ביוטכנולוגיה/אנטיביוטיקה/פנצילין

פניצילינים – תרכובות אנטיביוטיות B לקטמיות (מכילות טבעת B לקטאם).

פנצילנים מורכבים משני טבעות דוחסות

מבנה

המשותף לכל הפניצילינים היא נכוחת של החומצה 6-אימנופניצלנית $\ (6-APA)$ המורכבת משני טבעות :

1. טבעת B לקטאמית.
2. טבעת תאזולידנית.

השוני בין הפניצילינים היא קבוצה ה-R (שייר האצילי) שיכולה להשתנות בהרכבה מפנצילין מסוג אחד לסוג אחר.

• 
  פנצילין ללא קבוצת R
• 
  פנצילין G
• 
  פנצילין F-2D
• 
  פנצילין V-2D
• 
  פנצילין K-2D
• 
  פנצילין X-2D
• 
  קיים מגוון רחב של פנצילינים, לכולם, אותו מבנה, פרט, לשייר R.

איך פועלת האנטיביוטיקה? כיצד פוגעת?

האנטיביוטיקה נקשרת (היא מתנהגת כמעכב תחרותי) לשלושה אנזימים (קרבוקסיספ טידאז, אנדופפיטדאז וטכנספפטידאז) המעורבים בהחדרת המרכיב הסוכרי של הפפטידוגליקן. מרכיב סוכרי זה, הינו המרכיב העיקרי של דופן החיידק.
עתה, האנזימים פעילים וכך נמנעת הבנייה של הדופן. כלומר, פניצילין פוגע בחיידקים בשלב הגדילה (בתאים מתחלקים).

פניצילינים מראים חוסר יציבות בשני מצבים

1. בתנאים של PH חומצי קיצוני (כמו בקיבה).
2. בנוכחות האנזים B לקטמאז / פניצלינאז (מפרק B לקטאומז => עמידות לאנטיביוטיקה).

חיידקים גראם חיובים וגראם שלילים

החיידקים נחלקים לשתי קבוצות בעלות מבנה דופן שונה :

1. גראם חיובי - חיידקים בעלי אחוז גבוהה של מוראין (סוכר) גבוהה בדופן (בין 40%-90%).
2. גראם שלילים - חיידקים בעלי אחוז נמוך של מוראין בדופן (פחות מ-10%).

מכאן, שפניצילינים יעילים יותר על חיידקים גראם חיובים, כיוון שלהם יש יותר סוכר בדופן. כמו גם, כיוון שהפנצילין פוגעת בדופן החיידק היא אינה מזיקה לבני אדם.

המשותף למשפחת הפנצילין

1. מבנה - הכולל שני סוגים של טבעות (טבעת B לקטאמית וטבעת תאזולידנית).
2. מעכבים תחרותיים/מעכבות יצור פפטידוליקאן – אנטיביוטיות ממשפחת הפניצלינים מעכבות באופן ספציפי את הרכבת הפפטידוגליקאן (המרכיב הסוכרי העיקרי בדופן החיידק) ובכך, מונעות את בנית דופן החיידק.
3. אינן פוגעות בבני אדם – עקב העבודה שפניצלינים פוגעים בדופן החיידק (שאינו קיים בבני אדם), הן, אינן פוגעות בבני אדם.

סוגי פנצילינים

מבנה הפנצילין

כאמור, הפנצילין מורכבת משנים-שלושה חלקים :

1. החומצה 6-אימנופניצלנית : טבעת B לקטאמית וטבעת תאזולידנית.
2. קבוצת שייר (R) - שרשת של תרכובות המשתנות מפנצילין לפנצילין. שרשרת ה-R יכולה להיות :
   • טבעית - שייר אותו יצר החיידק.
   • ביוסנטית - שייר שיוצר ע"י בני אדם, אולם, הוא זהה לשייר טבעי.
   • מהונדס - שייר שסונתז (הונדסה) במעבדה; הוא אינו קיים בטבע.

פניצילינים טבעיים - פנצילין G

הפטריות פינציליום ואספרגילוס מייצרות במצב עקה מגוון רחב מאוד של תרכובת אנטיביוטיקות. כולן שייכות לקבוצת הפניצלינים והן שונות זו מזו בשייר האצילי הקשור לקבוצת APA-6. מבין הפניצילינים המיוצרים , רק פניצילין G בעלת ערך תרופתי. את G מנקים ואת שאר התרכובות זורקים.

