UNIVERSIDAD PRIVADA ANTONIO GUILLERMO URRELO. FACULTAD CIENCIAS DE LA SALUD. ESCUELA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA TEMA Antibióticos y su diseño por la tecnología del DNA recombinante ASIGNATURA : BIOTECNOLOGIA DOCENTE : MGs. Q.F. Jessica Bardales Valdivia ALUMNOS : Colunche Burga Elizabeth Abanto Medina Lily Tanta Flores Margarita Malca Gamarra Luis Suarez Vallejos Leticia Izquierdo Linares Omar INTRODUCCION La tecnología del DNA recombinante depende, en parte, de la capacidad Las enfermedades infecciosas han causado la muerte de millones de de cortar y unir segmentos de DNA seres humanos a lo largo de por secuencias específicas de bases. la historia de la humanidad. Con el Utilizando esta metodología, se descubrimiento de los antibióticos, transferir segmentos esta realidad comenzó a ser pueden modificada y, en los años ochenta particulares de DNA a virus o a del siglo XX, podía hablarse de una bacterias para amplificarlos, aislarlos victoria prácticamente total frente a e identificarlos. las infecciones por microorganismos. GENERAL: Conocer las diferentes funciones que cumplen los antibióticos y su diseño por la tecnología del DNA recombinante. OBJETIVOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Conocer los antibióticos y su diseño por la tecnología del DNA recombinante y sus técnicas empleadas para lograrlo como son la mutagénesis, las enzimas que participan en la síntesis del antibiótico y la ingeniería genética. Conocer el desarrollo de los aminoglucosidos y el origen de resistencia a los aminoglicosidos. ANTIBIOTICOS Los antibiótico en un principio involucraban productos del metabolismo de hongos y bacterias, capaces de inhibir en pequeñas dosis los procesos vitales de ciertos microorganismos, destruyendo o impidiendo su desarrollo y reproducción. La producción y secreción de Los antibióticos naturales son productos del metabolismo secundario de ciertos microorganismos provenientes del suelo, como los hongos del género Penicillium o las bacterias del género Streptomyces. El metabolismo secundario comienza cuando el microorganismo detiene su crecimiento por alguna razón (por ejemplo, por agotamiento de nutrientes), y los intermediarios metabólicos o productos finales comienzan a acumularse dentro de la célula. Estos intermediarios y productos finales pueden resultar tóxicos, y por eso la célula los convierte en productos menos tóxicos, como los antibióticos. las sustancias antibióticas no afectan al microorganismo productor, y le ofrecen una ventaja desde el punto de vista de la supervivencia ya que le permiten colonizar ambientes con más eficacia competidores. que sus LOS ANTIBIÓTICOS, UN HITO DE LA BIOTECNOLOGÍA La mayoría de las personas conoce acerca de la existencia de antibióticos, y su empleo es un hecho frecuente en el mundo entero hace varios años. De hecho, la producción de antibióticos que se inició a mediados del siglo XX, se considera la primera aplicación de la biotecnología a la vida La biotecnología se define tradicionalmente como “el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre”. cotidiana de las personas. Actualmente, la biotecnología moderna emplea técnicas de ingeniería Para comprender mejor esta afirmación, se debe genética, e incluye la producción de proteínas recombinantes, el recordar a qué se llama biotecnología y definir qué mejoramiento de cultivos vegetales y del ganado, el empleo de es un antibiótico. organismos para limpiar el medio ambiente, y otras aplicaciones industriales”. ANTIBIOTICOS SINTÉTICOS Y SEMISINTETICOS Los antibióticos sintéticos se producen en el laboratorio a través de procesos de síntesis química, como es el caso de las sulfamidas. Otros antibióticos se obtienen a partir de cultivos microbianos y luego se modifican químicamente. Éstos últimos son los antibióticos semisintéticos, como por ejemplo, la ampicilina, derivada de la penicilina. ¿QUE TIPOS DE ANTIBIOTICOS EXISTEN? Según su mecanismo de acción, algunos antibióticos impiden la síntesis de la pared