Mikroorganizmy w produkcji antybiotyków.

Literatura podaje także, iż ich liczba na Ziemi kształtuje się na poziomie rzędu wielkości 10³⁰. Mikroorganizmy stanowią więc liczną grupę organizmów, bez których odkrycie antybiotyków – prawdopodobnie jednej z najbardziej skutecznych postaci chemioterapii w historii medycyny i późniejsze doskonalenie ich form nie byłoby możliwe. Odkrycie i wprowadzenie tych substancji pochodzenia naturalnego do leczenia chorób zakaźnych człowieka zapoczątkowało także nową epokę – opracowywanie sposobów ratowania życia, jak i ochrony zdrowia milionów istnień na całym świecie.

W doniesieniach naukowych odnajdziemy informację, że mikroorganizmy środowiskowe – bo o nich mowa jest w niniejszym artykule, mogą wytwarzać antybiotyki od około 500 milionów lat. To, że właśnie przestrzeń nas otaczająca jest skarbnicą wszelakiego dobra, wiadomo było już od dawna. Już w starożytności intuicyjnie sądzono, że istnieją w przyrodzie substancje pomagające w leczeniu wielu schorzeń m.in. zakażeń. Istnieją również dowody na to, że próbowano wówczas wykorzystywać antybiotyki pochodzenia naturalnego do kuracji różnych chorób. Ślady tetracykliny – dla przykładu, zostały znalezione w szczątkach kostnych człowieka z obszaru Nubi (krainy historycznej położonej obecnie na terenie południowego Egiptu i północnego Sudanu), datowanych na początek naszej ery (350 – 550).

Innym przykładem ekspozycji starożytnych na antybiotyki, jest stwierdzenie ich obecności podczas analizy histologicznej próbek pobranych z trzonu kości udowej szkieletu pochodzącego z okresu rzymskiego z obszaru Oazy Dachla (leżącej na Pustyni Libijskiej w Egipcie). W badanych próbkach stwierdzono występowanie tetracyklin. Fakt, iż substancje te znalazły się w kościach dowodzi, iż w diecie starożytnych cywilizacji znajdowały się materiały (np. gleba) bogate w substancje – antybiotyki pochodzenia naturalnego. Mogło być to zamierzonym działaniem, postępowaniem w celu ochrony organizmu, gdyż udokumentowane występowanie chorób zakaźnych w sudańskiej populacji Numbian było niskie, jak również nie odnaleziono żadnych śladów infekcji w kościach z próbek pochodzących ze wspomnianej oazy. Istnieją także wzmianki, że ponad 2000 lat temu spleśniały chleb w Chinach, Grecji, Serbii, Egipcie używany był do leczenia niektórych stanów chorobowych, w szczególności obkładano nim otwarte, źle gojące się i zakażone rany. Wówczas działania naturalnych antybiotyków tłumaczono jako wpływ duchów lub bogów odpowiedzialnych za choroby i cierpienia.

Także ciepła gleba w Rosji znalazła podobne zastosowanie. Medycy sumeryjscy podawali schorowanym pacjentom piwo zmieszane ze skorupami żółwi i skórą węża, a babilońscy lekarze uzdrawiali chore oczy stosując mieszaninę żółci żaby i kwaśnego mleka. W XVII wieku zaś powszechnie opatrywano rany mieszaniną powstałą na bazie spleśniałego, pszennego chleba oraz pajęczyny. Jednak naukowe rozważania nad specyficznymi właściwościami mikroorganizmów rozpoczęły się na dobre dopiero pod koniec XIX wieku.

W roku 1870 w Anglii Sir John Scott Burdon-Sanderson zapoczątkował obserwacje nad właściwościami pleśni. Rok później, Joseph Lister eksperymentował z wpływem tego, co nazwał Penicillium glaucium na tkanki człowieka. Kolejno, w roku 1875 John Tyndall wyjaśnił antybakteryjne działanie grzyba Penicillium na łamach Royal Society. We Francji w 1877 roku Louis Pasteur wysnuł tezę, że bakterie mogą zabijać inne bakterie. 20 lat później, w roku 1897 roku Ernest Duchesne, w rozprawie doktorskiej „Antagonizm między pleśniami i mikrobami”, stwierdził fakt występowania substancji, które mogą spowodować zahamowanie namnażania niektórych patogennych bakterii. Badania nad allelopatią pleśni z mikrobami zostały jednak przerwane w związku ze śmiercią chorującego na gruźlicę naukowca.

