Криобиологические сосуды > Химия и биотехнология > Антибиотики и стероиды

Антибиотики и стероиды


Антибиотики (группа веществ микробного происхождения) играют большую роль в нашей жизни. В медицине и ветерина­рии они с успехом применяются как противомикробные и про­тивоопухолевые препараты; с их помощью контролируется рост растений и ведется борьба с болезнями. Все антибиотики были выделены в ходе систематического скрининга микроорганизмов; число их было существенно увеличено путем химической моди­фикации, цель которой состоит в
1) расширении спектра дейст­вия и повышении эффективности;
2) снижении токсичности и устранении нежелательных побочных эффектов;
3) создании аналогов, устойчивых к разрушению микробами и обладающих поэтому большим временем полужизни;
4) усовершенствовании способов их введения.
Со времени открытия и описания первых антибиотиков полу­чили путевку в жизнь целое поколение полусинтетических пеии-циллинов, цефалоспоринов, аминогликозидов, тетрациклинов, рифамицинов, макролидов и линкозаминидов. Эти соединения очень сложны, и метод полного химического синтеза не может конкурировать с их производством методом ферментации. По­скольку микробы могут разрушать антибиотики, возникла мысль модифицировать природные антибиотики ферментами микроорганизмов (вспомним о превращениях стероидов), но лишь немногие из таких веществ оказались экономически приемлемыми (6-аминопенициллановая кислота, 6-диметилтет-рациклины). Существует три основных способа получения но­вых антибиотиков.
1. Прямая ферментация. В этом случае используются" обра­зующие антибиотик микроорганизмы, которые синтезируют но­вые биологически активные соединения в присутствии подходящих предшественников или ингибиторов метаболизма. Так, Penicillium chrysogenum не только синтезирует пенициллин, но и включает фенилуксусную кислоту в бензилпенициллин, а дру­гие предшественники — в аналоги пенициллина. Этот принцип находит широкое применение, например, при получении новых блеомицинов путем добавления аминов к культуре S. verticillub и новых актиномицинов — путем добавления 4-метилпролина к среде для выращивания S. parvulus. При подавлении синтеза антибиотиков также иногда образуются полезные вещества. Так, при подавлении процесса присоединения хлора S. aureofa-ciens образует тетрациклин, а не хлортетрациклин. Если в сре­ду ферментации добавить L-метионин, то ингибируются реакции метилирования и синтезируется 6-деметил-7-хлортетрациклин (табл. 4.2).
 
Таблица 4.2
 
ингибируются реакции метилирования
2. Мутанты организмов-продуцентов иногда образуют био­логически активные промежуточные продукты какого-то опре­деленного пути биосинтеза антибиотиков либо соединения, ко­торые могут оказаться полезными как предшественники при создании новых аналогов. «Блокированные» мутанты этого ти­па не способны образовать нужный антибиотик, если в среде отсутствует метаболитический предшественник, который в нор­ме образуется при участии фермента, действующего вслед заблокированным звеном метаболизма. Поскольку ферменты,, участвующие во вторичном метаболизме, нередко обладают от­носительно низкой субстратной специфичностью, аналоги пред­шественников антибиотиков могут быть относительно легко превращены мутантом в аналоги самого антибиотика в ходе процесса, известного как мутационный биосинтез, или мутасин-тез. Nocardia medlterranel синтезирует около двадцати разных рифамицинов (рис. 4.8). Путем добавления барбитала ход фер­ментации и как следствие спектр образуемых антибиотиков существенно меняется. Мутанты этого организма, у которого подавлена способность к ацилированию, образуют предшествен­ник рифамицина В — рифамицин SV, который служит исход­ным веществом для получения многих синтетических рифами-цинов (например, рифампицина, препарата для лечения туберкулеза, который действует и на возбудителя проказы). Другой мутант, с блокированным метилированием, синтезирует 27-деметилрифамицин SV, ценный субстрат для синтезов, кото­рый исключительно сложно получить химическими методами.
 
Структура рифамицина
Рис. 4.8. Структура рифамицина.
 
3. Особенно успешно модификация антибиотиков микроба­ми идет в следующих двух процессах.
а. При ферментативном гидролизе пенициллина с образо­ванием 6-аминОпенициллановой кислоты (6-АПК, рис. 4.9), ко­торая является ценным исходным продуктом при производстве некоторых полусинтетических, важных для медицины аналогов пенициллина. В промышленности 6-АГЩ, ядро молекулы пени-.циллина, получают путем гидролиза пенициллина или бензил-пенициллина при участии штаммов, с высоким выходом обра­зующих в ходе ферментации пенициллинацилазу; для этой же цели используют также иммобилизованную пенициллинацилазу. Исходя из типа пенициллина, который ацилазы предпочти­тельно гидролизуют, их подразделяют на группы. Некоторые из них способны катализировать и обратные реакции.
Гидролиз пенициллина
 
Рис. 4.9. Гидролиз пенициллина с образованием 6-АПК (ядра молекулы пени­циллина) или пенициллиновой кислоты.
 
