39, 46]. Така організація генів біосинтезу антибіотиків дуже полегшує їх виділен-

ня й аналіз. Це створило підґрунтя для активного розвитку досліджень із комбінаторного

біосинтезу антибіотиків, спрямованих на отримання колекцій сполук – 164 Т. С. Тодосійчук, Т. І. Іздебська, Громико О. М., Федоренко В. О.

Біологічні Студії / Studia Biologica • 2011 • Том 5/№1 • С. 159–172

похідних певного антибіотика і пошук серед них тих, які мають змінені біологічні

властивості або можуть слугувати вихідним матеріалом для створення напівсин-

тетичних препаратів тощо. Головні методи, що використовуються при цьому, –

спрямована інактивація (нокаути) певних генів біосинтезу, їх надекспресія або ге-

терологічна експресія у клітинах інших видів [4, 32, 44]. Прикладом вдалого за-

стосування цієї технології є отримання шляхом комбінаторного біосинтезу біль-

ше 50 нових ароматичних полікетидних сполук ландоміцинів і урдаміцинів, що

відрізняються за будовою, а також протипухлинною й антибактерійною активніс-

тю від ландоміцину А, ландоміцину Е та урдаміцину А, які є головними природни-

ми вторинними метаболітами S. cyanogenus S136, S. globisporus 1912 і S. fradiae

Tu2717 [45]. За допомогою гетерологічної експресії генів можна створити „гібрид-

ні” шляхи біосинтезу вторинних метаболітів. Наприклад, клонування гена urdGT2

глікозилтрансферази, що каталізує С9-глікозилювання (приєднання залишку

D-оливози) під час біосинтезу урдаміцину у S. fradiae Tu2717 у клітинах мутанта

S. globisporus 1912 ∆lndE зумовлює синтез нових, раніше не описаних сполук –

прежадоміцин С-глікозидів [20].

У результаті стрімкого розвитку генетичної інженерії не тільки нагромадже-

но великий обсяг інформації про структуру та функції генів і геномів, але й ство-

рено методи маніпулювання з великими молекулами ДНК, а також цілими хромо-

сомами, що ґрунтуються на процесах гомологічної та сайт-специфічної рекомбі-

нації [12]. Ці методи активно використовуються для маніпуляцій із геномами

бактерій-продуцентів антибіотиків. Зокрема, конструюються штами-„супергосподарі”

для клонування цілих кластерів генів біосинтезу антибіотиків із різних ви-

дів актиноміцетів. У майбутньому планують використовувати такі штами як уні-

версальні біотехнологічні продуценти різних антибіотиків. Проводять „оптиміза-

цію” геномів таких штамів, видаляючи з них геномні острови, які, зазвичай, міс-

тять гени, не обов’язкові для існування бактерії за відносно стабільних умов про-

мислового ферментера, а також мобільні генетичні елементи [38]. Маючи на меті

використати модельний об’єкт генетики актиноміцетів – S. сoelicolor – для гете-

рологічної експресії генних кластерів біосинтезу вторинних метаболітів, з його

геному видалено два найбільших геномних острови, а також ліву термінальну ді-

лянку хромосоми S. coelicolor М145 загальним розміром 300 тисяч пар нуклеоти-

дів [6]. Автори іншого дослідження видалили з геному S. coelicolor М145 чотири

кластери генів синтезу власних антибіотиків – актинородину, продигініну, СРК

і CDA. Крім того, в його геном уведено точкові мутації в гени rpoB (кодує β-cубодиницю

РНК-полімерази, мутація зумовлює стійкість до рифампіцину) і rpsL (кодує

білок S12 30S субодиниці рибосоми, а мутація визначає стійкість до стрептомі-

цину). Ці мутації виявляють плейотропний ефект на синтез антибіотиків, значно

активуючи його [51]. Після перенесення у цей штам „рідного” кластера генів біосинтезу

актинородину, а також кластерів генів біосинтезу хлорамфеніколу з S. venezuelae

і конгоцидину з S. ambofaciens спостерігали значне зростання синтезу цих

антибіотиків порівняно з вихідним штамом М145 [31].