celular de los microorganismos, otros alteran la membrana plasmática, y la mayor parte de ellos inhiben la síntesis de ácidos nucleicos o proteínas. Según la estructura química se diferencian las penicilinas, cefalosporinas, amino glucósidos, tetraciclinas, sulfamidas u otros. Según su espectro de acción, es posible dividirlos en agentes de amplio espectro, que actúan frente a multitud de bacterias, y agentes de espectro restringido que solo actúan frente a algunos tipos de bacterias. Alexander Fleming y el descubrimiento de la penicilina La penicilina es el antibiótico que revolucionó el tratamiento de las infecciones bacterianas, como la neumonía, sífilis, tuberculosis y gangrena, y dio origen a la industria farmacéutica. El descubrimiento de la penicilina fue un hecho casual, que se debe al trabajo de Alexander Fleming, bacteriólogo Del Hospital St. Mary de Londres, quien estaba interesado en el desarrollo de métodos de profilaxis y asepsia. Mientras se encontraba trabajando con bacterias del tipo estafilococos observó que una de las placas de cultivo había sido contaminada por un hongo. Decepcionado, pero sorprendido, Fleming observó que alrededor del hongo se formaba un enorme halo sin bacterias. Era evidente que el hongo (que luego se supo era de la especie Penicillum notatum) producía “algo” capaz de matar a las bacterias. Fleming llamó a este principio activo “penicilina notatum”. FABRICACIÓN INDUSTRIAL DE LA PENICILINA El hongo utilizado industrialmente para la producción de penicilina es Penicillum chrysogenum. El primer sistema de producción de penicilina fue el conocido como “método de superficie”, donde el hongo crecía en la superficie de una capa de medio de cultivo en bandejas. Pero después el desarrollo del método de “fermentación sumergida” permitió disminuir los requerimientos de espacio y, consecuentemente, los costos de producción. El hongo se introduce estérilmente y se inicia la fermentación, durante la cual el aire estéril permite el crecimiento del hongo y la agitación facilita su distribución en el fermentador. Después de unas 50 a 90 horas la tasa de crecimiento del hongo disminuye, el fermentador se enfría a 5 ºC para prevenir la desestabilización del antibiótico y el hongo se separa por filtración. EN BUSQUEDA DE NUEVOS ANTIBIOTICOS La búsqueda de nuevos antibióticos es probablemente más urgente en la actualidad que en los tiempos de Fleming, ya que muchos antibióticos que fueron alguna vez altamente efectivos han perdido utilidad frente a los organismos patógenos. Este hecho es el resultado de un proceso por el cual los microorganismos desarrollan resistencia frente a antibióticos que en el pasado les resultaban letales. Si bien los antibióticos son compuestos químicos producidos naturalmente por los microorganismos, y la adquisición de resistencia a los antibióticos también es un proceso natural en los seres vivos, se considera que el hombre ha influido en este acontecimiento evolutivo. Se cree que el uso indiscriminado de antibióticos por parte del hombre, ha acelerado el proceso de selección natural por el cual las bacterias más resistentes se han visto beneficiadas frente a las más sensibles. Estas cepas resistentes sobreviven a la presencia del antibiótico y pueden propagarse exitosamente. Conscientes del riesgo que significa que los antibióticos sean inocuos para los microorganismos patógenos, Diferentes centros de investigación o compañías farmacéuticas en todo el mundo realizan extensas búsquedas de microorganismos o de nuevas moléculas antibióticas con diferentes mecanismos de acción. Los nuevos antibióticos generalmente se obtienen por modificación química de los que ya se usan, para otorgarles nuevas propiedades. Se obtiene la mezcla de microorganismos que hay en diferentes muestras de tierra o de agua. Se analiza la capacidad que tiene cada muestra de producir algún tipo de antibiótico a través de antibiogramas u otros tipos de ensayos. Si el resultado es positivo, se aíslan los diferentes componentes de la muestra, se