Введение в биотехнологию. Презентационные материалы. Банк тестовых заданий в системе UniTest». Ю. О. Сазыкин С. Н. Орехов И. И. Чакалева
 Скачать 7.47 Mb.
|
|
Вопрос о достоверности результатов клинических испытаний является довольно сложным. Одна из проблем — исключение влияния личной заинтересованности тех, кто испытывает препарат Причины такой заинтересованности могут быть различны, например, давление со стороны разработчиков препаратов, фирм — владельцев данных препаратов и др. Одним из путей повышения достоверности результатов клинических испытаний является объединение материалов, получаемых коллективами независимых исследователей. Данные, полученные например, в пяти клиниках (по сто случаев применения в каждой, позволяют сделать более достоверные выводы об эффективности и безопасности препарата, чем материалы, полученные на том же количестве больных, нов одном учреждении. Разумеется это лишь один из примеров проведения клинических испытаний в соответствии с правилами В целом проведение клинических испытаний фармацевтических препаратов регламентируется большим количеством взаимосвязанных документов. Изучение, испытание и производство фармацевтических препаратов жестко регламентируется, и новые препараты проходят все указанные стадии, находясь непосредственно под контролем вначале правил GLP, затем — GCP и, наконец, — Контрольные вопросы. Каковы причины введения международных правил в фармацевтическую практику. Каково содержание правил GMP? 3. Какова разница между Фармакопеей и правилами GMP? 4. Что включают в себя правила GCP и GLP? 5. Почему в случае проверки качества испытуемого лекарственного средства (препарата) по правилам GMP можно получить более надежные результаты. Каковы причины проведения валидации при замене штаммов-про- дуцентов на производстве. Каковы особенности требований GMP к биотехнологическому производству. Какие особые требования GMP предъявляются к производству бет алактамных антибиотиков Глава ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ. Понятие «экология» В течение последних десятилетий понятие экология постоянно используется средствами массовой информации и встречается, как правило, при описании загрязнения окружающей среды и другого рода антропогенных воздействий на биосферу. Таким образом, понятие экология ассоциируется с определенными нарушениями, которые следует предотвратить. Впервые термин экология был введен в научную литературу еще в XIX в. известным биологом Э. Геккелем. Экология (по Геккелю) — это общая наука об отношениях организмов к окружающей среде». Современные определения экологии конкретизированы и усложнены, например: «экология — наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их неорганической природой, о связях в надорганизменных системах (сообществах, о структуре и функционировании этих систем»; «экология — наука о взаимоотношениях организмов и их популяций со средой обитания о биоценозах и экосистемах как результате взаимообусловленной эволюции организмов и среды об ауторегуляции экосистем и их роли в биосфере планеты». Второе определение шире и подразумевает ответственность человека за свою деятельность по изменению окружающей среды. В этом случае экология исследует не только закономерности данного момента, но и эволюционные закономерности в движении. Кроме того, здесь ставится вопрос об ауторегуляции как проявлении внутреннего качества экосистем. Как научная дисциплина экология может быть дифференцирована на глобальную экологию (со своими закономерностями как предметом изучения общую экологию частную экологию (для определенной группы микроорганизмов определенного таксономического ранга). Существует также деление этой дисциплины на нормальную и патологическую экологию Нормальная экология исследует взаимоотношения организмов и среды их обитания в естественных условиях. Патологическая экология призвана изучать факторы, обусловленные антропогенной деятельностью, а также их влияние на сложившиеся природные отношения организмов со средой и перспективу этих отношений. Как известно, биосфера (область распространения жизни на нашей планете) охватывает литосферу, гидросферу и атмосферу Для человека окружающая среда фактически равнозначна биосфере, но данную аналогию нельзя экстраполировать на все