Biosynteza antybiotyków

Biosynteza
antybiotyków
Cytowane schematy procesów pochodzą z podręcznika:
„Biotechnologia i chemia antybiotyków” A. Chmiel S. Grudziński
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
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)
2. Pochodne cukrowe
• czyste cukry (np. nojirymycyna)
• aminoglikozydy (np. streptomycyna, gentamycyna)
• C-glikozydy (np. wankomycyna)
• N-glikozydy (np. streptotrycyna)
• glikolipidy (np. moenomycyna)
3. Antybiotyki makrocykliczne
makrolidy właściwe (np. erytromycyna, oleandomycyna)
makrolidy polienowe (np. amfoterycyna, nystatyna)
ansamycyny (np. ryfamycyny)
makrotetrolidy (np. tetranaktyna)
a,b-diketoamidolaktony (np. tacrolimus)
4. Chinony i ich pochodne
• antracykliny (np. daunorubicyna, aklarubicyna)
• tetracykliny (np. chlorotetracyklina, oksytetracyklina)
• naftochinony (np. aktynorodyna)
• benzochinony (np. mitomycyna)
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)
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)
• 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
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
Dlaczego drobnoustroje
biosyntezują antybiotyki?
Hiopotezy:
- Pełnią funkcję ekologiczną
- Stanowią relikt procesu ewolucyjnego
- Stanowią wyraz wolnej gry ewolucyjnej
Etapy prac nad
pozyskaniem nowego
leku antybiotycznego
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
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
Antybiotyki b-laktamowe
Podstawowe struktury
Podstawowe struktury związków b-laktamowych
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 1928 - Penicyllium notatum – wydajność kilka mg/l
kilkadziesiąt lat optymalizacji
podłoża, szczepu i warunków biosyntezy
Aktualnie – P. chrysogenum – wydajność 50 (100 ?) mg/l
Znanych jest około 10 penicylin naturalnych
W procesie biosyntezy na skalę techniczną otrzymywana
jest:
•Penicylina benzylowa (G)
•Penicylina fenoksymetylowa (V)
•Kwas 6-aminopenicylanowy (?)
Penicyliny i cefalosporyny naturalne
Biogeneza penicylin
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
• Regulacja związkami azotu - nadmiar NH4+
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
27o C
wyczerpanie glukozy
24 -25o C
Bioreaktor do biosyntezy penicyliny:
Pojemność 150-200m3 (300-400 m3)
Morfologia grzybni
Wzrost grzybni:
optimum - średnica 25 - 1000mm
Podłoża technologiczne
• Namnażanie zarodników: podłoże ubogie, sprzyja
zarodnikowaniu
sacharoza, NH4NO3 , PO43-, K+, Mg2+, Fe3+
• Przygotowanie inokulum: podłoże wzbogacone
sacharoza, glukoza lub glukoza+ laktoza 40 g/l, NH4NO3 i namok
kukurydziany (CSL= WNK), CaCO3
• Podłoże produkcyjne: decyduje minimalizacja kosztów i
wydajność biosyntezy (dane w g/l)
glukoza - do 15, laktoza - 50, WNK - 20-30, olej arachidowy - 5-10,
fenylooctan sodowy - 3-4, CaCO3 - do 10, NaNO3 - do 5, Na2SO4 0,5, K2SO4 - do 1, KH2PO4 - do 4, MgSO4* 7H2O - 0,25, ZnSO4*
7H2O - do 0,04, MnSO4 - do 0,02 pH=6,5-7,4
Biosynteza
penicylin
sterowana
dodatkiem
prekursorów
A - kwas oktanowy
B - kwas fenylooctowy
C – kwas fenoksyoctowy
Mutasynteza
Porównanie struktury chemicznej naturalnej
penicyliny N i zmodyfikowanej penicyliny -produktu
mutasyntezy
Penicyliny modyfikowane chemicznie
Udział składników podłoża produkcyjnego w kosztach
bezpośrednich procesu biosyntezy oraz w całkowitych
kosztach produkcji penicyliny G.
Izolacja antybiotyku
Wyodrębnianie i
oczyszczanie
penicyliny