W roku 1899 Rudolph Emmerich i Oscar Löw opisali w artykule rezultaty swojej pracy z mikroorganizmami. Udowodnili oni, że bakterie, które są źródłem jednej choroby, mogą być remedium na inną. Prowadzili oni prymitywne badania stosując zainfekowane „zielone” bandaże, z których pozyskiwali bakterie (wówczas otrzymały one nazwę Bacillus pyocyaneus – obecnie Pseudomonas aeruginosa). Wyciągi z tychże pobranych kultur były w stanie wyeliminować inne szczepy. Z tych eksperymentów Emmerich i Löw stworzyli lek oparty na ekstraktach B. pyocyaneus, który nazwali pyocyanase. Był to pierwszy antybiotyk do stosowania w szpitalach. Niestety jego skuteczność była niska. Ponadto obecność dużych ilości akrydyzyny i PCN⁻ (toksycznych dla człowieka), wpłynęły na fakt zaprzestania stosowania tegoż leku na szerszą skalę.

Kamieniem milowym i zarazem zapoczątkowaniem prawdziwej ery antybiotyków był rok 1928. Wówczas to Sir Alexander Fleming – szkocki bakteriolog, odkrywca (rok 1922) lizozymu – białka o właściwościach antyseptycznych, po powrocie z urlopu, załamany, kiedy właśnie zakończył fiaskiem badania nad gronkowcem, zwrócił przypadkowo uwagę na dziwne anomalie, które wystąpiły na szalce z koloniami Staphylococcus aureus przeznaczonej do utylizacji. Jego uwagę zwrócił wykwit błękitnej pleśni (Penicilium notatum) i związana z tym ciekawa obserwacja, że fragment wyhodowanej na pożywce kolonii, która rosła w przestrzeni otaczającej grzybnię, uległ dezintegracji. Wówczas rozpoczął on większą hodowlę pleśni, równocześnie zaczęto prowadzić badania w celu wykorzystania pędzlaka w walce z patogenami. Badania trwały dość długo, gdyż na początku występowały trudności z wyizolowaniem substancji czynnej odpowiadającej za lecznicze właściwości pleśni. Po 10 latach udało się – i już w 1939 roku Howard Florey, Ernest Chain i Norman Heatle wdrożyli produkcję penicyliny.

Z początku produkowali ją na kilku szalkach Petriego, lecz z czasem wdrożyli szeroką skalę przemysłową. Tak też właśnie antybiotyk o nazwie penicylina wszedł do użytku klinicznego w 1940 roku. Penicylinę zaczęto stosować podczas działań wojennych w Afryce Północnej w roku 1943. Wówczas dostępna ona była w formie soli wapniowej penicyliny (CaPn) w proszku, który stanowił mieszaninę CaPn i sulfonamidów, dedykowanego do zasypywania ran, w postaci maści, jak również w formie czystej przeznaczonej do sporządzania roztworów do płukania jam ciał oraz ran, lub też w postaci tabletek soli sodowej (NaPn), a te po roztworzeniu w soli fizjologicznej przeznaczone były do iniekcji. Na początku na front trafiały ograniczone zasoby tegoż antybiotyku, z tego też względu dokumentowano dokładnie każde jego użycie. Stosowano go w szczególności do leczenia zgorzeli gazowej, ciężkich ran klatki piersiowej z uszkodzeniami narządów wewnętrznych, ran głowy czy skomplikowanych, otwartych ran stawów. Używano go także do kuracji ciężkich postaci zapalenia płuc, opon mózgowo – rdzeniowych i posocznicy – po wcześniejszej weryfikacji, czy zakażenia te wywołane są bakteriami wrażliwymi na penicylinę. W późniejszym okresie, gdy na front trafiało więcej leku dopuszczono go również do stosowania w kuracji rzeżączki.

Kolejnym naukowcem, który na stałe wpisał się do kart historii odkrywców antybiotyków pochodzących z mikroorganizmów jest Selman Waksman. To on jako pierwszy użył nazwy „antybiotyk” (powstałej ze złożenia słów anti – przeciw i biotikos – zdolny do życia) w celu opisania substancji chemicznej wytwarzanej przez drobnoustroje, posiadającej zdolność zabijania lub hamowania wzrostu innych mikroorganizmów. Walksman, jeszcze jako student systematycznie pobierał próbki gleby z terenu swojej uczelni – Uniwersytetu w New Brunswick. Kolejno wciąż posiewał je na płytki z podłożem i zajmował się obserwacją wzrostu różnorodnych mikroorganizmów. Podczas swoich długo trwających badań zauważył występowanie kolonii, często wytwarzających barwniki, których ilość zależna była od rodzaju gleby, pH, głębokości wydobycia i przeznaczenia gleby. Te grupy organizmów podobne były do bakteryjnych, jednak pod mikroskopem przypominały Waksmanowi grzyby. Odkrycia te wpłynęły na fakt, iż człowiek ten na stałe zajął się hodowlą promieniowców – bakterii Gram-dodatnich o nieregularnej, cylindrycznej budowie z tendencją do rozgałęziania się (taka właśnie budowa upodabnia je do grzybów nitkowatych). Konsekwencją trwających całe życie działań Waksmana było wyizolowanie streptomycyny przez jego ucznia – Alberta Schatza.