На основе 6- АПК было получено более 40000 полусинтетических пеницил-.линов. В некоторых случаях не было необходимости выделять 6-АПК: примером может быть превращение бензилпенициллина в ампициллин. Гидролиз бензилпенициллина осуществляют при участии мутанта Kluyvera citrophila, после чего в ферментер
вносят мутант Pseudomonas melanogenum и метиловый эфир-DL-фенилглицина. Условия процесса изменяют таким образом, чтобы они способствовали образованию ампициллина (рис. 4.10). В роли катализатора выступает ацилаза, образуемая вторым мутантным организмом, которая не способна в этих условиях гидролизовать или синтезировать бензилпенициллин. В ходе этого двухстадийного процесса образуется только ампициллин; [D (—) -а-аминобензилпенициллин].
 Синтез ампициллина
 
Рис. 4.10. Синтез ампициллина.

б. В клинике широко применяются аминогликозидные анти­биотики (стрептомицин, неомицин, канамицин, гентамицин). Бактерии, способные их инактивировать, были выделены не только от больных, но и как самостоятельные, образующие ан­тибиотики штаммы. Их ферментативная активность может быть-частью механизма детоксикации, при помощи которого организ­мы-продуценты защищают себя от неблагоприятного воздейст­вия образуемых ими же веществ. К числу модификаций, проис­ходящих при инактивации антибиотиков, относятся N-ацетилирование, О-фосфорилирование, О-аденилирование и О-нуклеотидилирование. Установление механизма модификацию позволило планировать и осуществлять химический синтез но­вых аналогов, устойчивых к такой инактивации.
Инактивация антибиотиков по другому механизму, включая гидролиз, гидроксилирование, эпоксидирование, сульфоокисле-ние, фосфорилирование или восстановление, обычно приводит к образованию или полностью, или частично неактивных про­изводных. Их изучение позволит синтезировать новые аналоги, выявить те участки молекул, которые ответственны за антибио­тическую активность, а также создать рациональные основы «конструирования» антибиотиков и усовершенствования произ­водства.
Пенициллиназы (Я-лактамазы) гидролизуют Я-лактамное кольцо молекулы субстрата и являются основой устойчивости болезнетворных бактерий к пенициллинам и цефалоспоринам. В результате гидролиза амидной связи кольца образуется пе-нициллиновая кислота (рис. 4.9), которая полностью лишена антимикробной активности. Эти ферменты синтезируются мно­гими бактериями; они могут различаться по строению и специфичности. Глубокое изучение механизмов их действия позволи­ло наладить производство устойчивых аналогов антибиотиков, таких как ампициллин и карбенициллин, а также найти при­родные ингибиторы лактамазы — клавулановую и оливановую кислоты. Я-Лактамазы используются для оценки количества пенициллинов в пищевых продуктах и биологическом сырье, а также для инактивации пенициллина в молоке, что предот­вращает аллергические реакции у его потребителей.
В некоторых случаях получить полезные предшественники с помощью микробов не удается. Так, при выработке цефало-спорина в основном образуется цефалоспорин С, который при­ходится затем химическим методом гидролизовать до 7-амино-цефалоспорановой кислоты (рис. 4.11) и уже ее использовать как субстрат для получения новых полусинтетических цефалоспоринов.
Гидролиз цефалоспорина С.

Рис. 4.11. Гидролиз цефалоспорина С.
 
Способность микроорганизмов выступать в роли химических катализаторов впервые удалось использовать в полной мере для синтеза промышленно важных стероидов. В последние тридцать лет субстратная и стереоспецифичность ферментов нашла ши­рокое применение в производстве стероидов при осуществлении разнообразных реакций: гидроксилирования, дегидроксилирова-ния, эпоксидирования, окисления, восстановления, гидрогениза­ции, дегидрогенизации, этерификации, гидролиза эфиров и изо­меризации. Целью всеобъемлющих исследований в этой обла­сти было осуществление специфических структурных пере­строек стероидов при мягких условиях. Специфич­ность таких реакций определяется либо выбором оп­ределенного вида микроорганизмов, либо химической модифи­кацией субстрата, стереохимически исключающей другие реак­ции. Понимание зависимости между строением молекул субстрата и характером его перестройки, осуществляемой мик­роорганизмами, позволило сформулировать требования для каждой конкретной реакции, например для гидроксилирования. В определении скорости и направления реакции главную роль, как выяснилось, играют положение и ориентация замещающих групп в молекулах стероидов. История развития методов мик­робиологического преобразования стероидов представляет собой прекрасный пример сочетания химического подхода со специ­фичностью и разнообразием биологических систем. Кроме того, на этой основе может быть осуществлен синтез новых стероидов, обладающих лучшими фармакологическими свойствами.