Производство и применение антибиотиков.

Можно считать, что клиническая биотехнология зародилась с начала промышленного производства пенициллина в 40-х годах ХХ века и его использования в терапии. Применение этого природного пенициллина повлияло на снижение заболеваемости и смертности больше, чем какого-либо другого препарата, но, с другой стороны, поставило ряд новых проблем, которые удалось решить опять таки с помощью биотехнологии.

Во-первых, успешное применение пенициллина вызвало большую потребность в этом лекарственном препарате, и для ее удовлетворения нужно было резко повысить выход пенициллина при его производстве.

Во-вторых, первый пенициллин действовал главным образом на грамположительные бактерии, а нужно было получить антибиотики с более широким спектром действия, поражающие и грамотрицательные бактерии.

В-третьих, поскольку антибиотики вызывают аллергические реакции, необходимо было иметь целый набор антибактериальных средств, с тем чтобы можно было выбрать из равноэффективных препаратов такой, который не вызывал бы у больных аллергию.

В-четвертых, пенициллин нестабилен в кислой среде желудка и его нельзя назначать для приема внутрь.

Наконец, многие бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам. Классический пример тому – образование стафилококками фермента пенициллиназы, который образует фармакологически неактивную пенициллоиновую кислоту.

Антибиотики продуцируются плесневыми грибами, актиноми-цетами, эубактериями и другими микроорганизмами. Некоторые из них способны продуцировать большое количество антибиотиков. Тем не менее, большинство известных в настоящее время высокопродуктивных штаммов продуцентов антибиотиков получено традиционными ме­тодами мутагенеза и селекции. Так, увеличить выход пенициллина при его производстве удалось в основном благодаря последовательному использованию серии мутантов исходного штамма Penicillium chrysogenum, а также путем изменения условий выращивания.

Биосинтез антибиотиков, как и любых других вторичных мета­болитов, возрастает в фазе замедленного роста клеточной популя­ции (конец трофофазы) и достигает максимума в стационарной фазе (идиофазе). Считают, что в конце трофофазы изменяется энзи-матический статус клеток, появляются индукторы вторичного ме­таболизма, освобождающие гены вторичного метаболизма из-под влияния катаболитной репрессии. Поэтому любые механизмы, тор­мозящие клеточную пролиферацию и активный рост, стрессовые ситуации, активируют процесс образования антибиотиков.

Процесс культивирования продуцентов антибиотиков проходит две фазы (двухступенчатое культивирование). На первой фазе происходит накоп­ление достаточного количества биомассы, которая выращивается на среде для роста микроорганизма. Эта фаза должна быть быст­рой, а питательная среда дешевой. На второй фазе осуществляются запуск и активный синтез антибиотика. На этой фазе ферментацию ведут на продуктивной среде. Образование антибиотика контролируется условиями культивирования микроорганизмов. Поэтому оптимизация питательной среды является главным фактором в повышении выхода продукта.

К настоящему времени выделены антибиотики, эффективные в отношении грамотрицательных бактерий: стрептомицин, цефалоспорин. Получено также множество полусинтетических антибиотиков с новыми свойствами: с широким спектром действия, чувствительностью к пенициллиназе и содержимому желудочно-кишечного тракта. Так, ампициллин является полусинтетическим производным бензилпенициллина, отличающимся наличием добавочной аминогруппы в боковой цепи (рис. 5). Он активен при пероральном введении и действует на широкий круг бактерий, в том числе на некоторые грамотрицательные, вызывающие заболевания органов дыхания, пищеварения и выделения.

Рис. 5. Структурные формулы антибиотиков.

Устойчив к кислоте и клоксациллин, и к тому же он не разрушается β-лактамазами. Его часто назначают вместе с ампициллином тем больным, у которых обнаружены стафилококки, синтезирующие пенициллиназу.