Обґрунтування вибору біологічного агента

Обґрунтування вибору біологічного агента

Антибіотики — це речовини, які синтезуються деякими мікроорганізмами, а також продукти їх хімічної модифікації (напівсинтетичні антибіотики), які здатні пригнічувати ріст інших мікроорганізмів, а також вірусів і клітин (вияляють цитостатичну чи цитоцидну дію).

По ходу використання антибіотиків в якості лікарських засобів відносно  швидко з’являються резистентні штами мікроорганізмів, стійкі до дії того чи іншого антибіотика. Поява такої стійкості пов’язано з синтезом мікроорганізмами специфічних ферментів, які сприяють руйнації молекули антибіотика і лишають його антимікробної активності. Для попередження  стійкості мікробів до антибіотиків застосовують комбінації кількох антибіотиків, включаючи різні механізми дії, чи в комплексі їх з сульфаніламідними чи іншими хіміотерапевтичними засобами.

В наш час відомо близько 10 тис. природних і синтетичних антибіотиків. Більше 100 з них застосовують в медицині, а також для захисту від хвороб тварин і рослин. Світова потужність виготовлення антибіотиків складає близько 50 тис. т/год.

Хімічний синтез з органічних сполук використовують для одержання синтетичних антибіотиків, які мають відносно просту будову.

Промислове виробництво  антибіотиків, як правило, здійснюється шляхом біосинтезу і включає наступні стадії:

• Вибір високопродуктивних штамів продуцента і поживних середовищ для нього;
• Процес біосинтезу;
• Виділення антибіотика з культуральної рідини і його очистка.

Природні штами в більшості малоактивні і не можуть використовуватися для промислових цілей. Через це після відбору найбільш активного природного штаму для підвищення його продуктивності застосовують різні мутагени, які викликають стійкі спадкові зміни.

Велике значення для біосинтеза антибіотика має підбір раціонального складу поживних середовищ.

Методи виділення антибіотиків з культуральної рідини досить різноманітні й визначаються хімічною природою лікарського засобу. Після виділення антибіотика проводять випробовування його чистоти. Досліджують також антибактеріальну активність, стерильність і токсичність антибіотика.

  Левоміцетин (хлорамфенікол) вперше цей антибіотик був виділений з ґрунтів Венесуели у 1947р. групою науковців на чолі з Ерліхоми з мікроорганізма котрий відноситься до актиноміцетів Streptomyces venezuelae. Цей антибіотик виявляє антимікробну дію при місцевому застосуванні відносно більшості грампозитивних і грамнегативних бактерій. Випускається левоміцетин у різних лікарських формах (таблетки, капсули, краплі, мазь). При лікуванні запальних процесів, екземи, дерматитів, варикозних виразок у деяких випадках кон’юнктивітів застосовують мазь. Терапевтичні концентрації левоміцетину при застосуванні його місцево виявляються у склоподібному тілі, рогівці, райдужній оболонці, водявій волозі очей (у кришталик левоміцетин не проникає). Виводиться, головним чином, із сечею, в основному у вигляді неактивних метаболітів, частково – із жовчю і калом. У кишечнику під впливом кишкових бактерій левоміцетин гідролізується з утворенням неактивних метаболітів. Препарат застосовують при  кератитах та інших інфекційних процесах, спричинених збудниками, чутливими до левоміцетину. Препарат показаний, коли неефективні інші хіміотерапевтичні засоби, або їх застосування неможливо через непереносимість.

Слід зазначити, що продуцент  левоміцетину є Streptomyces venezuelae. Насьогодні невідомі інші продуценти даного антибіотика, що унеможливлює використання інших мікроорганізмів для біосинтезу хлорамфеніколу. Streptomyces venezuelae відноситься до роду Streptomyces, який є найбільшим родом, що синтезує антибіотики і використовується з 1940—1950 р. в промисловому виробництві антибіотиків. Зараз представники роду Streptomyces активно використовуються в генній інженерії як господарі для клонування і експресії чужорідної ДНК, оскільки в клітках Streptomyces відбувається коректна упаковка білків, білок потім секретуєтся в навколишнє середовище, на відміну від широко використовуваною для цієї мети Escherichia coli.

В процесі вивчення хімічної будови хлорамфеніколу вдалося встановити його структурну формулу, котра виявилась не складною – це D-трео-1-(n-нітрофенол)-2-дихлорацетиламінопропан-1-3-діол. Антибіотик, котрий утворюється в результаті біосинтезу являє собою D-трео-форму. Слід зазначити, що антибіотичні властивості хлорамфеніколу в більшості залежать від просторової конфігурації  молекули. Наприклад, L-трео-ізомер не має біологічної активності.

Після вивчення хімічної будови хлорамфеніколу був здійснений його хімічний синтез. Це відбулось майже одночасно, незалежно одне від одного у США (1949р.) і в СССР (1950р.). Це був перший приклад хімічного синтезу антибіотика у промислових масштабах. Але при хімічному синтезі отримується сполука, котра містить L-трео- і D-трео-форми хлорамфеніколу, які потім необхідно піддавати ряду перетворень, щоб отримати необхідну, активну форму лікарського засобу, що робить хімічний синтез даного препарату не раціональним, на відміну від біосинтезу.