живые организмы на Земле. В какой-то мере антропогенная деятельность начала сказываться и на околоземном космосе (околоземный космический мусор, но проблемы патологической экологии, в основном, сосредоточены все жена биосфере, где они становятся в настоящее время все более ощутимы, что дает даже повод говорить не только об экологической опасности, но и о грозящей экологической катастрофе. Однако при объективном взгляде на результаты деятельности цивилизации придется отметить, что первыми на планете появились микроорганизмы, получавшие энергию в результате хемосинтеза. Именно их деятельность подготовила почву (в прямом и переносном смысле) к возникновению более сложных форм жизни. В результате произошло первое глобальное явление в биосфере, которое, как ни парадоксально, можно назвать экологической катастрофой. Появились ив полном смысле слова завоевали планету зеленые растения, что привело к резкому увеличению количества кислорода в атмосфере, а последнее — к вымиранию некоторых высокочувствительных к кислороду организмов. Этот убедительный пример показывает, как нарушение баланса неживой природы неизбежно влечет изменения живой природы в глобальном масштабе. Нет оснований полагать, что эволюция на современном этапе жизни на Земле уже завершилась, но даже при достаточно беглом анализе последствий развития цивилизации становится очевидным, что ситуация ухудшается с каждым годом. Человек одновременно является высшей формой жизни и природной силой, которая преобразует окружающую среду (биосферу, что в свою очередь отражается на эволюции всех форм жизни, в том числе и на самом человеке. Действительно, некоторые изменения биосферы можно однозначно связать с воздействием антропогенных факторов, однако возникает вопрос — негативны они или позитивны? Во время зарождения жизни на Земле повышение содержания кислорода в атмосфере привело к новой, более совершенной биоэнергетике ив дальнейшем — к животной клетке. Позитивность или негативность определенного фактора для жизни может быть установлена только по конечному результату. Предвидеть направление дальнейшей эволюции живого мы не можем. Моделировать такой процесс также практически невозможно. Поэтому вопрос дифференцировки антропогенных воздействий на благоприятствующие и препятствующие будущему развитию человечества остается открытым. Человек уникален тем, что, создавая блага для себя, он одновременно может действовать во вред себе как виду. Даже если предположить, что этим человек создаст предпосылки для собственной эволюции, нельзя при этом допускать ни сокращения продолжительности жизни, ни утраты здоровья. Поэтому понятия экологическая катастрофа и экологическая опасность прежде всего целесообразно прилагать к самому человеку, а не распространять их на все эволюционные процессы. Эколого-биохимические взаимодействия в организменных сообществах Известно, что специализированные железы растений и животных вырабатывают биологически активные молекулы с сигналь но-коммуникативными функциями, которые выделяются в окружающую среду и вызывают специфическую ответную реакцию у воспринимающих их особей того же вида. Ответной реакцией у воспринимающей особи может быть изменение либо поведения, либо процесса развития. Таким образом, химической коммуникацией осуществляется передача информации. Вещества, обусловливающие подобного рода явления, получили название феромонов (от греч. phepo — управлять, приносить и т.п.). Выделяют феромоны-релизеры и феромоны-праймеры. Феромоны-релизеры вызывают немедленные поведенческие эффекты. К ним относятся половые феромоны, феромоны тревоги, следа, мечения территории и др. Отметим их исключительно высокую биологическую активность. Например, нескольких молекул этого феромона в 1 м воздуха достаточно, чтобы воспринимающая его особь животного изменила направление своего движения. Так, немногочисленная популяция белых медведей, рассеянных на огромных территориях Арктики в виде отдельных кочующих особей, получает возможность встречи для дальнейшего спаривания благодаря своему видоспецифическому половому феромону. Тоже происходит ив немногочисленной популяции уссурийских тигров, причем необходимо отметить чрезвычайно высокую специфичность биологической активности соответствующего феромона, так как