Курсовая работа (т): Процес біосинтезу аміноглікозидного антибіотика тобраміцину

Процес біосинтезу аміноглікозидного антибіотика тобраміцину

ЗМІСТ

РЕФЕРАТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. Значення антибіотиків у життєдіяльності людини

1.1 Вплив на біохімічні процеси в організмі

.2 Галузі застосування антибіотиків

РОЗДІЛ 2. Порівняльна характеристика методів одержання і промислових способів виробництва антибіотиків

.1 Промисловий спосіб одержання тобраміцину

.2 Вплив тобраміцину на біохімічні процеси в організмі

2.3 Основні галузі застосуання тобраміцину

РОЗДІЛ 3. Характеристика кінцевого продукту − антибіотика тобраміцин

.1 Характеристика тобраміцину

.2 Фармакологія

.3 Застосування тобраміцину

РОЗДІЛ 4. Обґрунтування вибору технологічної схеми

.1 Обґрунтування вибору біологічного агента

.2 Обґрунтування вибору складу поживного середовища

.3 Обрахунок складу поживного середовища

.4 Обґрунтування способу проведення біосинтезу

.5 Обґрунтування вибору ферментаційного обладнання

РОЗДІЛ 5. Характеристика біологічного агента

.1 Таксономічний статус біологічного агента

.2 Морфолого-культуральні ознаки

.3 Фізіолого-біохімічні ознаки біологічного агента

РОЗДІЛ 6. Опис технологічного процесу біосинтезу тобраміцину

.1 Підрахунок кількості стадій підготовки посівного матеріалу

.2 Опис технологічного процесу

.3 Контроль виробництва

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ДОДАТКИ

РЕФЕРАТ

Робота присвячена вивченню процесу біосинтезу аміноглікозидного антибіотика тобраміцину, продуцентом якого є актиноміцет Streptomyces tenebrarius. Складається зі вступу, шести розділів, графічних матеріалів та списку використаної літератури.

Курсова робота викладена на 60 сторінках друкованого тексту, в тому числі 2 таблиці, 3 рисунка, 2 креслення формату А3.

У роботі дано обґрунтування та викладено технологічний процес ділянки біосинтезу виробобництва препарату, який включає блок допоміжних робіт та стадії вирощування культури

Ключові слова: Streptomyces tenebrarius, тобраміцин, аміноглікозидний антибіотик, поживні середовища, біосинтез.

ВСТУП

Можливість держави у підтриманні здоров’я нації повністю залежить від стану фармацевтичної галузі. Тому виробництво лікарських засобів є важливим і актуальним питанням.

Недостатній рівень забезпечення населення України якісними ліками за доступними цінами ставить проблему розвитку національної фармацевтичної індустрії у ряд найважливіших державних проблем. Одним із основних напрямків фармацевтичної промисловості є отримання та забезпечення населення антибіотиками [7].

Антибіотики − органічні речовини, що синтезуються мікроорганізмами в природі для захисту від інтервенції інших видів мікроорганізмів. Як правило, антибіотики виділяють з живих бактерій або грибів. Існує також велика кількість синтетичних антибіотиків, які відрізняються модифікаціями функціональних груп природніх антибіотиків. Такі модифіковані сполуки часто ефективніші, або стійкіші до нейтралізації, що виникає внаслідок набутої мікроорганізмами резистентності[7].

За хімічною структурою антибіотики об'єднують різноманітні групи сполук. Зокрема, сполуки, що блокують біосинтез білка на рибосомах; сполуки, що утворюють іоно-проникні канали у плазматичній мембрані, та ін. Характерною особливістю антибіотиків є їхня здатність порушувати певні ланки обміну речовин мікроорганізмів або дію деяких їхніх ферментів [7].

Біотехнологічним шляхом отримують такий важливий антибіотик, як тобраміцин.

Тобраміцин - це сильний, швидкодіючий бактерицидний антибіотик з групи аміноглікозидів, що протидіє як грампозитивним, так і грамнегативним мікроорганізмам. Його головна дія спрямована на бактеріальні клітини, пригнічуючи комплекс поліпептидів та синтез у рибосомах [15].

