Biosynteza antybiotyków. Cytowane schematy procesów pochodzą z podręcznika: Biotechnologia i chemia antybiotyków A. Chmiel S.

Transkrypt

1 Biosynteza antybiotyków Cytowane schematy procesów pochodzą z podręcznika: Biotechnologia i chemia antybiotyków A. Chmiel S. Grudziński

2 Technologia antybiotyków największy dział biotechnologii leków Na drodze biosyntezy otrzymywane jest: Około 50 tys ton antybiotyków dla lecznictwa (w tym modyfikowane chemicznie) Około 30 tys ton antybiotyków dla weterynarii Około 20 tys ton antybiotyków do ochrony upraw roślin Ponad 10 tys ton do konserwacji żywności

3 Podział antybiotyków ze względu na budowę chemiczną 1. Pochodne aminokwasowe antybiotyki b-laktamowe (np. penicyliny, cefalosporyny) modyfikowane aminokwasy (np. cykloseryna) antybiotyki polipeptydowe (np. polimyksyna, cyklosporyna) glikopeptydy (np. bleomycyna, wankomycyna) depsypeptydy (np. walinomycyna) lipopeptydy (np. daptomycyna) chromopeptydy (np. aktynomycyna)

4 2. Pochodne cukrowe czyste cukry (np. nojirymycyna) aminoglikozydy (np. streptomycyna, gentamycyna) C-glikozydy (np. wankomycyna) N-glikozydy (np. streptotrycyna) glikolipidy (np. moenomycyna)

5 3. Antybiotyki makrocykliczne makrolidy właściwe (np. erytromycyna, oleandomycyna) makrolidy polienowe (np. amfoterycyna, nystatyna) ansamycyny (np. ryfamycyny) makrotetrolidy (np. tetranaktyna) a,b-diketoamidolaktony (np. tacrolimus)

6 4. Chinony i ich pochodne antracykliny (np. daunorubicyna, aklarubicyna) tetracykliny (np. chlorotetracyklina, oksytetracyklina) naftochinony (np. aktynorodyna) benzochinony (np. mitomycyna)

7 5. Antybiotyki inne cykloalkany (np. cykloheksimid) nukleozydy (np. polioksyna) polietery (np. monenzyna) związki aromatyczne (np. chloramfenikol, gryzeofulwina, nowobiocyna) związki fosforoorganiczne (np. fosfomycyna) związki polieteroidowe (np. monenzyna) związki steroidowe (np. kwas fusydowy)

8 Jakie organizmy biosyntezują antybiotyki? Promieniowce - 90% znanych struktur Grzyby strzępkowe b-laktamy (penicyliny i cefalosporyny) Bakterie G+ inne niż promieniowce -antybiotyki peptydowe (bacytracyna, polimyksyna, gramicydyny) Rośliny (winkrystyna, winblastyna, paklitaksel)

9 Glony Porosty Organizmy morskie Zwierzęta (bezkręgowce, gady, ssaki) polipeptydy o charakterze kationowym, np. defensyny występujące w leukocytach, makrofagach, płucach, ssaków i hemolimfie owadów Przykłady: Megaina obecna w skórze żaby Xenopus laevis b-defensyny krowie Protegryny świńskie Cekropiny owadzie

10 Charakterystyka idiolitów drobnoustrojowych (w tym antybiotyków) Nie pełnią podstawowych funkcji biologicznych Powstają w metabolizmie ograniczonej grupy gatunków, a nawet szczepów Ich biosynteza silnie zależy od warunków hodowli i nie zawsze ulega ekspresji Są zazwyczaj syntezowane jako grupy podobnych struktur chemicznych

11 Dlaczego drobnoustroje biosyntezują antybiotyki? Hiopotezy: - Pełnią funkcję ekologiczną - Stanowią relikt procesu ewolucyjnego - Stanowią wyraz wolnej gry ewolucyjnej

12 Etapy prac nad pozyskaniem nowego leku antybiotycznego

13 Modyfikacja antybiotyków naturalnych Biotransformacje enzymatyczne Np. dla antybiotyków b-laktamowych zastosowanie acylaz penicylinowych (te same enzymy mogą katalizować hydrolizę wiązania amidowego (ph=7,5-8,5) lub syntezę (ph=6) Modyfikacje metodami chemicznymi