воздух уссурийской субтропической тайги содержит многочисленные летучие органические соединения растительного и животного происхождения. Феромоны-праймеры вызывают длительные физиологические эффекты в воспринимающем организме. К ним относятся вещества, которые фиксируют срок наступления половой зрелости животного (здесь прослеживается связь с простагландинами. Еще одним эффектом некоторых феромонов-праймеров является возможность сигнализации к соблюдению моногамии и отсутствию инце ста у определенных видов млекопитающих, например, у некоторых видов грызунов. В данном случае прослеживается приближение к закономерностям нейроэндокринного характера. К феромонам- праймерам относятся также вещества, регулирующие принадлежность к определенной касте особей общественных насекомых. К феромонам относятся также алломоны и кайромоны. Сих участием осуществляется общение в надорганизменных межвидовых сообществах. Алломоны приносят пользу тому, кто их вырабатывает, кайромоны — реципиентам. Общебиологическое значение феромонов несомненно, хотя во многом еще нераскрыто. Как химические соединения феромоны исключительно разнообразны по структуре. Исследования в области феромонов ведутся как с позвоночными, таки с беспозвоночными. Из позвоночных, преимущественно млекопитающих, выделено несколько сотен химических структур с сигнально-коммуникативной активностью. Из беспозвоночных — около двух тысяч. И первые, и особенно вторые сих огромным количеством видов в качестве источника феромонов изучены еще очень мало. Перспективы применения феромонов в сельском хозяйстве — от животноводства до борьбы с сельскохозяйственными вредителями (замена инсектицидов) не вызывают сомнений и частично уже реализуются. Представляет интерес разнообразная активность феромонов для использования в области фармации, однако решение этого вопроса зависит от раскрытия механизма действия феромонов на молекулярном уровне. Экологические аспекты биотехнологического производства Подчеркнем, что антропогенное воздействие на биосферу неотъемлемо от развития цивилизации. Распашка земель, вырубка лесов, вытаптывание степей постоянно сопутствуют истории человечества. Уместно вспомнить об уничтожении отдельных видов животных и растений и о расселении некоторых видов из мест коренного обитания В связи с особой актуальностью проблемы влияния промышленности на биосферу рассмотрим, как выглядит в этом отношении биотехнологическое производство. Прежде всего, оно науко емко и по сравнению с химико-технологическим производством более эффективно, так как клетка продуцента (биообъекта) представляет сбалансированный комплекс биокатализаторов, работающий более производительно, чем системы последовательных химических реакций с неорганическими катализаторами. Потребление энергоресурсов и воды биотехнологической промышленностью составляет доли процента от потребляемого современной химической промышленностью. Выброс в атмосферу газообразных отходов предприятий биотехнологической промышленности не превышает и десятой доли процента от выброса промышленностью в целом. Именно биотехнологическое производство наиболее приемлемо в современных условиях, однако и оно имеет специфические, экологические проблемы и, соответственно, совершенствуется в направлениях создания и использования более активных биообъектов-про- дуцентов (в результате на единицу продукции будет меньше отходов замены среди реагентов на менее дефицитные иммобилизации биообъектов (как клеток, таки ферментов многократного их использования для уменьшения отходов внедрения мембранной технологии на стадии выделения и очистки целевого продукта (уменьшение количества применяемых органических растворителей во избежание агрессивных условий на некоторых стадиях производственного процесса соблюдения правил Рассмотрим кратко проблемы, относящиеся к ликвидации (утилизации) или очистки производственных отходов традиционного биотехнологического предприятия. Твердые отходы. Прежде всего, к ним относится мицелий (биомасса) продуцента после его отделения от культуральной жидкости и целевого продукта. О количестве мицелия, с которым приходится иметь дело, можно получить наглядное представление исходя из того, что объем слива промышленного ферментера — этом густой, вязкой (из-за наличия