אנטיביוטיקות ביוסנתטיות - גידול פטריות במעבדה לייצור אנטיביוטיקות ; הגדלת כמות פנצילין G

גידלנו פטרייה והיא מייצרת אנטיביוטיקות רבות, אולם, אנו רוצים רק את האנטיביוטיקה מסוג G.
על מנת להגדיל את כמות הפניצילין המבוקש (פנצילין מסוג G), מוספים מבחוץ את השייר האצילי (R) המתאים ל-G.
כיוון שכבר כל החומרים עבור השייר של G מוכנים, הפטריה, תנצל אותם ליצור פנצילין מסוג G ולא תבנה בעצמה שיירים שונים ליצור אנטיביוטיקות אחרות.לכן, במצב זה, הפטריה מייצרת כמות גדולה של G.

אנטיביוטיקות סמיסנתטיות (=סינטתיות למחצה)

תהליך יצור נפנצילין סמיסנתטי.

לאנטיביוטיקות הביוסינתטיות (טבעיות) מספר חסרונות. על מנת להתגבר על חסרונות אלה מייצרים אנטיביוטיקות מלאכותיות, מקבוצת הפניצילינים. התהליך רב שלבי :

1. מפיקים אנטיביוטיקה טבעית או ביוסנטיות כרגיל.
2. האנטיביוטיקה שהתקבלה עוברת טיפול אנזימטי בנוכחות האנזים המקובע פניצילין אמיצאז/ אצילאז המסיר את קבוצת/שייר האציל מהאנטיביוטיקה.
3. קושרים ל-$\ 6-APA$ קבוצה אצילית חדשה, שסונתזה במעבדה.

יתרונות של אנטיביוטיקות סמיסנתטיות על פני אנטיביוטיקות

1. אנטיביוטיקות סמיסנטיטיות פחות זמינות לפעילות האנזים פניצילינאז/B לקטמאז, כלומר, פחות חיידקים עמידים להן.
2. עמידות בפני חומצות בקיבה.
3. הגדלת טווח הפעולה, למשל, ניתן לייצר פניצילין הפועלת גם נגד חיידקים גראם שלילים.

תהליך היצור

תהליך ייצור אנטיביוטיקה פניצילין

1. בתסיסת עומק (פרמנטור).
2. מנתי מוזן מספקים מקורות פחמן וחנקן על מנת לשמור על מצב עקה לאורך זמן. כל שאר המרכיבים מסופקים באופן מנתי.כמו גם יש שליטה נוחה ברמת ה-pH.
3. אוורור + ערבול.
4. טמפרטורה 25-27.
5. PH = 6.5 - במהלך התהליך ה-pH יורד (חומצי).
6. תנאים סטריליים – מחשש לחדירה של חיידקים עמידים המייצרים פניצילינאז (מה שעלול לגרום לתפוקה נמוכה מפני שהאנזים מפרק את האנטיביוטיקה).

תהליך הייצור דו שלבי

יצירה בתהליך דו שלבי נותן לנו תחילה שלב בו אנו מגדלים את המייצרים (החיידקים) ושלב שני בו אנו נותנים את התנאים ליצירת האנטיביוטיקה. התהליכים נעשים בשני פרמטורים שונים וכך אנו חוסכים עליות ניקוי. בשלבים :

• שלב א – גידול בתנאים אופטימאליים להגדלת כמות התאים.
• שלב ב' – ייצור האנטיביוטיקה בתנאים המחקים מצב עקה.

על מה מקפידים?

תהליך יצור הפניצילין

בגלל שכמויות גדולות של גלוקוז ואמוניה מעכבות ייצור האנטיביוטיקה, מוסיפים לקטוז במקום גלוקוז. חומרים אלו מעכבי ייצור אנטיביוטיקה בגלל שהם מקור פחמן וחנקן וכמות רבה יוצרת שלב מואץ ולא עקה.

האמוניה מוספת כך שכשמתחיל הייצור, ריכוזה במצע נמוך מאוד ומוסיפים מנות קטנות שלה. להארכת שלב העמידה (הייצור) מוסיפים כמויות קטנות מאוד של גלוקוז.

• ביומסה – נמצאת בשלב העקה פי 4.
• לקטוז – נצרך במהלך הגידול המואץ ורמתו יורדת לאפס בתחילת שלב העמידה.
• אמוניה – נצרכת בכמות גדולה בשלב הגידול ומוספת במנות קטנות במהלך הייצור.
• גלוקוז – לאחר שנגמר הלקטוז מוסיפים גלוקוז בתהליך חצי מנתי.
• פניצליו – תוצר חוץ תאי. בסיום התהליך מפורק התסנין מהתפטיר באמצעות סינון.

הפקת פניצילין - מיצוי קר בממס אורגני ב-PH חומצי, ניצולת גבוהה וכן דרגת ניקיון.

תרגול

1. שאלה 2 - תרגול