Загалом дія тобраміцину описана in vitro шляхом визначення мінімальної інгібуючої концентрації (МІК), що вимірює активність антибіотика проти кожного виду бактерій. Так як МІК тобраміцину дуже низька проти більшості очних патогенних організмів, то він вважається антибіотиком широкого спектру дії. Були визначені критичні значення МІК, що визначають чутливість або резистентність бактеріальної культури до певного антибіотику. Під час клінічних досліджень розчин тобраміцину, що застосовувався місцево, виявив ефективність проти багатьох штамів існуючих очних патогенних організмів у пацієнтів, які брали участь у дослідженнях. Вважається, що деякі з цих очних патогенних організмів є “стійкими”, базуючись на визначенні критичних значень при системному застосуванні. Не було повідомлень про будь-які серйозні офтальмологічні або системні побічні дії, пов’язані із застосуванням препарату. Єдиною побічною дією, пов’язаною з лікуванням, про яку повідомлялося, було відчуття дискомфорту в очах [15].

Актуальність теми

Вивчення продуцента антибіотика тобраміцину - Streptomyces tenebrarius є доцільним і актуальним на сьогодні. Адже вже доведено, що мікробіологічний синтез антибіотиків значно переважає за собівартістю, швидкістю і кінцевим результатом хімічне виробництво. Також S. tenebrarius - єдиний мікроорганізм, який синтезує тобраміцин у великих кількостях, використовуючи при цьому для росту дешеве поживне середовище [15].

Новизна

Для синтезу антибіотику тобраміцин використовуються штами, які раніше не мали важливого значення для біотехнологічного виробництва.

РОЗДІЛ 1. Значення антибіотиків у життєдіяльності людини

Біотехнологічна продукція використовується майже у всіх галузях народного господарства: хімічному виробництві (полісахариди, біокаталіз, біодеградабельні полімери), харчовій промисловості (дріжджі, спирт, глюкозні сиропи, ферменти, амінокислоти), сільському господарстві (кормовий білок, амінокислоти, засоби захисту рослин і тварин), медицині (антибіотики, вакцини, гормони, ферменти), енергетиці (біоетанол, біогаз, біодизель), екології (біоремедіація, збереження біорізноманіття) [4].

Одним з основних напрямів біотехнології є отримання антибіотиків. Антибіотики − спеціальні продукти життєдіяльності мікроорганізмів і їхньої модифікації, що володіють високою фізіологічною активністю стосовно визначених груп мікроорганізмів (вірусів, бактерій, грибків, водоростей) чи до злоякісних пухлин. Потрібні в дуже малих концентраціях (мають високу специфічність).

Характерними ознаками антибіотиків є наступні [4]:

. Вибірковість дії. У цьому полягає їх відмінність від загальнобіологічних отрут (спирт, перекис водню, перманганат калію, ціаніди, фенол та ін.). Кожен антибіотик активний щодо певних груп організмів і не впливає на інші форми живих істот;

2. Висока біологічна активність щодо чутливих до них організмів. Тобто антибіотики активні за дуже низьких концентрацій. Так, концентрація пеніциліну, що спричиняє бактерицидну дію, становить 10-6 г/мл [4].

1.1 Вплив на біохімічні процеси в організмі

Унікальність антибіотиків заключається в тому, що, на відмінну від багатьох інших лікарських засобів, їх мішень-рецептор знаходиться не в тканинах людини, а в клітинах мікроорганізмів [5].

Як правило, антибіотики синтизуються бактеріями або грибами. Існує також велика кількість синтетичних антибіотиків, які відрізняються модифікаціями функціональних груп природних антибіотиків. Такі модифіковані сполуки часто ефективніші, або стійкіші до нейтралізації, що виникає внаслідок набутої мікроорганізмами резистентності. За хімічною структурою антибіотики об'єднують різноманітні групи сполук. Зокрема, сполуки, що блокують біосинтез білка на рибосомах; сполуки, що утворюють іоно-проникні канали у плазматичній мембрані, та ін. Характерною особливістю антибіотиків є їхня здатність порушувати певні ланки обміну речовин мікроорганізмів або дію деяких їхніх ферментів [5].

1.2 Галузі застосування антибіотиків

Антибіотики надзвичайно різноманітно та численна група сполук, яка застосовується в багатьох галузях.

