Antibióticos Microbiología Industrial

Antibióticos
Microbiología Industrial
Síntesis de PG
•
•
•
•
Síntesis de precursores solubles en el citoplasma
Los precursores son recogidos por un
transportador de membrana y se forman las uu.
disacarídicas con el pentapéptido
Las uu. disacarídicas-(pentapéptido), expuestas al
exterior, son polimerizadas  cadenas lineales de
PG
La cadena lineal de PG recién formado se une al PG
preexistente por transpeptidación
Fase 1: citoplasma
– Activación de los monosacáridos:
– UDP-NAG
• UDP-NAG + PEP  UDP-NAM
–
–
–
–
Unión secuencial aa. al NAM (con ATP y Mn):
NAM-L-ala
NAM-L-ala-D-glu
NAM-L-ala-D-glu –di aa (m-DAP, L-Lys)
• NAM-L-ala-D-glu –di aa-D-ala-D-ala
– Al final de esta fase tenemos en citoplasma:
– UDP-NAG
– UDP-NAM-(pentapéptido)
Fase 2: membrana. Unidad disacarídicapentapéptido y elongación
• El NAM-(pentapétido) se transfiere desde el UDP hasta el bactoprenol-P 
bactoprenol-P-P-NAM-(pentapéptido)
• Ahora se transfiere la NAG desde el UDP para unirse por transglucosidación con el
NAM.
• Tenemos, pues: bactoprenol-P-P-NAM(pentapéptido)-NAG
• Bactoprenol está en membrana citoplásmica. NAM(pentapéptido)-NAG está en
principio colgando hacia el citoplasma, pero ahora... El bactoprenol cargado con la
unidad NAM(pentapéptido)-NAG se va al otro lado de la membrana (flip-flop), con
lo que la unidad queda expuesta hacia el exterior
– Transglucosidación: dos unidades de bactoprenol-P-P-NAM(pentapéptido)NAG reaccionan
– Queda libre un bactoprenol-P-P ( bactoprenol-P, por fosfatasa específica)
• Queda un bactoprenol-P-P unido a dos unidades de NAM(pentapéptido)-NAG
• La reiteración de transglucosidación va generando cadenas largas de PG naciente
unido por un extremo a bactoprenol
Transpeptidación
CWT = PBP
El PG naciente (con sus pentapétidos) unido al bactoprenol reacciona por
transpeptidación con un PG aceptor preexistente:
El –CO de la D-ala(4) reacciona con el NH2 libre del di-aa(3)
Entrecruzamiento entre dos cadenas de PG
Se libera la D-ala(5)
Antibiótico
Antibióticos de uso común: características
Acción
Espectro
Antibióticos producidos por diferentes
microorganismos
Determinación de niveles de actividad antimicrobiana
a. Método de difusión en
discos (Kirby-Bauer)
b. Método de dilución en caldo
Antibióticos: blancos de acción
Análogos estructurales: sulfonamidas
Penicilinas: estructuras y características
β-lactámicos: Mecanismo de acción
Cefalosporinas
Quinolonas: mecanismo de acción
Metronidazol
Rifampicina
Inhibición RNA polimerasa,
transcripción
Tetraciclinas
Aminoglucósidos
Unión a S12 en
subunidad 30S
Unión a S12 y L6
en subunidad
30S
Péptidos catiónicos: Mecanismos de acción
15-20 aa (precursores mayores, con
secuencia señal
PM <10000 Da
Anfipáticos
Piel de batracios, linfa de insectos,
neutrófilos
Disrupción membrana externa o MC
Mecanismos de resistencia
Mecanismos de resistencia a los
antibióticos betalactámicos
•
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•
Alteraciones en la penetración
Inactivación enzimática (betalactamasas)
Modificación de las PBPs
Tolerancia (CMB es 32 veces mayor que
CMI)
Importancia de las betalactamasas
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•
Estafilococos
Enterococos
Neisseria spp
Branhamella
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•
•
Enterobacteriáceas
P. aeruginosa
B.fragilis
H.influenzae
Betalactamasas
• Enzimas que hidrolizan irreversiblemente el
enlace amida del núcleo betalactámico de los
antibióticos betalactámicos, inactivándolos.
Betalactamasas
• Características de los microorganismos con
peptidoglicano, con algunas excepciones
• Descritas más de 200
• Papel no bien conocido (síntesis de pared bacteriana,
mecanismo de defensa frente a betalactámicos
producidos por bacterias ambientales y hongos)
• Factor más importante: utilización clínica de
betalactámicos
Betalactamasas
Historia
• 1940. Descripción por Abraham y Chain. Extracto de E.coli
era capaz de inactivar soluciones de penicilina
(penicilinasa).
• 1944. Kirby observó que la producción de penicilinasa se
correlacionaba con R a Pen en aislados de S.aureus.
Incremento de cepas productoras.
• Años 60. Introducción de aminopenicilinas y
cefalosporinas. Aparición de cepas R por producción de
betalactamasas.
Betalactamasas
Características (1)
• Codificación:
– Cromosómicas. Gran número. Características
de género, especie o subespecie
– Extracromosómicas. Posible difusión
intragénica o intergénica. Amplia distribución.