мицелия) жидкости Учитывая, что на предприятии имеется ряд ферментеров, афер bbментационный цикл длится около недели, можно сделать вывод что этот вид твердых отходов на одном (крупном) предприятии составляет сотни тонн в год. При этом необходимо учитывать, что мицелий содержит и остаточные количества целевого продукта а это, как правило, биологически высокоактивные вещества. В настоящее время твердые отходы ликвидируют путем переработки мицелия. Его перемешивают с почвой и помещают в ямы с бетонными подложками. Каждую такую яму оставляют закрытой на несколько лет. За это время почвенные микроорганизмы подвергают органические вещества мицелия ферментативному расщеплению, используя их для построения своей биомассы. Фактически образуется компост, органическая часть мицелия при этом разлагается. Бетонная подложка в такого рода компостных ямах необходима, чтобы предотвратить попадание еще неразложившихся растворимых органических веществ мицелия в грунтовые воды и водоемы с дождевой водой. Обычно для компостных ям выделяют специальные участки на территории предприятия. Отметим, что вывоз подсушенного мицелия (его масса по сравнению с первоначальной уменьшается враз) на общегородские свалки запрещен. Попытки применения мицелия для тех или иных целей в целом пока не увенчались успехом, однако в лабораторных условиях уже создана малоотходная технология. Из мицелия актиномицета продуцента тетрациклина извлекалась суммарная липидная фракция и использовалась как пеногаситель в следующем производственном цикле при получении тетрациклина, образуемого продуцентом, принадлежащем к тому же штамму. В некоторых случаях (при ограниченности пастбищ) простерилизованную и перемолотую биомассу некоторых микроорганизмов используют в качестве добавки в корм сельскохозяйственных животных. Мицелий грибов и актиномицетов (отходы при производстве антибиотиков) повышает качество некоторых строительных материалов (керамзитовые плиты, кирпичи др, увеличивая их прочность. Но по экономическим соображениям производить эти материалы не целесообразно. Жидкие отходы. В случае биотехнологического производства жидкими отходами являются стоки и сточная жидкость, в основном это культуральная жидкость после отделения от нее мицелия и извлечения целевого продукта. Суммарный годовой объем куль туральной жидкости, которая должна подвергнуться очистке, составляет для одного предприятия десятки тысяч кубометров. Степень очистки, контролируемой разными методами, должна быть такой, чтобы очищенная жидкость могла сливаться в открытые водоемы. Существуют разные схемы очистки. Почти во всех из них ключевую роль играют микроорганизмы (биологическая очистка. Приведем одну из таких схем (рис. 12). Первым компонентом системы очистки является железобетонный отстойник, куда попадает отработанная культуральная жидкость. На дне отстойника проложены трубы, через которые происходит отсасывание осадка. На этой стадии из культуральной жидкости удаляется примерно 40 % загрязнений. Следующий участок системы очистки состоит из одного или нескольких, расположенных один за другим, аэротен- ков — баков с проходящими по дну трубами, из которых выходит Культуральная жидкость 1 / Активный ил / / ■=Ф Воздух из внешней среды Сточные воды / 7 / 77 / 7 / 7 / 7 //, у Осадок % 1 / / Биофильтры Рис. 12. Схема биологической очистки жидких отходов, 3 — соответственно первичный и вторичный железобетонные отстойники 2- аэротенк; 4 — блок доочистки в виде пузырьков воздух, проходящий через всю толщу жидкости, в результате она насыщается кислородом. Воздух способствует интенсивному протеканию окислительных процессов. Ключевая особенность аэротенка — наличие в нем так называемого активного ила (искусственного биоценоза — сообщества микроорганизмов, окисляющих растворенные в жидкости органические вещества до Си Н ) , постепенно формирующегося в процессе работы предприятия. Видовой состав биоценоза активного ила на разных предприятиях может незначительно варьировать, поскольку последний зависит от окисляемых субстратов. Как правило, в нем доминируют представители рода Pseudomonas (70 %). Далее следуют микроорганизмы, объединенные в род Bacterium (20%). Остальные 10% составляют представители родов Bacillus, Sarcina и другие микроорганизмы. Характеризуя