14 Szacunkowa światowa produkcja podstawowych grup antybiotyków dla lecznictwa Antybiotyk Wielkość produkcji (tys. ton) Penicyliny biosyntetyczne 33 Penicyliny półsyntetyczne 13,5 Cefalosporyny 9,5 Tetracykliny 4 Makrolidy 2,5 Aminoglikozydy <1 Inne <1

15 Antybiotyki b-laktamowe Podstawowe struktury

16 Podstawowe struktury związków b-laktamowych

17 Biotechnologia penicyliny Zdolność do biosyntezy penicylin posiadają: Grzyby strzępkowe z rodzajów Aspergillus, Penicyllium, Cephalosporium Niektóre szczepy promieniowców Przemysłowa produkcja oparta jest na wyselekcjonowanych szczepach mutantach i rekombinantach Penicyllium chrysogenum Flemming Penicyllium notatum wydajność kilka mg/l kilkadziesiąt lat optymalizacji podłoża, szczepu i warunków biosyntezy Aktualnie P. chrysogenum wydajność 50 (100?) mg/l

18 Znanych jest około 10 penicylin naturalnych W procesie biosyntezy na skalę techniczną otrzymywana jest: Penicylina benzylowa (G) Penicylina fenoksymetylowa (V) Kwas 6-aminopenicylanowy (?)

19 Penicyliny i cefalosporyny naturalne

20 Biogeneza penicylin

21 Regulacja biosyntezy penicyliny Regulacja kataboliczna źródłem węgla (na etapie syntezy L-a-AA) Glukoza - bardzo dobra dla do rozmnażania komórek P. chryzogenum, ale b. niekorzystna dla biosyntezy penicyliny; laktoza- przeciwnie (efekt glukozowy). Znacząca jest szybkość metabolizowania źródła węgla. Rozwiązania: Powolne dozowanie roztworu glukozy Zastosowanie glukozy i laktozy w podłożu

22 Regulacja związkami azotu - nadmiar NH 4 + represja syntetazy glutaminianowej, co ogranicza syntezę glutaminy- donora grupy aminowej w syntezie prekursorów penicyliny Regulacja fosforanowa nadmiar (ponad 100 mmol/l) jonu fosforanowego sprzyja wzrostowi grzybni hamując biosyntezę antybiotyku

23 27 o C o C wyczerpanie glukozy

24 Bioreaktor do biosyntezy penicyliny: Pojemność m 3 ( m 3 )

25 Morfologia grzybni Wzrost grzybni: optimum - średnica mm

26 Podłoża technologiczne Namnażanie zarodników: podłoże ubogie, sprzyja zarodnikowaniu sacharoza, NH 4 NO 3, PO 4 3-, K +, Mg 2+, Fe 3+ Przygotowanie inokulum: podłoże wzbogacone sacharoza, glukoza lub glukoza+ laktoza 40 g/l, NH 4 NO 3 i namok kukurydziany (CSL= WNK), CaCO 3 Podłoże produkcyjne: decyduje minimalizacja kosztów i wydajność biosyntezy (dane w g/l) glukoza - do 15, laktoza - 50, WNK , olej arachidowy , fenylooctan sodowy - 3-4, CaCO 3 - do 10, NaNO 3 - do 5, Na 2 SO 4-0,5, K 2 SO 4 - do 1, KH 2 PO 4 - do 4, MgSO 4 * 7H 2 O - 0,25, ZnSO 4 * 7H 2 O - do 0,04, MnSO 4 - do 0,02 ph=6,5-7,4

27 Biosynteza penicylin sterowana dodatkiem prekursorów A - kwas oktanowy B - kwas fenylooctowy C kwas fenoksyoctowy

28 Mutasynteza

29 Porównanie struktury chemicznej naturalnej penicyliny N i zmodyfikowanej penicyliny -produktu mutasyntezy

30 Penicyliny modyfikowane chemicznie

31 Udział składników podłoża produkcyjnego w kosztach bezpośrednich procesu biosyntezy oraz w całkowitych kosztach produkcji penicyliny G.

32 Izolacja antybiotyku

33 Wyodrębnianie i oczyszczanie penicyliny