Основні теоретичні відомості про антибіотики

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до курсової роботи “Виробництво бензилпеніциліну”: 29 с., 7 рис., 1 таблиця, 9 літературних джерел, 2 додатка.

Об’єкт дослідження – технологія отримання бензилпеніциліну шляхом мікробіологічного синтезу.

Мета роботи – аналіз процесу отримання бензилпеніциліну шляхом мікробіологічного синтезу, опис основних стадій технології виробництва антибіотиків.

Метод дослідження – аналіз літературних джерел, графічне проектування.

Антибіотики, бензилпеніцилін (пеніцилін G), 6-апк, Penicillium chrisogenum, безперервний метод стерилізації, Кукурудзяний екстракт, фенілоцтова кислота, фенілацетамід, феноксиоцтова кислота, електролітична коагуляція, йонообмінні смоли, ліофілізація.

ЗМІСТ

ВСТУП

1. Основні теоретичні відомості про антибіотики

2. Теорія біосинтезу антибіотиків

3. Технологія біосинтезу бензилпеніциліну

3.1 Характеристика об’єкту біосинтезу

3.2 Характеристика продуцента

3.3 Підготовка посівного матеріалу

3.4 Характеристика поживного середовища

3.5 Стерилізація поживного середовища

3.6 Особливості перебігу процесу ферментації

3.7 Особливості процесу виділення і очистки пеніциліну

3.8 Контроль якості отриманого антибіотика

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ДОДАТКИ

ВСТУП

Одним із ключових відкриттів ХХ століття по праву можна вважати з’ясування противомікробних властивостей пліснявих грибів, зокрема роду Penicillium. Проте історія пошуку препарату, що міг би врятувати людину від багатьох інфекційних захворювань почалась ще задовго до ХХ століття. В 1871 р. В.А. Манасеїним було встановлено, що зелена цвіль Penicillium glaucum знищує бактерії, що потрапляють у культуральне середовище. Ця властивість Penicillium була тоді ж використана лікарем А. Г. Полотебневим, що використовував змочені цієї цвіллю пов'язки для лікування гнійних ран і виразок.

Видатне відкриття російських учених не одержало широкого розповсюдження, і в 1928 р. англієць Олександр Флемінг удруге виявив здатність цвілевого грибка Penicillium пригнічувати ріст мікроорганізмів. Було показано, що загибель мікробів обумовлена невідомою органічною речовиною, названою пеніциліном. Однак виділення пеніциліну в чистому вигляді в той же час не було здійснене, у зв’язку із його термолабільністю, і недосконалістю методів виділення та очищення.

У роки Другої Світової Війни величезна практична потреба в ефективних антибактеріальних препаратах привернула до пеніциліну увагу широкого кола фахівців, і приблизно з 1939 р. почався період інтенсивних досліджень. Завдяки цьому у відносно короткий термін (3 – 5 років) англійцями Х. Флорі й А. Четтеном (1940) були розроблені способи промислового одержання й очищення пеніциліну, вивчені його лікувальні властивості й методи клінічного застосування, а також встановлена його хімічна структура.

Технологія виготовлення антибіотиків на початку своєї історії була дуже примітивною, іноді навіть кустарною. Культивування велося поверхневим способом, технологія очищення була недостатньою щоб отримати препарат високого ступення чистоти. Проте на сьогоднішній день досягнення науки та техніки дозволяють отримувати надзвичайно чисті препарати антибіотиків, зокрема, за рахунок хроматографічних, йонообмінних та мембранних методів очищення. Значний внесок в підвищення якості препаратів принесло впровадження технології напівсинтеничних антибіотиків.

Важливо зазначити, що попри велику кількість створених антибіотиків, тільки невелика кількість знайшла практичне застосування. Пеніцилін, незважаючи на свою майже столітню історію, виготовляється в достатньо великих кількостях і на сьогоднішній день.

 

Технологія біосинтезу бензилпеніциліну

Характеристика продуцента

 

В якості продуцента широко використовують культури Penicillium chrisogenum, види Penicillium утворюють спори (конідії).

До роду Penicillium входять гіфальні мікроорганізми із септованим міцелієм, що утворює конідіальні китиці на септованих конідієносцях. Конідії одноклітинні, круглі або овальні і переважно зеленого кольору (див. додаток 2).

Рід Penicillium нараховує близько 900 описаних видів, систематика яких значною мірою базується на особливостях формування китиць (одномутовчасті, двохмутовчасті, неправильні). Рід поділяється на підроди: Eupenicillium, Gliocladium, Scopulariopsis, Paecilomyces, Citromyces.

