2.Антибиотики

Со времени открытия пенициллина в конце 1920-х годов из различных микроорганизмов были выделены тысячи антибиотиков, обла­дающих разной специфичностью и разным ме­ханизмом действия. Их широкое применение для лечения инфекционных заболеваний помог­ло сохранить миллионы жизней. Подавляющее большинство основных антибиотиков было вы­делено из грамположительной почвенной бакте­рии Streptomyces, хотя их продуцируют также грибы и другие грамположительные и грамотрицательные бактерии.

В настоящее время в рамках обширных исследовательских программ по скринингу природных микробных сообществ каждый год ученые обнаружи­вают от 100 до 200 новых антибиотиков, многие из которых имеют уникальные структуры и характеристики. Однако получение и кли­нические испытания новых препаратов обходят­ся очень дорого и занимают много времени. Поэтому в продажу поступают не более 1-2% всех об­наруживаемых этим путем антибиотиков. Большой эффект здесь может дать технология рекомбинантных ДНК. Во-первых, с ее помощью можно созда­вать новые антибиотики с уникальной структу­рой, оказывающие более мощное воздействие на определенные микроорганизмы и обладаю­щие минимальными побочными эффектами. Во-вторых, генноинженерные подходы могут использоваться для увеличения выхода уже известных анти­биотиков и соответственно для снижения стои­мости их производства.

Однако на пути использования генно-инженерных технологий имеется целый ряд препятствий. Это связано с тем, что синтез молекул антибиотиков является сложным многостадийным процессом, включающим в себя различные типы химических реакций и требующим большого числа ферментов различных классов. Общее число генов, задействованных для их синтеза, может достигать до 1-2 и более % от общего числа генов, и они могут иметь различную локализацию в хромосомах. Все это существенно затрудняет анализ путей биосинтеза антибиотиков и идентификацию отдельных мутаций, способных увеличить выход продукта. Поэтому, пока, большинство известных в настоящее время высокопродуктивных штаммов продуцентов антибиотиков получено традиционными методами мутагенеза и селекции.

2.1.Синтез новых антибиотиков

Новые антибиотики с уникальными свойствами и специфичностью можно получить, проводя генноинженерные манипуляции с генами, уча­ствующими в биосинтезе уже известных анти­биотиков. Один из первых экспериментов, в хо­де которого был получены новые антибиотики, состоял в объединении в одном микроорганиз­ме двух немного различающихся путей биосин­теза родственных антибиотиков.

Суть эксперимента состояла в том, что на основе плазмиды Streptomyces pIJ2303 были сконструированы рекомбинантные плазмиды, несу­щие либо целый фрагмент хромосомной ДНК S. coelicolor длиной 32,5 т.п.н., содержащий все гены ферментов, ответственных за биосинтез антибио­тика актинородина, либо различные субклоны, несу­щие отдельные части 32,5 т.п.н.-фрагмента (например, pIJ2315). Далее этими плазмидами трансформировали штамм АМ-7161 Streptomyces sp., синтезиурующий родственный антибиотик медермицин, либо штаммы В1140 или Tu22 S. violaceoruber, синтезирующие родст­венные антибиотики гранатицин и дигидрогранатицин.

Все указанные антибиотики изохроманхинонового ряда (рис.7) являются кис­лотно-щелочными индикаторами, которые придают растущей культуре характерный цвет, зави­сящий от рН среды (табл.1). В свою очередь рН (и цвет) среды зависят от того, какое соеди­нение синтезируется. Мутанты родительского штамма S. coelicolor, не способные синтезиро­вать актинородин, бесцветные. Появление ок­раски после трансформации штамма АМ-7161 Streptomyces sp. либо штаммов В1140 или TU22 S. violaceoruber плазмидой, несущей все или не­сколько генов, кодирующих ферменты биосин­теза актинородина, свидетельствует о синтезе нового антибиотика (рис.7, табл.1).

Трансформанты штамма АМ-7161 Streptomyces sp. и штамма В1140 S. violaceoruber, содержащие плазмиду рIJ2315, синтезируют антибиотики, кодируемые и плазмидой, и хромосомной ДНК. Однако при трансформации штамма Tu22 S. vio­laceoruber плазмидой рIJ2315 наряду с актинородином синтезируется новый антибиотик — дигидрогранатиродин, а при трансформации штамма АМ-7161 Streptomuces sp. плазмидой pIJ2315 синтезируется еще один новый анти­биотик — медерродин А.

В структурном отношении эти новые анти­биотики мало отличаются от актинородина, медермицина, гранатицина и гидрогранатицина и, вероятно, образуются в том случае, когда проме­жуточный продукт одного пути биосинтеза слу­жит субстратом для фермента другого пути. Когда будут детально изучены биохимические свойст­ва различных путей биосинтеза антибиотиков, появится возможность создавать новые уни­кальные высокоспецифичные антибиотики, ма­нипулируя генами, которые кодируют соответ­ствующие ферменты.