Очевидно, що створення штамів-надпродуцентів антибіотиків неможливе

без суттєвих змін у процесах регулювання біосинтезу антибіотиків. Продукція

антибіотиків зазвичай розпочинається на початку стаціонарної фази росту в рід-

кій культурі та збігається з початком морфологічної диференціації в культурі, що

росте на агаризованому середовищі [23]. Тепер відомо, що гени регуляції біосин-СУЧАСНИЙ СТАН І ПЕРСПЕКТИВИ БІОТЕХНОЛОГІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА АНТИБІОТИКІВ 165

Біологічні Студії / Studia Biologica • 2011 • Том 5/№1 • С. 159–172

тезу вторинних метаболітів формують ієрархічну систему, котра включає як плейотропні

гени глобальної регуляції, що впливають на біосинтез багатьох антибі-

отиків, так і гени, що специфічно регулюють шлях біосинтезу певного антибіоти-

ка. Останні відіграють найважливішу роль в ініціюванні синтезу цього антибіоти-

ка, а їхні мутації можуть повністю його зупиняти. Навпаки, їх надекспресія зумов-

лює підвищення рівня біосинтезу антибіотиків [34, 46]. Крім того, доведено, що

для досягнення високого рівня продукції антибіотиків доцільно маніпулювати та-

кож із генами глобальної регуляції, наприклад, такими, як relA (контролює синтез

внутрішньоклітинної сигнальної молекули (p)ppGpp), або bldA (кодує тРНК, яка

транслює лейциновий кодон UUA, наявний у багатьох шлях-специфічних регу-

ляторних генах) [30, 40].

Усе сказане вище свідчить про те, що розвиток генетики і геноміки промис-

лових мікроорганізмів, а також удосконалення методів генетичної інженерії зу-

мовили піднесення на якісно новий рівень конструювання біотехнологічних про-

дуцентів антибіотиків.

ІІ. ПРОБЛЕМИ І ПЕРСПЕКТИВИ БІОТЕХНОЛОГІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА

АНТИБІОТИКІВ

Обсяг біотехнологічного сектору світового ринку останні роки щорічно зрос-

тає на 10–15%, а у 2009 р. він становив 810 млрд дол. США. Значна частина у

структурі світового біотехнологічного сектору припадає на виробництво фарма-

цевтичних препаратів. Так, у 2005 р. світовий обсяг продажів фармацевтичних

препаратів становив 602 млрд дол. США, в тому числі біотехнологічного похо-

дження – 52 млрд [16].

На сьогодні лідером біотехнологічної фармакологічної індустрії є США, де

випускається майже 50% світової продукції цієї галузі. Саме американський ри-

нок є головним плацдармом для впровадження нових біофармацевтичних про-

дуктів. Цьому сприяє менш суворе законодавство США з реєстрації продуктів

біофармацевтики, розуміння суттєвих переваг засобів, створених на основі біо-

технологій порівняно з традиційними лікарськими засобами. Визначальним є та-

кож суттєве (майже у 5 разів) збільшення фінансування біотехнологічної галузі

за останні 10 років [8, 16].

Найбільший сегмент ринку біотехнологічних препаратів у світі – це антибіоти-

ки для лікування захворювань людини і тварин, а також для кормових добавок

і преміксів. У 2009 році вартість продажів антибіотиків у світі становила 42 млрд

доларів США, що становить 46% від ринку антиінфекційних агентів, який включає

противірусні ліки і вакцини, а також 5% глобального фармацевтичного ринку. За

останні п’ять років ринок антибіотиків зростав у середньому на 4%, порівняно

з ростом на 16,7 і 16,4% ринку противірусних препаратів і вакцин, відповідно. Най-

більша частка ринку антибіотиків (28%, 11,9 млрд доларів у 2009 р.) припадає на

цефалоспорини, значною мірою завдяки широкому використанню найновішого по-

коління ліків цього класу – цефкапену (фломоксу, Shionogi), цефтриаксону (роце-

фіну, Roche) і цефуроксиму (зіннату, GlaxoSmithKline). На другому місці за обсягом

продажів (19%, 7,9 млрд доларів) є ринок пеніцилінів широкого спектра дії, а на

третьому – фторхінолонів (17%, 7,1 млрд доларів). У 2005–2009 рр. спостерігало-

ся зростання ринку згаданих вище класів антибіотиків, однак ринок четвертого за 166 Т. С. Тодосійчук, Т. І. Іздебська, Громико О. М., Федоренко В. О.

Біологічні Студії / Studia Biologica • 2011 • Том 5/№1 • С. 159–172

обсягом класу – макролідів (4,8 млрд доларів) скоротився на 5%. Якщо говорити

про використання антибіотиків, то найбільш вживаними антибіотиками є також

згадані вище чотири класи сполук. Цікаво, що у деяких країнах спостерігається

позитивна тенденція до скорочення вживання антибіотиків. Зокрема, у Франції

та Японії за період 2000–2009 рр. використання антибіотиків скоротилося на 21

і 15% відповідно. Головною причиною є намагання боротися з розповсюдженням

мультирезистентних збудників інфекцій шляхом раціональнішого використання

антибіотиків – тільки після того, як ці збудники виділені та перевірені щодо анти-

біотичної чутливості або резистентності [33].

Лідерами за обсягом витрат у галузі біотехнології антибіотиків є компанія

„Pfizer” (обсяг продажів має постійну тенденцію до зростання і за період 2004–