En general distintas a cromosómicas con
excepciones (SHV-1, AmpC)
Betalactamasas
Características (3)
• Localización/excreción:
– Exoenzimas. Se excretan al medio. Características
de la mayorïa de bacterias Grampositivas.
– Intracelulares: Retenidas en espacio periplásmico.
Su eficacia está en función de la capacidad de los
sustratos para penetrar. Características de las
bacterias Gramnegativas.
Betalactamasas
Características (4)
• Espectro:
– Penicilinasas
– Cefalosporinasas
– Amplio espectro
Betalactamasas
Características (5)
• Bacterias Gramnegativas:
– enzimas intracelulares, constitutivas o inducibles y codificadas por
genes cromosómicos o extracromosómicos. En algunos casos
acceden fácilmente al exterior (Haemophilus, Neisseria, B.fragilis).
Expresión variable (especie, copias plásmido o gen).
• Bacterias Grampositivas:
– exoenzimas inducibles, mediadas normalmente por genes
extracromosómicos, situados en plásmidos pequeños no
autotransferibles. Actividad generalmente penicilinasa.
El operón vanA
Fenotipo: Tn1546. confiere resistencia inducible a Vancomicina y Teicoplanina
Sistema de inducción de 2 componentes: VanS, proteina transmembrana, se
autofosforila en presencia del glicopéptido y luego fosforila a VanR, el promotor
esencial del operón.
VanX: dipeptidasa, libera D-ala a partir del dipéptido D-ala-Dala
VanH: hidrogena el piruvato para formar lactato
VanA: liga D-ala-Dlactato
VanY: no esencial, libera lactato cuando se forma el puente peptídico
Mecanismo de resistencia a Vancomicina
Importante en
Enterococos,
VRE
• Más de la mitad de la producción anual de ATB en el mundo se utiliza con
fines no terapéuticos, en alimentacion animal, profilaxis y estimuladores
delcrecimiento ,etc
Reports on Antibiotic Resistance Genes Isolated from the Environment
Copyright © 2009, National Academy of Sciences
Year
Report
1972
Identification of β-lactamases in soil actinomycetes
1974
Identification of aminoglycoside-modifying enzymes in soil bacteria
1988
Identification of Citrobacter spp. and Kluyvera spp. as origins of extended-spectrum β-lactamases
2001
Identification of gyrA allelism in soil isolates that provides such isolates with “natural” fluoroquinolone
resistance
2004
Identification of resistance genes in the soil metagenome
2006
Identification of the environmental “resistome” that conveys multidrug resistance in soil isolates
2006
Identification of the “intrinsic” resistome of pathogens (gene knockouts)
2008
Identification of the environmental “subsistome”—a population of bacteria that degrades antibiotics
Microbiología industrial y biotecnología
Areas de aplicación y ejemplos de productos obtenidos de
microorganismos
Microbiología industrial y biotecnología: preservación
de cepas
Microbiología indutrial y biotecnología: medios de
cultivo
Microbiología indutrial y biotecnología: fermentación
Lift-tube
Ferment en estado sólido
Reactor de cama fija
Reactor de partículas
en fluido
Diálisis
Quimiostato
Esquema general de un proceso fermentativo
Microbiología indutrial y biotecnología: tipos de
productos
Microbiología indutrial y biotecnología: metabolitos secundarios
Producción de
estreptomicina en S.
griseus
Metabolitos primarios: producción de ácido glutámico
Bioconversión
Hidroxilación de progesterona en posición 11
El sustrato (esteroide) se adiciona al cultivo del hongo
Enzimas usadas en el procesamiento de alimentos
Fernandes P., 2010
Estrategias para el mejoramiento de la performance de
enzimas utilizadas en la industria de alimentos
Métodos de inmovilización: características generales
Mercado biotecnológico global: 2006-2008
Categorías terapéuticas líderes
Biotechnology
Protein
Market size** $ billion
2006 2007 2008
Cancer, Arthritis
Infection
Monoclonal
Antibodies
20
27
33
Infections
Vaccines
15
19
25
Anemia
Erythropoietin
12
11.8
9.5
Autoimmune
Inflammatory
TNF Blockers
10.6
13.5
18
Diabetes
Insulin
9
11
12.5
MS+ Hepatitis C
Interferon
6.7
7.6
8
Growth, fertility
Hormones
6.5
7.4
8
*IMS Top Line Industry Data 2007; Ernst & Young
2008 Beyond Borders, Datamonitor
**Maggon K. R&D Paradigm Shift & billion dollar
biologics. In Shayne C. Gad Ed. Handbook of
Pharmaceutical Biotechnology.
John Wiley, New York. May 2007
• The antibiotics market generated sales of US$42
billion in 2009 globally, representing 46% of sales of
anti-infective agents (which also include antiviral
drugs and vaccines) and 5% of the global
pharmaceutical market1. However, the antibiotics
market is maturing; it showed an average annual
growth of 4% over the past 5 years, compared with a
growth of 16.
Parques biotecnológicos en el mundo
Patentes