активный ил как биоценоз или как над организменное межвидовое сообщество применительно к очистке сточной жидкости биотехнологического производства, следует отметить три важных обстоятельства. Во-первых, принципиальную роль здесь играют штаммы рода Pseudomonas. Однако не следует сводить этот род только к виду Pseudomonas aeruginosa — известному возбудителю опасных раневых инфекций. В природных условиях род Pseudomonas представлен большим количеством неопасных для человека видов. Именно непатогенные штаммы входят в состав активного ила. Для этих микроорганизмов характерен широкий набор окислительных ферментов. Препараты, состоящие из клеток Pseudomonas, используются при ликвидации загрязнений, вызванных утечкой нефти Окислению подвергаются, образно говоря, и экзотические субстраты, например, кольчатые углеводороды. Помимо этого оболочка сапрофитных видов Pseudomonas, входящих в активный ил имеет свои особенности на уровне пориновых каналов, облегчающие доступ субстратов к окислительным ферментам. Во-вторых, превращение некоторых субстратов в Си Н осуществляется за счет последовательного воздействия на них ферментов разных микроорганизмов. Иными словами, одна ферментная система превращает конкретное соединение в промежуточные продукты, а другая катализирует дальнейшую деградацию этих промежуточных продуктов. Этим подчеркивается, что активный ил функционирует как комплекс микроорганизмов. В-третьих, следует иметь ввиду, что в сточных водах некоторых производств (в частности, предприятий антибиотической промышленности) могут содержаться остаточные количества антимикробных веществ. Это означает, что микроорганизмы в аэротенках постоянно контактируют снимите. создаются условия для селекции резистентных форм. Ноне исключены случаи, когда концентрация антимикробных веществ в очищаемых жидких отходах может оказаться необычно высокой и вызвать гибель клеток активного ила. Это требует контроля за состоянием активного ила. После участка с аэротенком или несколькими последовательно расположенными аэротенками и вторичным отстойником принципиально важным для системы жидких отходов является блок доочистки. В нем культуральная жидкость, в которой остается примерно % первоначального содержания органических веществ (как правило, это трудноокисляемые вещества, пропускается через биофильтры — пленки с иммобилизованными клетками микроорганизмов с наиболее высокой окислительной активностью. Нередко эти клетки принадлежат к сконструированным методами генной инженерии штаммам, содержащим плазмиды, несущие гены окислительных ферментов (ферментов деструкции. Такие целенаправленно полученные «штаммы-деструкторы» способны окислять трудноокисляемые вещества и уничтожать оставшиеся 10% загрязнений в очищаемой жидкости. Иммобилизация клеток таких штаммов в биопленках рациональна ввиду того, что при свободном размножении этих клеток искусственно повышенная окислительная активность может быть утрачена за счет обратных мутаций или потери плазмид. В этом случаев блоке доочистки как бы сочетаются генная инженерия и инженерная энзимология. Прошедшая блок доочистки жидкость, соответствующая официальным критериям питьевой воды одним из принятых методов контроля токсичности в данном случае является подавление жизнеспособности микроскопического ракообразного Daphnia magna), хлорируется и затем поступает в открытые водоемы. Касаясь работы систем биологической очистки сточных вод в разных режимах, следует отметить, что при максимальных (шоковых) нагрузках могут возникнуть разные трудности. В такие рабочие периоды в аэротенки вносят высокоактивные штаммы де bbструкторы (бактериальные закваски, что позволяет значительно усилить пропускную способность системы очистки жидких отходов С этой целью для биотехнологических предприятий разного профиля рекомендованы специальные препараты «Phenobac» — для утилизации углеводородов, «Thermobac» — для окисления полисахаридов, «Polibac» — для освобождения от синтетических детергентов и т. п. Ориентировочная доза бактериальной закваски из живых клеток составляет около 100 мг нам сточной жидкости. В заключение отметим возможное разнообразие схем биологической утилизации жидких отходов. Так, помимо аэробной очистки в схему могут быть включены этап анаэробной