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