В медичній практиці знайшов  широкое застосування антибіотик аналог хлорамфеніколу  –   левоміцетин: ароматичне з’єднання, похідне нітрофенілалкіламіна:

Як  було встановлено, левоміцетин являє собою D-трео-1-(n-нітрофенол)-2-дихлорацетиламінопропан-1-3-діол. Левоміцетин відноситься до D-ряду як і конфігураційний стандарт D-гліцериновий альдегід.

Левоміцетин, має оптичну активність, є ліво обертаючим ізомером. Оскільки в молекулі левоміцетину два асиметричних атоми вуглецю, можливо існування інших ізомерів

Усі  чотири ізомери відрізняються  за  своєю фізіологічною  активністю: еритро-формы являють собою токсичні речовини, трео-ізомер  антипод левоміцетина — фізіологічно неактивний.

 Таким чином, біосинтез  даного антибіотика є більш  доцільним для виробництва ніж  хімічний синтез. Це зумовлено  перш за все тим, що створивши відповідні умови, найбільш сприятливі для росту і розвитку Streptomyces venezuelae можна здійснювати безперервне культивування. В результаті якого ми будемо отримувати максимум цільового продукту з мінімальними затратами. Хлорамфенікол утворюється при розвитку актиноміцета на будь-яких середовищах. Найбільший вихід антибіотика спостерігається при глибинному культивуванні за температури 27 – 28⁰С на середовищі, яке містить пептон, гліцерин і поварену сіль. Антибіотик синтезується також при рості мікроорганізма на синтетичних середовищах до складу яких включається як джерело азоту серин, а в якості джерела вуглецю гліцерин і лактат натрію. Також збільшують вихід продукту додавання йонів заліза, цинку, магнію.

Значно збільшується вихід  при додаванні до синтетичного середовища нітрофенілсерину чи фенілаланіну. Найкращий стимулюючий ефект спостерігається у тому випадку, якщо фенілаланін додають в середовище перед початком фази активного росту актиноміцету.

Деякою здатністю стимулювати  синтез антибіотика володіють окремі амінокислоти: лейцин, ізолейцин, метіонін, триптофан, глутамінова кислота і треонін.

В якості поживного середовища, ми можемо використовувати відходи  харчової промисловості, собівартість яких буде значно меншою, ніж вартість закупки дорогих реактивів, необхідних при хімічному синтезі левоміцетину. При закупці дешевих реактивів на виході ми отримаємо не якісний, або навіть не придатний для вживання продук. Це унеможливлює зменшення витрат на сировину при хімічному синтезі. При біосинтезі мікроорганізм споживаючи субстрат синтезує відразу необхідну нам речовину у доступній для засвоєння організмом людини формі. В процесі розвитку культури основна маса антибіотику виділяється в середовище і лиш незначна частина зв’язується з гіфами міцелію актиноміцета. Наприклад, за 36 годин розвитку з міцелію отриманого із 100 мл. культури, екстраговано всього 0,6 мкг. Антибіотику, в той час коли в фільтраті містилось 4000 мкг. хлорамфеніколу. Загалом кількість антибіотика зв’язаного з міцелієм складає приблизно 0,015% від загальної кількості. Таким чином, більша частина хлорамфеніколу виділяєтися у культуральну рідину, що значно спрощує виділення його і подальшу очистку. При біосинтезі  втручання необхідне лише на кількох стадіях, щоб спрямувати метаболічні шляхи на синтез потрібної нам сполуки. Хімічний синтез значно складніший і потребує постійного контролю на кожній стадії. Через це зростає загроза негативного впливу людського фактору, бо незначні неточності в процесі можуть призвести до синтезу неактивних, або навіть токсичних форм лікарського засобу, що унеможливить його подальшу реалізацію і призведе до матеріальних затрат. Також за хімічного синтезу необхідно надзвичайно ретельно проводити контроль за якістю початкових реактивів, за їх кількісним і якісним складом. Хімічно синтезована форма хлорамфеніколу часто викликає алергічні реакції на відміну від свого природного аналогу, саме через хімічну природу антибіотика, котра не завжди може бути сумісною з людським організмом.

Позитивним фактором у застосуванні біологічного методу є його екологічність. Відходи при біосинтезі є природного походження, через що вони не спричиняють забруднення навколишнього середовища, і їх утилізація значно простіша і дешевша за утилізацію хімічних відходів, які не здатні до самовільного розпаду на нешкідливі компоненти. Таким чином хімічний метод синтезу даного антибіотика на завершальній стадії потребує встановлення певних установок, де здійснювався б розпад токсичних продуктів синтезу.

Тому ми маємо право казати, що біологічний агент вибраний правильно, адже він дозволяє виробляти цільовий продукт з меншими затратами ресурсів, часу та коштів, ніж наприклад, при використанні того ж хімічного методу.