Penicillium chrysogenum належить до секції Asymmetrica, підсекції Asymmetrica-Velutina. Колонії на агаризованому середовищі плоскі, бархатисті. Розвинутий повітряний міцелій. З верхньої сторони колонії синьо-зелені, іноді з краплинами жовтого екссудату, з нижньої – безбарвні або жовтуваті. Конідії від еліптичних (3,3 × 4 мкм) до округлих (4 мкм), часто зібрані в тісні колонки. Конідієносці гладенькі [5].

В розвитку міцелію спостерігається ряд різних фаз. На початку і в середині розвитку міцелію у клітинах накопичуються жири. Згодом їх кількість зменшується, з’являються вакуолі з гранулами рибонуклеополіфосфатів, потім починається автоліз. Інтенсивний синтез пеніциліну починається за наявності великої кількості біомаси міцелію, за повного виснаження глюкози і молочної кислоти в середовищі і за рН, близького до нейтрального.

Під час вивчення пеніциліну встановлено, що серед продуктів його кислотного гідролізу завжди присутня β-диметилцистеїн. Введенням в поживне середовище речовин із міченими атомами C¹⁴, N¹⁵, S³² було вивчено механізм біосинтезу пеніциліну.

Прийнято вважати, що бензилпеніцилінова кислота синтезується із L-цистина, фенілоцтової кислоти і диметилпіровиноградної кислоти.

Для отримання пеніциліну спочатку розмножують спори. Їх можна вирощувати на агаризованих середовищах, в складі яких входить 0,5 % меляси, 0,5 % пептону, 0,4 % повареної солі, 0,01 % однозаміщеного фосфату калію і 0,005 % сульфату магнію. Спори вирощують за температури 25 – 27 °С протягом 4 – 5 діб.

В промисловості спори часто отримують, вирощуючи міцелій в скляних флаконах на просяному середовищі. Висушений споровий матеріал можна зберігати навіть за кімнатної температури.

Отриманий споровий матеріал використовують для засіву інокуляторів (1 – 3 флакони на апарат, де міцелій розмножують до кількості 5 – 10 % від об’єму посівних ферментерів) [4].

Промислові штами під час селекції дають невелику кількість варіантів, із яких відбирають найбільш активні і стабільні для подальшого використання. Культури зберігаються в ліофілізованому стані протягом 3 років. Пеніциліни також можуть синтезувати Penicillium notatum, P. brevicompactum, P. nigricans, P. turbatum, P. steckii, P. corylophylum, Aspergillus flavus, A. janus, A. nidulans [5].

Висновки

Отже, промисловий процес виготовлення бензилпеніциліну проходить за наступними етапами:

1. Селекція високопродуктивного штаму продуцента.

2. Підготовка посівного матеріалу та поживного середовища.

3. Стадія біосинтезу.

4. Стадія попередньої обробки культуральної рідини.

5. Стадія виділення й очищення антибіотика.

6. Стадія одержання готової продукції.

7. Контроль якості бензилпеніциліну.

В процесі виготовлення бензилпеніциліну особливу увагу приділяють внесенню в поживне середовище речовин-попередників, тобто сполук, які продуцент буде використовувати для синтезу бензилпеніциліну. До них належать фенілоцтова кислота, фенілацетамід, феноксиоцтова кислота.

У сучасних умовах виробництва вживають заходів для максимального зниження собівартості препаратів шляхом інтенсифікації всіх стадій технологічного процесу й, насамперед, підвищенням ефективності першої стадії – біосинтезу антибіотичної речовини.

Для цього необхідно:

а) впровадження у виробництво найбільш високопродуктивних штамів мікроорганізмів-продуцентів антибіотиків;

б) створення й забезпечення найсприятливіших умов розвитку продуцента антибіотика на відносно дешевих середовищах;

в) широке використання математичних методів планування процесу розвитку організму й електронно-обчислювальної техніки з метою оптимізації й моделювання умов його культивування, що забезпечують максимальний вихід антибіотика;

г) застосування сучасного обладнання на всіх стадіях технологічного процесу з автоматизованими системами, що контролюють основні параметри розвитку організму і стадій біосинтезу антибіотика.

 

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до курсової роботи “Виробництво бензилпеніциліну”: 29 с., 7 рис., 1 таблиця, 9 літературних джерел, 2 додатка.

Об’єкт дослідження – технологія отримання бензилпеніциліну шляхом мікробіологічного синтезу.

Мета роботи – аналіз процесу отримання бензилпеніциліну шляхом мікробіологічного синтезу, опис основних стадій технології виробництва антибіотиків.