Найширше застосування антибіотиків спостерігається у медицині. Вони широко застосовуються для лікування та профілактики інфекції. Ефективність їх безперечна. Призначення антибіотиків хворим з гострою та хронічною інфекцією в більшості випадків є конче потрібним заходом. Раціональне застосування антибіотиків у лікуванні госпітальних та поза лікарняних інфекційних захворювань потребує урахування багатьох факторів, пов’язаних як з пацієнтом та збудником інфекції, так і з соціальними аспектами [7].

Також антибіотики можуть токсично впливати також на певні органи та системи. Наприклад, препарати з групи пеніцилінів токсично діють на нервову систему, зокрема головний та спинний мозок. Тому введення їх допустимо лише в дуже очищеній формі та в значному розчиненні і за абсолютних показань.

У сільському господарстві антибіотики використовуються як лікувальні препарати у тваринництві, птахівництві, бджільництві, рослинництві.

Деякі з них є стимуляторами росту тварин. Багато антибіотики, незважаючи на складність їх молекул, легко проникають в тканини рослинного організму і навіть всмоктуються кореневою системою [7].

Антибіотичні препарати прагнуть використати проти іржі пшениці, гельмінтоспоріозу злаків, борошнистої роси бобових, ряду захворювань овочевих культур, декоративних рослин і т. д. Високий ефект дають антибіотики при лікуванні деревних рослин. Так, антибіотик актіноміцетного походження агріміцін добре діє при бактеріозу фруктових дерев, що зустрічається у багатьох країнах [12].

Значне використання антибіотиків у консервній промисловості - для знешкодження клостридіальних і термофільних бактерій, стійких до стерилізації. В харчовій промисловості використовують нізин, який знищує термофільні бактерії, що дає змогу уникнути термообробки під час консервування [9].

Можливе застосування антибіотиків у діагностичних цілях. Це пов’язано з тим, що деякі з антибіотиків характеризуються виключною специфічністю, їх можна використовувати для ідентифікації мікроорганізмів.

Для наукових досліджень також можливе застосування антибіотиків. В даному випадку ці речовини використовуються як специфічні інгібітори певних етапів метаболізму для вивчення окремих етапів метаболізму [9].

РОЗДІЛ 2. Порівняльна характеристика методів одержання і промислових способів виробництва антибіотиків

Існуючі способи одержання антибіотиків можна поділити на три групи:

. Мікробіологічной синтез на основі актиноміцетів (Streptomyces) і грибів. Цим способом отримують антибіотики тетрациклінового ряду, природні пеніциліни, антибіотики глікозидної будови, макроліди та ін. [5].

Одержання антибіотиків мікробіологічним синтезом ґрунтується на біосинтезі, який здійснюється в клітині мікроорганізму. Цей метод включає такі основні етапи:

підбір високопродуктивних штамів продуцентів;

підбір поживного середовища;

процес біосинтезу (ферментації);

виділення і очистка антибіотика.

. Хімічний синтез (левоміцетин і його похідні).

. Сполучення мікробіологічного і хімічного синтезу. Для одержання напівсинтетичних антибіотиків на основі трансформації молекул природних антибіотиків (напівсинтетичні тетрацикліни, пеніциліни, цефалоспорини та ін.).

При аналізі антибіотиків на їх біологічну активність використовують біологічні, хімічні, фізичні фізико-хімічні методи [5].

Біологічні методи кількісного аналізу антибіотиків грунтуються на порівняльній оцінці їх здатності пригнічувати розвиток тест-культури мікроорганізмів. Активність встановлюють дифузним або турбідиметричним методами.

2.1 Промисловий спосіб одержання тобраміцину

В літературних джерелах відсутня інформація про хімічний чи комбінований спосіб синтезу даного антибіотика. Тобраміцин, як і більшість антибіотиків аміноглікозидної будови одержується мікробним синтезом з використанням актиноміцетів Streptomyces tenebrarius [15]. Іншими продуцентами тобраміцину можуть бути актиноміцети Streptoalloteichus cremeus [8]. Проте в промисловому виробництві антибіотика здебільшого використовується S. tenebrarius, це пояснюється його підвищеною біосинтетичною здатністю [15].tenebrarius − в промисловому відношенні важливий мікроорганізм, що продукує комплекс антибіотиків, які, головним чином, складаються із аміноглікозидів [1].