los cultiva por separado y se analiza su efecto antibacteriano, con el objetivo de individualizar al microorganismo productor de antibióticos. Sin embargo, el mayor desafío es encontrar antibióticos completamente nuevos. Para eso, se realiza un arduo y sistemático trabajo de búsqueda o rastreo, llamado “screening”, que se podría resumir en los siguientes pasos: Se estudia de qué tipo de antibiótico se trata para comprobar que no sea uno ya conocido. Se estudia de qué bacteria u hongo se trata para ver cómo puede crecer en cultivo. Se ensaya la producción del antibiótico haciendo crecer al microorganismo en pequeños fermentadores, para pasar luego a más grandes. MEJORAMIENTO DE LOS ANTIBIOTICOS Otra técnica que se puede emplear es la ingeniería genética para aumentar el número de copias de los genes que codifican para las enzimas que intervienen en la producción del antibiótico. Una de las técnicas empleadas para lograrlo es la mutagénesis, que introduce cambios azarosos en el ADN que pueden favorecer o acelerar la síntesis del antibiótico. Otra alternativa es, una vez conocidas las enzimas que participan en la síntesis del antibiótico, dirigir la mutación a los genes que codifican para estas enzimas para que trabajen más y fabriquen más producto. MUTAGENESIS: QUE INTRODUCE CAMBIOS EN EL ADN QUE PUEDE FAVORECER O ACELERAR LA SÍNTESIS DE ANTIBIÓTICOS. Una mutación es un cambio heredable en la secuencia de bases de los ácidos nucleicos que constituyen el genoma de un organismo; ésta se produce en condiciones naturales con baja frecuencia y se deben fundamentalmente a errores en los procesos de replicación del ADN. Además de las mutaciones espontáneas, pueden ocurrir mutaciones inducidas, provocadas por agentes mutagénicos (químicos, físicos o biológicos) que proporcionan una herramienta para introducir cambios en el genoma bacteriano en el laboratorio. Dada la baja frecuencia de mutaciones, solo los microorganismos con alta tasa de crecimiento, pueden alcanzar cifras suficientemente altas como para que sean detectables. Las mutaciones en las bacterias, frecuentemente afectan propiedades fácilmente reconocibles como requerimientos nutricionales, morfología o resistencia antibiótica. La mayoría de estos errores o alteraciones introducidos en el genoma, son corregidos por los mecanismos de reparación del ADN, pero algunos escapan a la corrección y pueden originar cambios heredables que proporcionan una diversidad genética. Algunas mutaciones pueden conferir al mutante una ventaja frente a la cepa que le dio origen, bajo ciertas condiciones ambientales, de manera que la protege de dicha célula mutante es capaz de superar el crecimiento de la cepa original y sustituirla. Muchas mutaciones que originan un producto proteico defectuoso, pueden ser suprimidas por un segundo evento de mutación en otro sitio del genoma (mutaciones supresoras), restaurándose el fenotipo original. También puede suceder que el codón se convierta en una señal de terminación (mutación sin sentido) y en ese caso se Traducirá una proteína incompleta no funcional. Este es el caso de las mutaciones que confieren resistencia a los antibióticos, en las que el mutante resistente se seleccionará en un ambiente en el que las bacterias estén expuestas al antibiótico. Las mutaciones puntuales, son aquellas que implican un cambio en una única base; pueden provocar que se cambie un aminoácido por otro en el producto proteico. Otras veces no se traducen en ningún cambio (mutación silenciosa), dado que como sabemos existe más de un codón para cada aminoácido. Enzimas que participan en la síntesis de antibióticos. Una vez conocidas las enzimas que participan en la síntesis del antibiótico, dirigir la mutación a los genes que codifican para estas enzimas para que trabajen más y fabriquen más producto. Ingeniería Genética Y Biotecnología actualmente las nuevas tecnologías genómicas están permitiendo realizar una aproximación más racional al diseño de nuevos antibióticos. La genética o biosíntesis combinatoria