Zauważył on, że Streptomyces griseus (S. griseus) wytwarza związek o aktywności wobec bakterii Gram-ujemnych i prątków gruźlicy. Był to najistotniejszy od momentu odkrycia penicyliny antybiotyk – streptomycyna. Dzięki niemu rozpoczęto efektywną walkę z gruźlicą, chorobą zbierającą obfite plony, do tej pory niewyleczalną znanymi medykamentami. Odkrycie pierwszych antybiotyków było przyczynkiem do prowadzenia kolejnych analiz, przetarciem ścieżek do izolacji i wytwarzania wielu nowych substancji z których tylko część trafiała do pacjentów. W związku z tym okres pomiędzy 1950 a 1970 rokiem stał się rzeczywiście złotą erą odkryć nowych klas antybiotyków. Spośród licznych leków, których prekursorami były substancje wytwarzane przez mikroorganizmy wymienić należy m.in. te należące do klas β-laktamów, aminoglikozydów czy tetracyklin.

β-laktamy są medykamentami wytwarzanymi głównie przez grzyby (Penicillium, Cephalosporium, Aspergillus), ale również przez bakterie (Streptomyces, Agrobacterium, Nocardia, Pseudomonas, Gluconobacter czy Acetobacter). Aminoglikozydy stanowią także ważną grupę antybiotyków pochodzenia mikrobiologicznego. Są to przeważnie naturalnie spotykane substancje wytwarzane przez promieniowce z rodzaju Streptomyces oraz Micromonospora jak np. kanamycyna – wytwarzana w oparciu o mikroorganizmy Streptomyces kanamyceticus. Do grupy tej zalicza się również gentamycyna, otrzymywana z promieniowców Micromonospora, czy tobramycyna –produkowana przez Streptomyces tenebrarius.

Półsyntetyczne pochodne aminoglikozydów do których zaliczana jest amikacyna, netilmycyna, dibekacyna i sepamycyna, mają końcówki – cyna, w odróżnieniu do oryginalnych pochodnych z rodzaju Micromonospora. Te posiadają końcówki – mycyna, np. neomycyna, tobramycyna. Pierwsze tetracykliny – do których zaliczamy chlorotetracyklinę, oksytetracyklinę i tetracyklinę – to substancje wytwarzane przez Streptomyces aureofaciens i S. rimosus. Ponadto właśnie podstawowy antybiotyk z grupy ansamycyn otrzymano z hodowli promieniowca (Nocardia mediterranei). Dopiero po modyfikacji warunków hodowli otrzymano czystą rifamycynę B.

Najstarszym przedstawicielem antybiotyków makrolidowych jest erytromycyna izolowana z hodowli mikroorganizmów Streptomyces erythreus. Do linkozamin zaliczamy linkomycynę, uzyskiwaną naturalnie ze szczepów Streptomyces linconiensis. Także streptograminy są grupą naturalnych antybiotyków, jak również ich pochodnych produkowanych przez bakterie z rodzaju Streptomyces pristinaspiralis i S. virginiae.

Natomiast do najbardziej znanych fusydanów należy kwas fusydowy, czyli antybiotyk steroidowy otrzymywany z grzyba Fusidium coccineum. Chloramfenikol – lek stosowany w leczeniu bardzo ciężkich schorzeń, wytwarzany jest przez Streptomyces venezuelae. Cyklotialidyny, podobnie jak kumaryny, są produkowane przez Streptomyces. Najpopularniejszą bakteriocyną (PDA) bakterii gram-ujemnych jest kolicyna, wytwarzana przez Gram-ujemne pałeczki E. coli. A bakterie Bacillus polymaxa produkują np. polimyksyny.

Jak wynika z powyższych krótkich informacji mikroorganizmy dały początek wspaniałym odkryciom, ale od momentu wprowadzenia masowej produkcji antybiotyków, upowszechnienia ich stosowania w medycynie, ale też w innych dziedzinach niemedycznych, jak np. w rolnictwie i hodowli zaczęto niestety dostrzegać powszechnie występującą lekooporność. Opisano ją po raz pierwszy w połowie lat 30-tych XX wieku dla sulfonamidów, a w drugiej połowie lat 40-tych dla penicyliny i streptomycyny, choć w literaturze można spotkać doniesienia, iż oporność na kilka klas antybiotyków w przyrodzie spotykana była na długo przed nastaniem ery antybiotykowej. Jednakże faktem jest, iż obecnie stanowi to globalny problem i ogromne zagrożenie współczesnej medycyny.