Метод дослідження – аналіз літературних джерел, графічне проектування.

Антибіотики, бензилпеніцилін (пеніцилін G), 6-апк, Penicillium chrisogenum, безперервний метод стерилізації, Кукурудзяний екстракт, фенілоцтова кислота, фенілацетамід, феноксиоцтова кислота, електролітична коагуляція, йонообмінні смоли, ліофілізація.

ЗМІСТ

ВСТУП

1. Основні теоретичні відомості про антибіотики

2. Теорія біосинтезу антибіотиків

3. Технологія біосинтезу бензилпеніциліну

3.1 Характеристика об’єкту біосинтезу

3.2 Характеристика продуцента

3.3 Підготовка посівного матеріалу

3.4 Характеристика поживного середовища

3.5 Стерилізація поживного середовища

3.6 Особливості перебігу процесу ферментації

3.7 Особливості процесу виділення і очистки пеніциліну

3.8 Контроль якості отриманого антибіотика

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ДОДАТКИ

ВСТУП

Одним із ключових відкриттів ХХ століття по праву можна вважати з’ясування противомікробних властивостей пліснявих грибів, зокрема роду Penicillium. Проте історія пошуку препарату, що міг би врятувати людину від багатьох інфекційних захворювань почалась ще задовго до ХХ століття. В 1871 р. В.А. Манасеїним було встановлено, що зелена цвіль Penicillium glaucum знищує бактерії, що потрапляють у культуральне середовище. Ця властивість Penicillium була тоді ж використана лікарем А. Г. Полотебневим, що використовував змочені цієї цвіллю пов'язки для лікування гнійних ран і виразок.

Видатне відкриття російських учених не одержало широкого розповсюдження, і в 1928 р. англієць Олександр Флемінг удруге виявив здатність цвілевого грибка Penicillium пригнічувати ріст мікроорганізмів. Було показано, що загибель мікробів обумовлена невідомою органічною речовиною, названою пеніциліном. Однак виділення пеніциліну в чистому вигляді в той же час не було здійснене, у зв’язку із його термолабільністю, і недосконалістю методів виділення та очищення.

У роки Другої Світової Війни величезна практична потреба в ефективних антибактеріальних препаратах привернула до пеніциліну увагу широкого кола фахівців, і приблизно з 1939 р. почався період інтенсивних досліджень. Завдяки цьому у відносно короткий термін (3 – 5 років) англійцями Х. Флорі й А. Четтеном (1940) були розроблені способи промислового одержання й очищення пеніциліну, вивчені його лікувальні властивості й методи клінічного застосування, а також встановлена його хімічна структура.

Технологія виготовлення антибіотиків на початку своєї історії була дуже примітивною, іноді навіть кустарною. Культивування велося поверхневим способом, технологія очищення була недостатньою щоб отримати препарат високого ступення чистоти. Проте на сьогоднішній день досягнення науки та техніки дозволяють отримувати надзвичайно чисті препарати антибіотиків, зокрема, за рахунок хроматографічних, йонообмінних та мембранних методів очищення. Значний внесок в підвищення якості препаратів принесло впровадження технології напівсинтеничних антибіотиків.

Важливо зазначити, що попри велику кількість створених антибіотиків, тільки невелика кількість знайшла практичне застосування. Пеніцилін, незважаючи на свою майже столітню історію, виготовляється в достатньо великих кількостях і на сьогоднішній день.

 

Основні теоретичні відомості про антибіотики

бензилпеніцилін мікробіологічний антибіотик

Антибіотики – специфічні продукти життєдіяльності різних груп мікроорганізмів, нижчих та вищих рослин і тварин або їх модифікації, що володіють високою фізіологічною активністю по відношенню до певних груп мікроорганізмів або злоякісних пухлин, вибірково затримують їх ріст або пригнічують розвиток.

Утворення антибіотиків – спадково закріплена особливість метаболізму організмів. Це проявляється в тому, що кожний вид (або навіть штам) здатний утворювати один або декілька визначених, строго специфічних для нього антибіотичних речовин. Метаболіти являються проміжними продуктами обміну речовин, результатом катаболічних і анаболічних реакцій, кінцевий продукт обміну – антибіотики – синтезуються із первинних метаболітів. Разом з тим, один вид антибіотиків може синтезуватися декількома видами організмів. Утворення антибіотиків зумовлено визначеним характером обміну речовин, що виник та закріпився в процесі еволюції організму.