Аміноглікозидні антибіотики - це великий клас препаратів, що утворюється мікроорганізмами родів Streptomyces, Micromonospora і Bacillus. Характерною особливістю їх будови є наявність в молекулі циклічного аміноспирту. Аміноглікозидні антибіотики, взаємодіючи з рибосомами, необоротно пригнічують синтез білка і, таким чином, володіють бактерицидною дією [10].. tenebrarius продукує аміноглікозидний комплекс антибіотика небраміцину, який складається з тобраміцину, канаміцину та апраміцину. Тобраміцин і канаміцин можуть бути гідролізовані в активні форми. Якщо S. tenebrarius використовується для вироблення тобраміцину, синтез інших компонентів небраміцину зменшує вихід тобраміцину і спричиняє проблеми в його обробці. Зокрема, канаміцин важко відділити від тобраміцину через їх хімічну подібність [15].

Технологічно сучасний процес мікробного синтезу тобраміцину складається з ряду послідовних етапів (операцій). Головні з них: підготовка необхідної культури мікроорганізму-продуцента; підготовка живильного середовища; вирощування посівного матеріалу; культивування продуцента в заданих умовах, в ході якого і здійснюється мікробний синтез, часто званий ферментацією; фільтрація і відділення біомаси; виділення і очищення необхідного продукту, сушка. Процеси виділення і очищення що часто займають важливе місце серед ін. технологічних операцій, визначаються хімічною природою отримуваної речовини і можуть включати екстракційні і хроматографічні методи, кристалізацію, осадження і ін.

При мікробному синтезі тобраміцину, необхідно враховувати та дотримуватися певних факторів та параметрів. В першу чергу, необхідно звертати увагу на значення рН середовища. Оптимальним значенням рН для утворення тобраміцину є 6,8. При меншому значенні буде утворюватися апраміцин. Значення температури є другим важливим параметром, який враховують при при біосинтезі. Оптимальною температурою для утворення цільового продукту є 37 °С. При недотриманні цього значення буде утворюватися менша кількість тобраміцину [13]

Таким чином, при культивування S. tenebrarius, з метою отримання максимальної кількості антибіотика тобраміцину, необхідно дотримуватися всіх необхідних умов, які були визначенні експериментально.

2.2 Вплив тобраміцину на біохімічні процеси в організмі

Особливістю антибіотика тобраміцину є те, що він активно проникає крізь бактеріальну клітинну мембрану. Необоротно зв’язується з одним або більше специфічним рецепторним протеїном із 30S субодиницею бактеріальної рибосоми і взаємодіє з початковим комплексом між переносником РНК і 30S субодиницею. ДНК не може бути прочитана, тому виробляючи нефункціональні протеїни, полірибосоми розщеплюються і втрачають здатність синтезувати протеїн [15].

2.3 Основні галузі застосуання тобраміцину

. Використання в сільському господарстві

Антибіотики групи аміноглікозидів, в тому числі і антибіотики небраміцинового комплексу, характеризуються широким спектр дії проти бактерій, виявляючи при цьому бактерицидний ефект. Ці антибіотики застосовують для лікування респіраторних захворювань у великої рогатої худоби і свиней [7].

Найбільший збиток серед шлунково-кишкових захворювань завдає колібактеріоз. Загибель телят відбувається внаслідок несвоєчасного проведення необхідних заходів. У комплексі заходів щодо профілактики і лікування шлунково-кишкових захворювань у телят велику роль відіграють антибіотики аміноглікозидні групи. Серед них найбільш ефективні неоміцин, канаміцин і тобраміцин. У порівнянні з іншими препаратами, тобраміцин при пероральному введенні не всмоктується в травному тракті і не робить токсичної дії на організм тварини. Даний антибіотик широко використовують у США з 80-рр. для профілактики і лікування інфекцій у тварин та свійської птиці, викликаних стафілококами і стрептококами, а також поширених хвороб грушевих дерев, яблунь, декоративних айстр [9].