Глава 13. Биотехнология антибиотиков

Антибиотики — наиболее многочисленный класс биологически активных веществ. Термин «антибиотики» впервые введен Ваксманом в 1942 году и до сих пор существует. Однако четкого понятия, что такое антибиотики, нет.

По Н.С. Егорову, антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов или к злокачественным опухолям, избирательно задерживая их рост или полностью подавляя развитие.

От других продуктов метаболизма антибиотики отличаются двумя особенностями:

1) высокой биологической активностью; действуют на микроорганизмы в очень низких концентрациях (около 1 мг/мл);

2) избирательностью действия; каждый антибиотик проявляет активность по отношению к определенному микроорганизму или группам микроорганизмов.

Этим антибиотики отличаются от общебиологических ядов (мышь­як, фенол, сулема).

Существуют две гипотезы возникновения антибиотиков.

1. При происхождении жизни на Земле антибиотики были стимуляторами или ингибиторами процесса матричного синтеза — они являлись «реликтовыми молекулами» у первичных форм жизни. Однако при возникновении рибосом появились другие регуляторы, они оказались вытесненными и сохранились только у некоторых микроорганизмов. У этих микроорганизмов из стимуляторов синтеза белка они превратились в ингибиторы.

2. Антибиотики — случайные продукты микроорганизмов. Плазмида — кольцевая ДНК — циркулирует по микробным популяциям. При передаче плазмиды другому микроорганизму в результате рекомбинаций и мутаций могут синтезироваться «случайные вещества», из которых образовались антибиотики.

Продуцентами антибиотиков являются различные виды микроорганизмов, в основном это актиномицеты (около 3000 антибиотиков), плесневые грибы (около 700 антибиотиков), бактерии (около 400 антибиотиков). Находят такие микроорганизмы в почве, иле, придонной морской воде, гниющих растительных продуктах и т.п.

В производстве используют промышленные штаммы микроорганизмов, которые отличаются от исходных, «диких» продуцентов. Ни один исходный продуцент не может непосредственно использоваться в производстве, так как обладает, как правило, довольно низкой биологической активностью. Исходный продуцент подвергают различным методам селекции и мутагенеза, в результате его антибиотическая активность вырастает в десятки и тысячи раз.

В природе штаммы, образующие антибиотики, отключают синтез антибиотика по принципу обратной связи. У промышленных штаммов в результате мутаций утрачивается механизм обратной регуляции синтеза антибиотика. Промышленные штаммы имеют механизмы защиты от избыточного количества собственного антибиотика:

• максимальная концентрация антибиотика достигается тогда, когда рост культуры завершается;
• антибиотик синтезируется в тех местах клетки, которые отде­лены от локализации жизненно важных метаболических про­цессов;
• после выхода антибиотика из клетки он вновь в клетку не поступает.

Роль антибиотиков в жизнедеятельности микроорганизмов до конца не ясна. Считают, что:

• антибиотики являются средством борьбы за существование, микроорганизм уничтожает конкурентов в борьбе за источники питания;
• антибиотики являются регуляторами метаболизма собственного продуцента;
• антибиотики являются индукторами дифференциации клеток и спорообразования.

Современная гипотеза роли антибиотиков — антибиотики являются средством преодоления стрессовых для продуцента ситуаций, вызванных исчерпанием из среды питательных веществ. Если исчерпали другие микроорганизмы, то антибиотик нужен для их подавления; если исчерпал сам — то антибиотик индуцирует переход микроорганизма в споровую форму.

Классификация антибиотиков

Существует несколько видов классификации:

1) по биологическому происхождению;

2) по механизму действия;

3) по химической структуре.

Иногда антибиотики группируют по спектру действия: противобактериальные, противогрибковые, противовирусные, антипротозойные и т.п.

По механизму действия антибиотики разделяют на четыре группы:

1) ингибиторы образования клеточной стенки бактерий;

2) ингибиторы синтеза белка;

3) ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот;

4) ингибиторы функций цитоплазматической мембраны микробной клетки.

Ингибиторы образования клеточной стенки бактерий — эти анти­биотики подавляют активность ферментов, участвующих в синтезе пептидогликана.

Ингибирование идет по трем направлениям:

• ингибиторы образования основных компонентов клеточной стенки (циклосерин, фосфомицин — ингибируют синтез мурамовой кислоты);
• ингибиторы образования димеров и их переноса к растущим цепям пептидогликана (ванкомицин, ристомицин, бацитрацин, флавомицин);
• ингибиторы образования пептидных сшивок (пенициллины и бета-лактамы, цефалоспорины, цефамицины, монобактамы связываются с ферментами синтеза пептидогликана — транспептидазами).

На высшие организмы эти ингибиторы не действуют, так как животные клетки не имеют жесткой клеточной стенки, нет пептидогликанов и, следовательно, нет ферментов его синтеза (поэтому эти антибиотики, в частности пенициллин, обладают низкой токсич­ностью).

Ингибиторы синтеза белка реализуют действие за счет различных механизмов:

• «блокады» активации аминокислот и реакций переноса (эти антибиотики в медицинской практике не встречаются);
• подавления функций малых субчастиц рибосом (30S-частиц) — аминогликозиды (канамицин, неомицин) и тетрациклины;
• подавления функций больших субчастиц рибосом (50S) — макролиды, хлорамфеникол, линкомицин, пуромицин.

Эти антибиотики малотоксичны для человека, что обусловлено дву­мя обстоятельствами:

• рибосомы, которые содержатся в цитоплазме, либо вообще не взаимодействуют с этими антибиотиками, либо взаимодействуют очень слабо;
• рибосомы, содержащиеся в митохондриях животных клеток, по своим свойствам близки к бактериальным рибосомам, но от анти­биотика их защищает митохондриальная мембрана.