y el ADN se están utilizando para intercambiar genes del metabolismo secundario entre microorganismos productores de antibióticos o para crear genes híbridos de enzimas clave en el metabolismo que permitan la síntesis de nuevas moléculas antibióticas. Especialmente significativos son los estudios de Biología Molecular realizados para conocer los procesos de síntesis de los antibióticos βlactámicos. En este sentido, también ha sido particularmente productiva la síntesis de nuevos antibióticos a través de la creación de polipéptido sintetizas híbridas y/o mutantes. Este proceso combinado con la posibilidad de modificar las rutas de biosíntesis de los azúcares ha permitido crear nuevas moléculas de antibióticos macrólidos de reconocida importancia clínica. Incluso hoy en día se han desarrollado métodos para extraer la información genética de microorganismos productores de antibióticos directamente de muestras de suelo, con objeto de clonar los genes de microorganismos que serían difíciles de aislar y cultivar. Concepto. TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE ADN recombinante es una molécula que proviene de la unión artificial de dos fragmentos de ADN. Por lo tanto, la tecnología de ADN recombinante es el conjunto de técnicas que permiten aislar un gen de un organismo, para su posterior manipulación e inserción en otro diferente. • La tecnología nos permite obtener fragmentos de ADN en cantidades ilimitadas, que llevará además el gen o los genes que se desee. Este ADN puede incorporarse a las células de otros organismos (vegetales, animales, bacterias) en los que se podrá "expresar" la información de dichos genes. De una manera muy simple podemos decir que "cortamos" un gen humano y se lo "pegamos" al ADN de una bacteria; si por ejemplo es el gen que regula la fabricación de insulina, lo que haríamos al ponérselo a una bacteria es "obligar" a ésta a que fabrique la insulina. GENERALIDADES El término DNA recombinante hace referencia a la creación de nuevas combinaciones de segmentos o de moléculas de DNA que no se encuentran juntas de manera natural. La tecnología del DNA recombinante utiliza técnicas que provienen de la bioquímica de los ácidos nucleicos unidas a metodologías genéricas desarrolladas originalmente para la investigación de bacterias y de virus. La utilización del DNA recombinante es una herramienta poderosa para el aislamiento de poblaciones puras de secuencias específicas de DNA a partir de una población de secuencias mezcladas. FABRICACION DEL ADN RECOMBINANTE El desarrollo de las técnicas de DNA recombinante ofrece nuevas oportunidades para la investigación, ya que simplifica la obtención de grandes cantidades de DNA que codifican genes específicos, y facilita las investigaciones de la organización, estructura y expresión génicas. EL DESARROLLO DE LA TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE FUE POSIBLE GRACIAS A VARIAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN: El conocimiento de las enzimas de restricción. La replicación y reparación de ADN. La replicación de virus y plásmidos La síntesis química de secuencias de nucleótidos. Cómo cortar y pegar el ADN? Tijeras moleculares: ENZIMAS DE RESTRICCIÓN: En 1975 Daniel Nathans y Hamilton O. Smith descubrieron un tipo de proteínas las enzimas endonucleasas o enzimas de restricción- que actúan como "tijeras moleculares", cortando la doble cadena de ADN a través del esqueleto de fosfatos sin dañar las bases. Técnicas Utilizadas ENZIMAS DE RESTRICCIÓN. ESTE TIPO DE ENDONUCLEASAS PUEDE DEJAR DOS TIPOS DE EXTREMOS. En el primer caso, el corte genera nucleótidos de simple cadena llamados extremos cohesivos. Estos extremos se pueden unir por medio de otra enzima, la ADN ligasa. Cómo introducir ADN recombinante en las bacterias Una vez que los biólogos encontraron cómo fabricar ADN recombinante usando enzimas de restricción y ligasas, el desafío siguiente fue cómo producir grandes cantidades de genes y cómo introducirlos en bacterias u otras células En el