Osnove metabolizma mikroorganizama

Транскрипт

1 ANTIMIKROBNI AGENSI EPIDEMIOLOGIJA INFEKTIVNIH BOLESTI ULOGA MIKROORGANIZAMA U INDUSTRIJSKOJ PROIZVODNJI, ZAŠTITI ŽIVOTNE SREDINE I BIOKONTROLI Prof. dr Tanja Berić

2 Antimikrobni agensi koji se koriste in vivo Sintetički agensi i prirodni antibiotici podela na osnovu molek. strukture, mehanizma delovanja i spektra aktivnosti bakteriostatički ili baktericidni selektivna toksičnost osetljivost i spektar aktivnosti

3 Antimikrobni agensi koji se koriste in vivo Sintetički agensi: analozi faktora rasta (vitamina, aminokiselina, purina i pirimidina...) - sulfa lekovi (analozi prekursora folne kiseline) - izonijazidi (uzak spektar, Mycobacterium) kinoloni (sprečavaju superspiralizaciju DNK) G+ i G- Antibiotici antimikrobni agensi koje proizvode bakterije i gljive - prirodni - polusintetički osetljivost i spektar aktivnosti

4 Ciljna mesta i antimikrobni spektar različitih antimikrobnih agenasa

5 Mehanizmi delovanja različitih antibiotika Antibiotici koji utiču na sintezu proteina - interakcija sa ribozomima i ometanje translacije - inhibicija inicijacije ili elongacije pp lanca - 30S ili 50S inhibitori Antibiotici koji utiču na transkripciju - vezivanje za subjedinicu RNK polimeraze ili vezivanje za DNK i sprečavanje elongacije RNK Antibiotici koji utiču na sintezu ćelijskog zida - blokiranje transpeptidacije β-laktamski antibiotici (penicilini i cefalosporini) Antibiotici koji utiču na ćelijsku membranu - blokiranje sinteze masnih kiselina ili destabilizacija membrane

6 Antibiotici koje proizvode prokarioti Aminoglikozidi - streptomicin iz Streptomyces griseus - 30S inhibitori, streptomicin - protiv gram-negativnih bakterija Makrolidi (sadrže laktonski prsten) - eritromicin iz Streptomyces erythreus - 50S inhibitori Tetraciklini - širokog spektra ( i gram-pozitivne i negativne) - 30S inhibitori - veliki broj polusintetičkih analoga

7 Antibiotici koje proizvode prokarioti Daptomicin - ciklični lipopeptid sa jedinstvenim mehanizmom iz Streptomyces sp. - vezuje se za ćelijsku membranu i izaziva njenu depolarizaciju i prestanak sinteze proteina i DNK = smrt ćelije ali ne i lizu - protiv gram-pozitivnih - rezistencija retka i još nije poznat mehanizam Plantezimicin - inhibira enzim koji učestvuje u biosintezi lipida - target ćelijska membrana - jedinstven mehanizam, za sada bez potencijala za razvitak rezistencije - protiv gram-pozitivnih - radi i protiv MRSA i VRE Plantezimicin iz S. platensis

8 β-laktamski antibiotici inhibitori sinteze ćelijskog zida inhibitori transpeptidacije Penicilini (Penicillium chrysogenum) - protiv gram-pozitivnih - semisintetski i protiv gram-negativnih (ampicilin) - β-laktamski prsten osetljiv na dejstvo β-laktamaza - meticilin neosetljiv Cefalosporini (Cehaposporium sp.) - veliki broj polusintetičkih analoga - otporniji na β-laktamaze cefalosporin

9 Antivirusni lekovi Osnovni problem odsustvo selektivne toksičnosti Nukleozidni analozi (nukleozidni inhibitori reverzne transkripcije) - AZT (azidotimidin) inhibira umnožavanje retrovirusa Nenukleozidni inhibitori reverzne transkriptaze Inhibitori proteaza sprečavaju maturaciju retrovirusa Inhibitori fuzije sprečavaju ulazak HIV u T limfocit Interferoni indukuju interferenciju fenomen da infekcija jednim virusom sprečava infekciju drugim - Citokini koji sprečavaju replikaciju virusa stimulacijom proizvodnje antiviralnih proteina u neinficiranim ćelijama - Specifični za domaćina, ne za virus - virusna interferencija

10 Antifungalni lekovi Isti problem odsustvo selektivne toksičnosti postoje lekovi sa selektivnim delovanjem Ergosterol u citoplazmatičnoj membrani gljiva umesto holesterola Inhibitori ergosterola - interaguju sa ergosterolom formirajući pore na membrani amfotericin B - sprečavaju sintezu ergosterola klotrimazol Inhibitori sinteze ćelijskog zida (hitina) - polioksini koje proizvode streptomicete