Pomimo wielkiego postępu, jaki obserwowany jest na polu genetyki, mikrobiologii czy biologii molekularnej wciąż nie ma dostatecznej wiedzy na temat mechanizmów odpowiedzialnych za oporność na antybiotyki. Nie „rozgryziono”, jakie czynniki decydują o tym, że niektóre gatunki są wielce podatne na nabywanie genów lekooporności, i nie jest wiadomym też, jakie bariery ograniczają transmisję takich genów u innych gatunków.

Od czasu, kiedy to Alexander Fleming wyizolował z pędzlaka antybiotyk, minęło zatem prawie 100 lat. Okres ten można nazwać czasem wielkiego rozwoju przemysłu farmaceutycznego, obfitego w nowe leki, umożliwiające leczenie wielu chorób, które całkiem niedawno uznawano za nieuleczalne. Nie byłoby tego wszystkiego bez małych mikroorganizmów, które wykorzystane w odpowiedni sposób przez człowieka stają się wielkimi sprzymierzeńcami ludzkości. Syntetyzowane w ich organizmach substancje – dające im możliwość bytowania w określonym środowisku, spełniające role sygnałowe czy też będące egzogennymi źródłami węgla i energii – nie są szkodliwe dla nich samych, a dają im przewagę nad innymi, hamując wrażliwym szczepom wzrost i co za tym idzie wygraną w walce o byt (dostęp do pożywienia).

Większość dostępnych dziś leków została odkryta podczas trwania tzw. złotej ery antybiotyków. Jeszcze niedawno wydawało się, że z końcem tego okresu możliwości poszukiwania nowych bakterii środowiskowych wyczerpały się na dobre, gdyż te, które umiano wyhodować na szalkach – przebadano już na wszystkie możliwe sposoby. Nic bardziej mylnego – obecnie wiadomo już, że istnieją jeszcze wielkie pokłady nieprzebadanych mikroorganizmów. Istnieje wiele „fabryk”, których potencjał będzie można wykorzystać przy poszukiwaniu alternatywnych substancji do terapii różnych chorób. Trwają wciąż aktywne poszukiwania zarówno nowych miejsc bytowania mikroorganizmów, jak również nowych technik, metod oraz możliwości ich pozyskania i hodowli, gdyż mimo, iż technika i nauka diametralnie zmieniły podejście do świata nas otaczającego, to szacuje się, że jak do tej pory udało się wyizolować i scharakteryzować tylko 1% antybakteryjnych związków, które wytwarzane są w naturze i jedynie 10% naturalnie wytwarzanych antybiotyków.

mgr Michał Stawarczyk

Piśmiennictwo:

Florey H. W. Antibiotics produced by bacteria1947 Acta Medica Scandinavica, 128: 495 – 504
Markiewicz Z., Kwiatkowski Z.A. Bakterie, antybiotyki, lekooporność. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2012
Heeb S., Fletcher M.P., S.R. Chhabra, Diggle S.P., Williams P., Cámara M. Quinolones: from antibiotics to autoinducers, FEMS Microbiol Rev. 201, 35(2): 247 – 274
Emmerich R., Low O. Bakteriolytische Enzyme als Ursache der erworbenen Immunität und die Heilung von Infectionskrankheiten durch dieselben. Medical Microbiology and Immunology, 31: 1 – 65
Pelaez F. The historical delivery of antibiotics from microbial natural products – can history repeat? Pharmac., 2006, 71: 981 – 990
Aminov R.I. A Brief History of the Antibiotic Era: Lessons Learned and Challenges for the Future. Front Microbiology, 2010, 1:134
Sydow M., Chrzanowski Ł. Ziemia – planeta bakterii. Wszechświat, 2013, 114, (4 ̶ 6): 107 – 111
Saga T., Yamaguchi K. History of Antimicrobial Agents and Resistant Bacteria. JMAJ, 2009, 52(2): 103 – 108
Zabłotni A., Jaworski A. Źródła antybiotyków w środowiskach naturalnych i ich rola biologiczna. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 2014; 68: 1040 – 1049
Ubysz J., Tobiasz E. Penicilyna – pleśń, która ratuje życie. Analit 2016, 2: 152–154
Solecka J., Ziemińska J., Rajnisz A., Laskowska A., Guśpiel A. Promieniowce, występowanie i wytwarzanie związków biologicznie czynnych. Postępy Mikrobiologii, 2013, 52, 1: 83 – 91