segundo caso, se generan extremos doble cadena (extremos romos). Estos extremos también pueden ser unidos con la ayuda de una enzima ligasa pero, como no los extremos no son complementarios, la unión será más inespecífica. huésped. El primer problema fue solucionado con el uso de plásmidos, pequeñas moléculas de ADN circular presente en muchas bacterias. PODEMOS CREAR UNA MOLÉCULA DE ADN RECOMBINANTE USANDO UN PLÁSMIDO. ESTE PROCESO CONSTA DE LAS SIGUIENTES ETAPAS: Cortamos el ADN circular del plásmido con enzimas de restricción, para generar extremos cohesivos. Cortamos el ADN que queremos multiplicar. Debemos asegurarnos de que los extremos del plásmido y los del ADN a insertar sean complementarios y puedan unirse. Unimos el gen que queremos introducir (inserto) por medio de la enzima ADN-ligasa y luego introducimos el plásmido con inserto en bacterias. Seleccionamos las bacterias que hayan introducido el plásmido con la ayuda de antibióticos. Dado que los plásmidos contienen un gen de resistencia a antibiótico, al exponer las bacterias a ese antibiótico, sólo las que hayan incorporado el plásmido (y con él la resistencia) sobrevivirán, mientras que las que no lo tengan morirán. DESARROLLO DE AMINOGLICOSIDOS Se han realizado innumerables esfuerzos para reducir la toxicidad de los aminoglucósidos, pero las soluciones, de existir, están por ser encontradas. La alternativa más útil hasta el momento parece ser la aplicación de monodosis en terapias combinadas. Los aminoglucósidos por su probada eficacia continuarán siendo utilizados en la práctica clínica como terapia antimicrobiana, a pesar de sus efectos adversos, de la resistencia bacteriana de bajo y alto nivel y del surgimiento de nuevos antimicrobianos. Los aminoglucósidos son productos naturales o derivados semisintéticos. Algunos derivan de numerosas especies de Streptomyces, el primero fue la estreptomicina del griseus, la neomicina del fradiae, la kanamicina de kanamyceticus, la tobramicina del tenebrarius; asi como la paromomicina, mientras que la gentamicina y la sisomicina fueron aisladas de diferentes especies de Actinomycete del géneroMicromonospora. La amikacina y la dibekacina son derivados obtenidos por modificaciones químicas de la molécula de la kanamicina, y la netilmicina es un derivado semisintético de la sisomicina. PROPIEDADES QUÍMICAS Y CLASIFICACIÓN Componentes Su estructura química se compone de aminoazúcares unidos por enlaces glucosídicos a un alcohol cíclico hexagonal con grupos amino (aminociclitol). Por tanto, su denominación correcta sería "aminoglucósidos aminociclitoles". No obstante, en la práctica se utiliza sólo el primer nombre para designar a este grupo de antibióticos. de esta familia (espectinomicina y trospectomicina) son exclusivamente aminociclitoles porque no tienes aminoazúcares. Aminoglucósido con aminociclitol. Aminociclitol sin aminoglucósido. Mecanismo de acción Los aminoglucósidos son antimicrobianos bactericidas (otros aminociclitólicos como la espectinomicina son bacteriostáticos), que actúan sobre el ribosoma bacteriano, inhibiendo la síntesis de proteínas. Se unen fundamentalmente a la subunidad ribosomal 30 S. Para alcanzar el ribosoma tienen que ser transportados a través de las membranas celulares, pero debido a su alta polaridad necesita un mecanismo detransporte activo y utilizan el metabolismo que depende de oxígeno. Ellos interrumpen el ciclo normal de la función ribosomal, interfiriendo al menos en parte con el primer paso de la síntesis proteica (reacción de iniciación) con la consiguiente formación de complejos anormales (monosomas). Otro efecto derivado de su acción es la lectura errónea del código genético. ESPECTRO ANTIMICROBIANO Los aminoglucósidos son de gran utilidad en la terapéutica de infecciones debidas a bacilos aeróbicos gram (-), particularmente Bacterias los resistentes a las penicilinas y aureus, Staphilococcus epidermidis, Streptococccus cefalosporinas. Bacterias gram (-): faecalis. La estreptomicina y la kanamicina inhiben el