Biotechnologia

Biotechnologia

mikrobiologiczna

mikrobiologiczna

Prof. dr hab. Jerzy Długoński

Prof. dr hab. Jerzy Długoński

Katedra Mikrobiologii Przemysłowej i

Katedra Mikrobiologii Przemysłowej i

Biotechnologii

Biotechnologii

Uniwersytetu Łódzkiego

Uniwersytetu Łódzkiego

2008/2009

2008/2009

K M P i B

Wykład

Wykład

7

7

ANTYBIOTYKI

ANTYBIOTYKI



Antybiotyki są to substancje wytwarzane przez organizmy
żywe, głównie drobnoustroje oraz ich półsyntetyczne
pochodne działające bakteriobójczo lub
bakteriostatycznie w niskich stężeniach (poniżej 1 mg/ml)



Rys historyczny

- wykrycie antybiotyków
- okres II wojny światowej – gwałtowny rozwój badań
- opracowanie technologii produkcji penicyliny G

-

lata 40-te i 50 – te okrycie ważniejszych grup
antybiotyków

-

lata 60-te rozpoczęcie produkcji antybiotyków
półsyntetycznych

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki c. d.



Światowa produkcja – ponad 100 000 ton/rok



Wartość 5 - 8 mld $ USA



Zastosowanie

- ponad ½ lecznictwo
- 25 000 ton – ochrona roślin
- 5 000 ton - leczenie zwierząt
- ponadto
- hodowla zwierząt
- konserwowanie żywności
- badania naukowe itp.

K M P i B

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki c. d.

K M P i B

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki c. d.

K M P i B

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki c. d.



Lecznictwo:

- ¾ półsyntetyczne antybiotyki β- laktamowe
- 20 % tetracykliny
- 5 % pozostałe antybiotyki



Dlaczego półsyntetyczne antybiotyki β-
laktamowe oraz tetracykliny są tak
powszechnie stosowane w leczeniu chorób u
ludzi ?

K M P i B

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki c. d.



Oporność na antybiotyki

- unieczynianie antybiotyków poprzez jego
transformację lub rozkład → całkowity brak
wrażliwości
- zmniejszenie przepuszczalności osłon
komórkowych
- uruchomienie szlaków metabolicznych
niewrażliwych na działanie antybiotyków
- modyfikacja struktur komórkowych na które

działa

antybiotyk lub ich nadprodukcja

K M P i B

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki są metabolitami wtórnymi ponieważ:

-

Wytwarzanie ich ograniczone jest tylko do
pewnych gatunków (szczepów) o bardzo różnej
przynależności systematycznej;

-

Ich rola w metabolizmie komórkowym jest
nieistotna lub nieznana z punktu widzenia
przeżycia drobnoustroju;

-

Synteza zachodzi w fazie stacjonarnej wzrostu,
w warunkach niedoboru składników odżywczych

-

Wyjątek - antybiotyki polipeptydowe

Wyjątek - antybiotyki polipeptydowe

K M P i B

Antybiotyki c. d.

Antybiotyki c. d.

Trofofaza

Trofofaza

- zrównoważony wzrost, okres syntezy

- zrównoważony wzrost, okres syntezy

metabolitów pierwotnych

metabolitów pierwotnych

Idiofaza

Idiofaza

– faza gromadzenia i utrzymywania życia,

– faza gromadzenia i utrzymywania życia,

której towarzyszy synteza metabolitów wtórnych

której towarzyszy synteza metabolitów wtórnych

K M P i B

Antybiotyki

Antybiotyki

β

β

-

-

laktamowe

laktamowe

Należą tutaj:

Należą tutaj:

-

penicyliny

penicyliny

- wytwarzane przez grzyby nitkowate z rodzaju

- wytwarzane przez grzyby nitkowate z rodzaju

Penicillium, Aspergillus, Cephalosporium oraz przez

Penicillium, Aspergillus, Cephalosporium oraz przez

promieniowce;

promieniowce;

-

cefalosporyny

cefalosporyny

- produkowane przez grzyby

- produkowane przez grzyby

Cephalosporium oraz przez promieniowce Streptomyces;

Cephalosporium oraz przez promieniowce Streptomyces;

-

cefamycyny

cefamycyny

- 7-metoksypochodne cefalosporyn

- 7-metoksypochodne cefalosporyn

(zawierają przy

(zawierają przy

C-7 pierścienia

C-7 pierścienia

β

β

-laktamowego grupę -OCH

-laktamowego grupę -OCH

3

3

)

)

syntezowane przez promieniowce

syntezowane przez promieniowce

K M P i B

Antybiotyki

Antybiotyki

β

β

-

-

laktamowe

laktamowe

-

Obecnie na drodze pełnej biosyntezy otrzymywane są:

Obecnie na drodze pełnej biosyntezy otrzymywane są:

- penicylina G oraz V

- penicylina G oraz V

- cefalosporyna C

- cefalosporyna C

-

Pozostałe penicyliny i cefalosporyny sa antybiotykami

Pozostałe penicyliny i cefalosporyny sa antybiotykami

pólsyntetycznymi o trzymywane są na bazie:

pólsyntetycznymi o trzymywane są na bazie:

- kwau 6 – aminopenicylanowego (kwas 6AP)

- kwau 6 – aminopenicylanowego (kwas 6AP)

- kwasu 7 – aminocefalosporanowego (kwas 7AC)

- kwasu 7 – aminocefalosporanowego (kwas 7AC)

K M P i B

Penicylina G

Penicylina G

K M P i B

K M P i B

K M P i B

Penicylina G -

Penicylina G -

produkcja

produkcja

1.

1.