очистки, этапы с использованием сорбентов (активированного угля, цеолитов и др, этапы с применением электрохимических методов (например, электрокоагуляции). Газообразные отходы. Газовые выбросы очищают от органических соединений при температуре от 300 до 1 ООО Св колонках с неорганическими катализаторами. В этом случае летучая органика превращается в СВ некоторых случаях используются биологические фильтры на основе микроорганизмов, окисляющих органические вещества до С 0 Контрольные вопросы. Каков общий вклад биотехнологии в решение современных экологических проблем. Что собой представляют биотехнологические отходы. Какие основные виды микроорганизмов присутствуют в активном иле. Какие существуют схемы по очистке твердых, жидких и газообразных отходов. Какова роль генной инженерии в экологии. Что собой представляют сигнально-коммуникативные молекулы в надорганизменных системах, и каковы перспективы их использования для поддержания экологии. Какие виды феромонов существуют. Каковы особенности биотехнологических производств в отношении их отходов. Какие коммерческие препараты используются в качестве бактериальной закваски. По каким направлениям можно совершенствовать биотехнологическое производство в плане экологической безопасности РАЗДЕЛ. ЧАСТНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ Г лава ПРОБЛЕМЫ ПОИСКА, СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ АНТИБИОТИКОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ 7.1. Антибиотики как вторичные метаболиты и их продуценты История науки об антибиотиках началась с того момента, когда лондонский микробиолог А. Флеминг обнаружил в 1929 г. на агаровой среде в чашке Петри, засеянной стафилококком, колонию плесневого гриба из рода Penicillium, образовавшуюся в результате случайно попавшей на агар из воздуха споры этого гриба. Он заметил вокруг колонии зону прозрачного агара. Гриб образовывал антибиотик пенициллин, который не только останавливал размножение стафилококка, но и вызывал последующий лизис его клеток. Однако в очищенном состоянии пенициллин был выделен лишь спустя десятилетие, вначале Второй мировой войны, когда с особой остротой встала проблема борьбы с раневой инфекцией. Под названием антибиотики объединены вещества, образуемые микроорганизмами и избирательно подавляющие рост других микроорганизмов. Позднее это понятие было распространено и на продукты их химической модификации, что получило отражение в наименовании полусинтетические антибиотики. Некоторые из антимикробных антибиотиков обладают способностью подавлять рост опухолевых клеток, в связи с чем появился еще один новый термин — противоопухолевые антибиотики. Именно антибиотики, использование которых в медицинской практике при инфекционных заболеваниях началось в 1940 г, вызвали (за счет снижения смертности) резкие демографические изменения глобального масштаба, быстрый рост населения в развивающихся странах, увеличение продолжительности жизни в развитых странах и т.д. На мировом рынке годовая стоимость продукции промышленности антибиотиков сейчас превышает 20 млрд долл. и продолжает стремительно возрастать. Важнейшая характерная черта антибиотиков — их избирательность действия на метаболизм. Обычно из нескольких тысяч метаболических реакций антибиотик подавляет только одну или несколько. В этом отношении антибиотики противопоставляются антисептикам, активность которых значительно ниже (антибиотики угнетают рост микроорганизмов в концентрации порядка 1 мкг/мл и меньше). Антибиотики принадлежат к самым разным классам химических соединений. Известно около 14000 природных антибиотиков, образуемых микроорганизмами. Из них в медицинской практике применяют около 200. К антибиотикам относятся только низкомолекулярные вещества — с молекулярной массой не более нескольких тысяч дальтон. Однако большинство антибиотиков, применяемых в медицине, имеет молекулярную массу в пределах одной тысячи дальтон. Образуемые микроорганизмами литические ферменты, несмотря на их антимикробную активность, к антибиотикам не относятся (белки-токсины). Антибиотики высокоэффективны при инфекционных заболеваниях, вызываемых большинством грамположительных и грамотрицательных бактерий, многими патогенными грибами. Они с успехом используются при некоторых