывают на агар пропитанные антибиотиком диски из фильтроваль­ной бумаги. При положительной реакции во всех случаях после инкуба­ции становится заметной зона подавления роста тест-организма. Диаметр этой зоны при соблюдении постоянных условий опыта (состав питательной среды, толщина слоя агара, плотность посева, время инку­бации, температура и т.д.) пропорционален логарифму концентрации антибиотика (рис. 10.7).

При использовании метода последовательных разведений готовят се­рию разведений антибиотика в отношении 1 :2 в питательном растворе, засеянном тест-организмом, и после инкубации определяют ту мини­мальную концентрацию антибиотика, при которой не наблюдается ро­ста (минимальную бактериостатическую концентрацию).

Для установления синергического и антагонистического действия разных веществ, а также для исследования действия антибиотиков на другие организмы (на простейших, червей, водоросли, культуры клеток, вирусы) были разработаны специальные методы.

 

Image

 

 

Image

Важнейшие антибиотики, применяемые в медицине. Первое место сре­ди них все еще принадлежит пенициллину, который синтезируют Penicillium notatum, P. chrysogenum и некоторые другие грибы; удалось также получить полусинтетические пенициллины (путем расщепления природных пенициллинов до 6-аминопенициллановой кислоты, к кото­рой затем химическим путем присоединяют различные боковые группы). О механизме действия пенициллина на бактерии уже говори­лось ранее (разд. 2.2.3). Для человека пенициллин почти не токсичен и лишь в редких случаях вызывает побочные аллергические реакции. Многие бактерии образуют пенщиллиназу, которая расщепляет (3-лакта-мовое кольцо и инактивирует пенициллин. Воздействуя на 6-аминопени-циллановую кислоту хлорангидридами кислот, можно получать сотни пенициллинов (рис. 10.8). Многие полусинтетические пенициллины не расщепляются пенициллиназой и ввиду их устойчивости к действию кислот могут вводиться перо'рально.

 

Image

 

Image

Цефалоспорины- продукты одного из видов гриба Cephalosporium. Цефалоспорин С имеет (3-лактамовое кольцо и по своей структуре бли­зок к пенициллину (рис. 10.9). Отщепляя боковую цепь и затем присоеди­няя к образовавшейся 7-аминоцефалоспорановой кислоте другие бо­ковые группы, можно получать полусинтетические цефалоспорины (цефалотин, цефалоридин), которые по своему действию сходны с про­изводными пенициллина.

Стрептомицин был впервые выделен из культуры Streptomyces griseus, однако его синтезируют и некоторые другие виды Streptomyces. Молеку­ла стрептомицина состоит из трех частей: М-метил-Ь-2-глюкозамина, метилпентозы и дигуанидинзамещенного инозитола (рис. 10.9). Успех применения стрептомицина объясняется его действием на ряд кислото­устойчивых и грам-отрицательных бактерий, нечувствительных к пени­циллину. Однако стрептомицин вызывает у больных резко выраженные аллергические реакции. Этот антибиотик применяется также в ветерина­рии и для борьбы с болезнями растений.

Хлоромицетин (хлорамфеникол) был впервые обнаружен в культурах Streptomyces venezuelae, но его можно получить и синтетическим путем (рис. 10.9). Он отличается исключительной стабильностью и действует на многие грам-отрицательные бактерии, включая спирохеты, риккетсии и актиномицеты, а также на крупные вирусы.

Тетрациклины тоже представляют собой метаболиты различных стрептомицетов (в том числе Streptomyces aureofaciens). Химически они очень близки между собой и имеют в основе структуры нафтацен (рис. 10.9). Наиболее известны хлортетрациклин (ауреомицин), оксите-трациклин (террамицин) и тетрациклин. Тетрациклины отличаются ши­роким спектром действия и хорошей переносимостью.

К макролидам относятся антибиотики разного происхождения с от­носительно большой молекулярной массой, для которых характерно макроциклическое лактоновое кольцо (эритромицин, карбомицин А, пи-кромицин и др.).

Актиномицин был выделен в 1940 г. (первым среди антибиотиков, образуемых стрептомицетами). Это смесь нескольких веществ; объеди­няет их только феноксазоновый хромофор. Роль заместителей играют различные полипептидные цепочки (рис. 10.9).

Наконец, следует упомянуть еще группу полипептидных антибиоти­ков (грамицидин S, полимиксины, бацитрацин, ристоцетин и др.). В мо­лекуле полимиксина В к кольцу из семи аминокислот присоединена с помощью пептидной связи боковая цепь (рис. 10.10). Полипептидные антибиотики обладают высоким сродством к плазматической мембра­не, поэтому они одинаково токсичны как для бактерий, так и для эука-риот и не применяются в клинике. Благодаря своей способности изби­рательно транспортировать ионы через мембрану полипептидные антибиотики могут применяться в исследовательских целях в качестве ионофоров (см. разд. 7.7). Валиномицин, например, облегчает транспорт ионов калия через мембрану. В состав молекулы этого антибиотика входит кольцо из 12 звеньев (среди них валин, 2-гидроксиизовалерат и лактат). Структура этого кольца такова, что ион калия как раз поме­щается во внутреннем пространстве молекулы. Комплекс валиномицина с К+   благодаря присутствию валина и валерата липофилен и легко

 

Image

транспортируется через липидный слой мембраны. Поэтому добавление валиномицина к клеточной суспензии ведет к потере клетками ионов калия.

В фармацевтической промышленности для производства антибиоти­ков используются сейчас не исходные штаммы микроорганизмов, а бо­лее продуктивные мутанты. Штамм гриба, открытый Флемингом, син­тезировал лишь около 3 мкг пенициллина на 1 мл среды. Современные штаммы-продуценты дают минимум в 2000 раз больше. Такое повыше­ние выхода антибиотиков-результат мутаций и отбора более активных штаммов, улучшения состава питательных сред и оптимизации условий производства. Пути биосинтеза многих антибиотиков уже выяснены, и задача состоит сейчас в том, чтобы еще больше повысить продуктив­ность микроорганизмов путем получения и более целенаправленного отбора мутантов.

 
« Пред.   След. »