Утворення антибіотиків – біологічний фактор, що має адаптаційне значення. Для продуцента здатність до продукції антибіотиків важлива не постійно, а лише в несприятливих умовах, наприклад, у разі нестачі поживних речовин, або у випадку контакту із специфічними продуктами життєдіяльності іншого організму.

Специфічність антибіотиків характеризується:

– високою біологічною активністю по відношенню до чутливих до них організмів, тобто здатність проявляти ефект навіть за низьких концентрацій;

– вибірковістю дії, тобто здатністю конкретного антибіотику проявляти свою дію лише по відношенню до визначених організмів або їх груп, не впливаючи на інші форми живих істот.

Величину біологічної активності антибіотиків виражають в умовних одиницях, що містяться в 1 мл (од/мл) або в 1 мг (од/мг) препарату. За одиницю антибіотичної активності приймають мінімальну кількість антибіотику, що здатна пригнітити або зупинити ріст визначеного числа клітин стандартного штаму тест-організма в одиниці об'єму поживного середовища. За одиницю активності пеніциліну прийнято мінімальну кількість препарату, здатного затримати ріст золотистого стафілококу (штам 209) в 50 мл живильного бульйону.

Пригнічення росту мікроорганізмів антибіотиками може здійснюватися тільки за наявності трьох умов:

– біологічно-важлива для життєдіяльності бактерій система повинна реагувати на дію низьких концентрацій препарату через визначену точку впливу;

– препарати повинні володіти властивістю проникати в бактеріальну клітину і впливати на точку впливу;

– препарат не повинний інактивовуватися раніше, ніж вступить у взаємодію з біологічно активною системою бактерій [1].

Класифікація антибіотиків може проходити за різними критеріями:

1. Класифікація антибіотиків за біологічним походженням:

а) антибіотики, продуковані мікроорганізмами, що належать до еубактерій;

б) антибіотики, продуковані мікроорганізмами, що належать до порядку Actinomycetales;

в) антибіотики, утворені ціанобактеріями;

г) антибіотики, утворені недосконалими грибами;

д) антибіотики, утворені грибами, що належать до класів базидоміцетів і аскоміцетів;

е) антибіотики, утворені лишайниками, водоростями і нижчими рослинами;

є) антибіотики, утворені вищими рослинами;

ж) антибіотики тваринного походження.

2. Класифікація за спектром біологічної дії:

а) протибактеріальні антибіотики вузького спектра дії, активні переважно по відношенню до грампозитивних мікроорганізмів;

б) протибактеріальні антибіотики широкого спектра дії;

в) протитуберкульозні антибіотики;

г) протигрибкові антибіотики;

д) протипухлинні антибіотики.

3. Класифікація антибіотиків за хімічною будовою:

а) антибіотики ациклічної будови;

б) антибіотики аліциклічної будови;

в) тетрацикліни;

г) ароматичні антибіотики;

д) антибіотики-хінони;

е) антибіотики-кисневмісні гетероциклічні сполуки;

є) антибіотики-азотовмісні гетероциклічні сполуки;

ж) антибіотики-аміноглікозиди;

з) металовмісні антибіотики [2].

Тип дії антибіотиків може бути цидним (бактеріоцидним, фунгіцидним, віріоцидним, протозоацидним), під цим розуміється невідворотне порушення життєдіяльності інфекційного агенту, і статичним (бактеріостатичним, фунгістатичним, віріостатичним, протозоастатичним), що спричиняє призупинення життєдіяльності і розмноження збудника.

Антибіотики повинні володіти високою вибірковою токсичністю, тобто вони повинні бути токсичними по відношенню до мікробних клітин і нешкідливими до клітин організму хворого.

Залежно від точки впливу і механізму біологічної дії, антибіотики поділяють на:

1. Специфічні інгібітори біосинтезу клітинної стінки: пеніциліни, цефалоспорини, цефаміцини, ванкоміцин, ристоміцин, циклосерин.

2. Препарати, що порушують молекулярну організацію та функціонування біологічних мембран: поліміксини, полієни.

3. Препарати, що пригнічують синтез білку на рівні рибосом: макроліди, лінкоіцини, аміноглікозиди, тетрацикліни, левоміцетин, фузидин.

4. Інгібітори синтезу РНК на рівні РНК-полімерази та інгібітори, що діють на метаболізм фолієвої кислоти: рифампіцини.

5. Інгібітори синтезу РНК на рівні ДНК-матриці: актиноміцини, антибіотики групи аурелової кислоти.

6. Інгібітори синтезу ДНК на рівні ДНК-матриці: мітоміцин С, антрацикліни [1].