инфекциях простейших, риккетсий и крупных вирусов. Успех лечения зависит от выбора антибиотика для индивидуального больного. Антимикробный спектр действия всех применяемых в медицинской практике антибиотиков известен, а вот видовая принадлежность и свойства возбудителя инфекции у конкретного больного, как правило, неизвестны. В тоже время лечение, особенно при тяжело протекающем заболевании, должно быть начато своевременно. Осмотри опрос больного, предварительные выводы о локализации и характере инфекций обычно позволяют врачу остановиться на одном из так называемых антибиотиков выбора. Однако независимо от этого рациональная и целенаправленная антибиотикотерапия должна базироваться на тщательной бактериологической диагностике заболевания с выделением, идентификацией возбудителя и оценкой его чувствительности кряду препаратов, чтобы выбрать наиболее эффективный для лечения антибиотик. Для определения чувствительности возбудителя используются стандартные, бумажные диски, пропитанные раствором антибиотика и высушенные. Диски раскладываются на поверхности твердой питательной среды, засеянной культурой возбудителя, и после инкубации в термостате определяется величина зоны подавления роста диффундирующим в агар антибиотиком. В настоящее время в клинических микробиологических лабораториях используются автоматизированные системы, позволяющие быстро проводить большое количество таких определений. Иногда, после сопоставления чувствительности возбудителя к разным антибиотикам, уже применявшийся антибиотик выбора заменяют или дополняют другим препаратом, более эффективным в каждом конкретном случае. Частой причиной такой замены является распространение среди патогенных микроорганизмов штаммов, устойчивых (резистентных) к тому или иному антибиотику. Тем не менее набор имеющихся в распоряжении врача антибиотиков, как природных, таки полусинтетических, нега bbрантирует полного успеха антибиотикотерапии. Известно, что антибиотики не являются первичными метаболитами. Как правило, их структура резко отличается от первичных метаболитов. Иногда в их молекуле в качестве фрагментов обнаруживаются как необычные для организмов структуры, таки аналоги метаболитов, например, аминоциклитол и аминосахара у аминогликозидов; макроциклические лактоны и аминосахара у макролидов и пол иенов. В отличие от первичных метаболитов (предшественников макромолекулярных соединений) антибиотики за редкими исключениями вообще не обнаруживаются вовремя первых часов роста культуры. Так, образуемые грибами или актино- мицетами антибиотики можно выявить в культуральной жидкости или мицелии продуцента только на вторые—третьи сутки роста, причем в незначительных количествах. Максимум их накопления наступает на пятые шестые сутки. Несмотря на то, что при синтезе или сборке молекулы антибиотика используются первичные метаболиты (аминокислоты сахара, жирные кислоты, пурины и т.д.), образование антибиотика подчиняется общим законам внутриклеточной регуляции он становится необходимым для своего продуцента. Существует несколько предположений о биологической роли антибиотиков. Наиболее распространенной считается гипотеза, что антибиотики являются средством преодоления стрессовых ситуаций для продуцента, независимо оттого, чем вызвана такая ситуация — исчерпанием питательных веществ в результате роста культуры конкурента или результатом размножения клеток своей же культуры. Образование антибиотика определенной структуры не является строго видоспецифическим признаком. Принадлежащие код ному виду штаммы, выделенные из природных источников, могут иногда образовывать разные антибиотики. Особенно много таких примеров относится к виду Streptomyces riseus. Разные штаммы этого вида могут образовывать резко отличающиеся по структуре антибиотики например, аминогликозидный антибиотик стрептомицин, полиеновый антибиотик кандицидин, антибиотик пептидной структуры виридогризеин. Штаммы микроорганизмов, отнюдь неблизкие по своему систематическому положению, могут иногда образовывать сходные структуры. Цефалоспорины образуются не только грибами, но и актиномицетами (в последнем случае они получили название цеф- амицины). Антибиотики, ключевым компонентом которых является беталактамное ядро, образуются не только грибами и акти номицетами, но и отдельными штаммами бактерий некоторых видов, в том числе даже и неспорообразующих. 