Acinetobacter, crecimiento del Mycobacterium tuberculoso y la Enterobacter, E. Coli, etc Citrobacter, gram (+): Staphilococcus Amikacina es activa contra mycobacterias atípicas. RESISTENCIA MICROBIANA Existen al menos 3 mecanismos conocidos por los cuales las bacterias gram (-) desarrollan resistencia a los aminoglucósidos: Disminución de la permeabilidad celular, no permitiendo que la droga penetre dentro de la célula. Las bacterias anaeróbicas son resistentes debido a la ausencia del sistema de transporte activo dependiente de oxígeno, necesario para dicha penetración. Alteraciones en el sitio de acción por mutaciones ribosomales. Se han descrito en cepas de E. Coli, P. aeruginosa y Streptococcus faecalis. En estos casos no existe sinergismo con las penicilinas. Enzimas microbianas producidas por plasmidas o factores R. Constituyen el principal mecanismo de resistencia. Existen numerosas enzimas involucradas en la misma, las cuales que son capaces de causar adenilación, acetilación y fosforilación; ocurre que 7 inactivan a la kanamicina, 6 la tobramicina, 4 la gentamicina y la dibekacmicina y solamente 2 a la amikacina. Efectos indeseables de los aminoglucósidos: Ototoxicidad: Todos los aminoglucósidos pueden producir afectación de ambas funciones. Sin embargo, se produce mayor daño coclear con: kanamicina, amikacina y neomicina, mientras que vestibular la estreptomicina y la gentamicina. La tobramicina afecta ambas funciones por igual. Los aminoglucósidos deben usarse con precaución durante el embarazo, por la probabilidad de daño ótico o renal del feto, sin embargo su empleo en la madre no contraindica la lactancia natural. En Cuba existen programas que establecen la detección temprana de los déficit auditivos en la niñez. Uno de los criterios de inclusión en estos programas es el antecedente de uso de aminoglucósidos. Los eventos asociados a la aparición de ototoxicidad son: Terapias por más 8 días. Administración concurrente con diuréticos. Antecedentes de tratamiento con aminoglucósidos. RESISTENCIA A LOS AMINOGLUCÓSIDOS Conceptos. • Es la Alteración del sitio blanco. Por mutación de los genes de proteínas ribosomales o del ARN 16S, lo que tiene importancia clínica para estreptomicina. Reducida acumulación intracelular del compuesto. Esta disminución, principalmente observada en Pseudomonas spp y otros bacilos gramnegativos no fermentadores, se puede atribuir fundamentalmente a la impermeabilidad de la membrana externa, causada por varios factores, como son cambios en las proteínas de membrana externa, determinando un nivel de susceptibilidad intermedio a estos agentes antibacterianos. Los aminoglucosidos (EMA) se dividen en 3 grupos: Aminoglucósido-acetiltransferasas (AAC), que acetilan grupos amino utilizando como cofactor la acetilcoenzima A. la gentamicina ha sido informada en nuestro país, con un importante incremento posiblemente a causa de del cepas uso que la producen, frecuente de este aminoglucósido. Aminoglucósido-fosfotransferasas Aminoglucósido-adeniltranferasas (AAD, actualmente designadas como ANT), enzimas conocidas también como nucleotidiltransferasas, hidroxilos. que adenilan ciertos grupos (APH), que también modifican los grupos hidroxilos mediante fosforilación. Estos dos tipos de enzimas utilizan nucleósidos trifosfatos, especialmente ATP, como cofactor. ORIGEN GENÉTICO DE LA RESISTENCIA A AMINOGLUCÓSIDOS Esto es fundamental al considerar la potencial diseminación de estos genes de resistencia hacia cepas susceptibles. En la última década sin embargo, se ha detectado la presencia de nuevos elementos genéticos que participarían en la resistencia bacteriana. Se trata de cassettes genéticos que albergan genes que codifican resistencia a antibacterianos. Los cassettes se encuentran asociados a integrones, los cuales son capaces de captar estos determinantes de resistencia gracias a la acción de una recombinasa específica de sitio (integrasa) y proporcionarles el o los promotores necesarios para su expresión. Gracias por su atención