Zarodnikowanie szczepu – podłoże niskiej zawartości N i C

Zarodnikowanie szczepu – podłoże niskiej zawartości N i C

2.

2.

Hodowle wstępne – kolby, bioreaktory o obj. 1 – 5 l

Hodowle wstępne – kolby, bioreaktory o obj. 1 – 5 l

3.

3.

Namnażanie w obj. Kilku do kilkunastu m

Namnażanie w obj. Kilku do kilkunastu m

3

3

4.

4.

Fermentor produkcyjny - 50 – 200 m

Fermentor produkcyjny - 50 – 200 m

3

3

Ad. 2- 3

Ad. 2- 3

podłoża o większej zawartości cukrów – glukozy, sacharozy,

podłoża o większej zawartości cukrów – glukozy, sacharozy,

źródło N - WNK, NH

źródło N - WNK, NH

4

4

NO

NO

3

3

,; korekta pH – CaCO

,; korekta pH – CaCO

3

3

Ad 4

Ad 4

Glukoza, laktoza, WNK, olej arachidowy, fenylooctan Na

Glukoza, laktoza, WNK, olej arachidowy, fenylooctan Na

(prekursor

(prekursor

reszty benzylowej), CaCO

reszty benzylowej), CaCO

3

3

, sole nieorganiczne.

, sole nieorganiczne.

Ważna kolejność i ilość dodawanych składników

Ważna kolejność i ilość dodawanych składników

→

→

wykres

wykres

K M P i B

K M P i B

Penicylina G - odzysk

Penicylina G - odzysk

-

Obecność reszty benzylowej – niska rozpuszczalność w

Obecność reszty benzylowej – niska rozpuszczalność w

wodzie

wodzie

-

Ekstrakcja za pomocą związków organicznych np.

Ekstrakcja za pomocą związków organicznych np.

octanem butylu

octanem butylu

-

Odzysk

Odzysk

~

~

90 % (kilkunastokrotna ekstrakcja)

90 % (kilkunastokrotna ekstrakcja)

-

Przeprowadzenie w sól sodową lub potasową ( dobra

Przeprowadzenie w sól sodową lub potasową ( dobra

rozpuszczalność w wodzie

rozpuszczalność w wodzie

-

Surowiec do produkcji kwasu 6-AP i penicylin

Surowiec do produkcji kwasu 6-AP i penicylin

półsyntetycznych

półsyntetycznych

K M P i B

Produkcja kwasu 6- AP

Produkcja kwasu 6- AP

1.

1.

Mutanty – zasady produkcji jak penicyliny G

Mutanty – zasady produkcji jak penicyliny G

2.

2.

Hydroliza chemiczna wiązania amidowego penicyliny G

Hydroliza chemiczna wiązania amidowego penicyliny G

3.

3.

Hydroliza enzymatyczna wiązania amidowego penicyliny

Hydroliza enzymatyczna wiązania amidowego penicyliny

G

G

K M P i B

Produkcja kwasu 6- AP

Produkcja kwasu 6- AP

E. coli - enzym wewnątrzkomórkowy acylaza (amidaza)

E. coli - enzym wewnątrzkomórkowy acylaza (amidaza)

penicylinowa

penicylinowa

1. Namnażanie bakterii – temp. 37

1. Namnażanie bakterii – temp. 37

º

º

C, podłoże zawierające

C, podłoże zawierające

jako induktor fenylooctan Na (1g/l) bez glukozy (represja

jako induktor fenylooctan Na (1g/l) bez glukozy (represja

kataboliczna), umiarkowane napowietrzanie

kataboliczna), umiarkowane napowietrzanie

2. Bakterie odmyte od podłoża lub oczyszczony enzym

2. Bakterie odmyte od podłoża lub oczyszczony enzym

(dezintegracja, oczyszczanie enzymu, krystalizacja)

(dezintegracja, oczyszczanie enzymu, krystalizacja)

3. Immobilizacja – Amberlit, Sephadex, żel krzemionkowy,

3. Immobilizacja – Amberlit, Sephadex, żel krzemionkowy,

alginian Na

alginian Na

4. Unieruchomione komórki lub enzym – upakowanie w

4. Unieruchomione komórki lub enzym – upakowanie w

kolumnie, przepuszczanie 4 – 8 % roztworu wodnego soli

kolumnie, przepuszczanie 4 – 8 % roztworu wodnego soli

Na lub K benzylopenicyliny, temp. 37 - 40

Na lub K benzylopenicyliny, temp. 37 - 40

º

º

C, czas 4 – 5 h.

C, czas 4 – 5 h.

K M P i B

Biotransformacja

Biotransformacja

penicyliny G

penicyliny G

K M P i B

Penicyliny półsyntetyczne

Penicyliny półsyntetyczne

K M P i B

Chlorek kwasu 5-
metylo-3-
fenyloizoksazolo-
4-
karboksylowego

Penicyliny półsyntetyczne

Penicyliny półsyntetyczne

K M P i B

Penicyliny półsyntetyczne

Penicyliny półsyntetyczne

K M P i B

Penicyliny półsyntetyczne - proleki

Penicyliny półsyntetyczne - proleki

K M P i B

Penicyliny półsyntetyczne

Penicyliny półsyntetyczne

K M P i B

Penicyliny półsyntetyczne

Penicyliny półsyntetyczne

K M P i B

Penicyliny półsyntetyczne

Penicyliny półsyntetyczne

K M P i B

Czy ja jestem

Czy ja jestem

zmodyfikowany

zmodyfikowany

genetycznie, czy

genetycznie, czy

naturalny?

naturalny?

OTO JEST

OTO JEST

PYTANIE

PYTANIE

K M P i B