104 Все эти данные трудно объяснить, исходя из того, что каждый антибиотик играет специфическую роль в метаболизме своего продуцента. Японский исследователь Умезава, открывший несколько ценных для практики антимикробных и противоопухолевых антибиотиков, даже выдвинул гипотезу об антибиотиках как о случайных для штамма веществах. Он предположил, что гены биосинтеза антибиотиков могут быть локализованы во внехромосомных генетических элементах — плазмидах и передаваться от одного вида микроорганизма другому путем конъюгации или, например, переноситься с помощью умеренных фагов широкой специфичности. В настоящее время гипотеза Умезавы отвергнута гены биосинтеза антибиотиков считаются локализованными только в хромосомах. Внимание привлекла новая концепция у микроорганизмов особенно это относится к актиномицетам, часть генов в геноме находится в молчащем состоянии. Они не экспрессируются, те продукты, кодируемые этими генами, в том числе антибиотики не синтезируются. Однако под влиянием различных воздействий тот или иной участок молчащего генома начинает работать. В результате получают объяснение причины образования различными штаммами одного вида разных антибиотиков, а также образование близких антибиотиков микроорганизмами разных видов. Конечно, это не означает, что любой актиномицет может образовать любые антибиотики. Однако концепция молчащих генов заставляет уже на современном молекулярном уровне вернуться к одному из положений, высказанных классиком науки об антибиотиках американским микробиологом 3. Ваксманом. Он утверждал, что, выделив почвенный микроорганизм на искусственных питательных средах и культивируя его в условиях, отличных от природных, нельзя получить представления о полном биосинте тическом потенциале микроорганизма и о перечне образуемых им вторичных метаболитов. Однако моделирование природных условий — исключительно сложная задача. Во-первых, на микроуров не они мало изучены. Во-вторых, их разнообразие должно быть очень велико. В лабораториях разных стран мира выделены и охарактеризованы десятки тысяч продуцентов антибиотиков. Как правило, продуцентами антибиотиков являются такие почвенные микроорганизмы как плесневые грибы, актиномицеты и спорообразующие бактерии. Плесневые или низшие мицелиальные грибы отличаются от высших грибов отсутствием плодового тела. Плесневые грибы широко распространены в почве. Их относят к микроорганизмам эукариотам, имеющим оформленное, окруженное мембраной ядро Плесневые грибы имеют также субклеточные структуры — митохондрии, где сосредоточены ферменты, катализирующие биоэнергетические процессы. Клеточная стенка грибов состоит из хитина — полимера, содержащего остатки аминосахаров. В целом клетки грибов отличаются сложной организацией и большими размерами по сравнению с бактериальными клетками. Плесневые грибы — многоклеточные микроорганизмы со сложным циклом развития. Они формируют разные виды мицелия (например, воздушный — на поверхности водной среды, споронос ны со спорами и другие морфологические образования. Цикл развития грибов 6 —7 сут. Плесневые грибы образуют сотни разных антибиотиков, однако в медицинской практике применяются лишь отдельные из них. Важнейшая группа антибиотиков, образуемых грибами, — пенициллины и цефалоспорины. Их объединяют под названием беталактамные антибиотики, так как важнейшая часть их молекулы, от которой зависит антимикробная активность, ре акционно-способное четырехчленное беталактамное кольцо (циклический амид): Беталактамное кольцо получило свое название ввиду того, что при его образовании происходит замыкание связи между углеродом карбоксильной группы аминокислоты и азотом аминогруппы, находящейся при бетауглеродном атоме. Беталактамные антибиотики образуются двумя родами плесневых грибов Penicillium отсюда — пенициллины) и Cephalosporium (цефалоспорины. В настоящее время предпочитают вместо Cephalosporium использовать название Acremonium. Широко известны два продуцента беталак- тамов: Penicillium chrysogenum и Acremonium chrysogenum. Первый образует бензилпенициллин: второй — цефалоспорин С: Беталактамное кольцо HN—СН—СН С(СН3)2 I I I 0 = С N------СНСООН Т иазол идиновое |