11 Rezistencija na antibiotike Rezistencija na antimikrobne lekove stečena osobina inače osetljivih MO Proizvodnja antibiotika podrazumeva i rezistenciju Horizontalni transfer gena kao vid rasejavanja rezistencije Mehanizmi rezistencije: - nedostatak ciljne strukture (mikoplazme nemaju ćelijski zid) - nepropustljivost (G-negativne za penicilin) - modifikacija antibiotika u neaktivnu formu (β-laktamaze) - modifikacija ciljne strukture (mutacija u hromozomskim genima) - modifikacija (ili razvoj alternativnog) rezistentnog biohemijskog puta (ne sintetišu folnu kiselinu nego je uzimaju spolja) - efluks (izbacivanje) antibiotika Plazmidna ili hromozomska rezistencija R(esistance) plazmid prethodi eri upotrebe antibiotika u medicini Čovek nije izmislio rezistenciju ali ju je favorizovao (selektovao)

12 Perzistencija i dormancija

13 Novi antimikrobni lekovi Dizajniranje novih analoga poznatih antibiotika - optimizacija rastvorljivosti i afiniteta uvođenjem sitnih hemijskih modifikacija koje ne utiču na strukture ključne za aktivnost Otkrivanje novih antimikrobnih lekova - virtuelna testiranja afiniteta i delotvornosti korišćenjem 3-D modela - saquinavir inhibitor HIV proteaze (sprečava maturaciju virusa) - nova ciljna mesta - plantezimicin Kombinovanje lekova (penicilini+inhibitori beta laktamaze, baktrim) - smanjena mogućnost razvoja rezistencije

14 Teixobactin novootkriveni prirodni antibiotik (2015) otkriven skrinovanjem bakterija iz zemljišta koje ne mogu da se odgaje u laboratoriji novi pool novih antibiotika inhibira sintezu ćelijskog zida sprečavajući translokaciju prekursora peptidoglikana i teijhojne kiseline kroz membranu za sada nema rezistencije otkriven tehnologijom ichip

15 Epidemiologija infektivnih bolesti infektivne bolesti izazivaju 24% smrtih slučajeva godišnje u svetu epidemiologija proučava pojavu, rasprostranjenje i druge karakteristike bolesti u ljudskoj populaciji javno zdravlje efekti na nivou populaciju interakcije patogen domaćin veoma različite - hronične infekcije (patogen u ravnoteži sa domaćinom, oba preživljavaju) - akutne infekcije (novi patogeni, brze i dramatične, utiču na evoluciju i preživljavanje svih uključenih strana) epidemija pandemija

16 Rečnik epidemiologije incidenca broj novih slučajeva za neko vreme prevalenca totalni broj obolelih za neko vreme mortalitet učestalost smrtnih slučajeva u populaciji morbiditet učestalost bolesti u populaciji (i fatalnih i nefatalnih) Obrasci rasprostiranja infektivnih bolesti

17 Zajednica domaćina život u ekvilibrijumu za većinu patogena čiji je jedini domaćin čovek koevolucija sa domaćinom patogeni čiji primarni domaćin nisu ljudi nemaju obzira (Clostridium) grupni imunitet - imunizovane osobe štite ostatak populacije zato što ne mogu da prenesu patogen % imunizovanih koji može da zaštiti populaciju različit za različite patogene ciklične bolesti influenca se pojavljuje u ciklusima koji su vezani za školsku godinu Grupni imunitet i prenošenje infekcije

18 Mehanizmi širenja patogena na osnovu načina transmisije (ekologije patogena) infekcije se dele: I Direktna (sa osobe na osobu) II Indirektna (preko životinjskih vektora ili fomita ili iz zajedničkog izvora)

19 živi - sa domaćina na domaćina Rezervoari bolesti mnogi patogeni postoje samo u ljudskim populacijama (gonoreja, sifilis, polio, velike boginje) česti rezervoari bolesti su životinje gde je čovek slučajna žrtva zoonoze (kuga, besnilo, ptičiji i svinjski grip) neživi - saprofitne zemljišne bakterije (Clostridium spp.)

20 Direktna transmisija Respiratorne infekcije aerosol kao sredstvo raspršivanja vazdušnim putem obično na male distance izuzeci bakterije koje mogu dugo da opstanu na suvom (streptokoke, stafilokoke) i patogene gljive ljudi najčešće jedini rezervoari patogena koji izazivaju respiratorne infekcije nisu preterano ozbiljne same po sebi, ponekad mogu izazvati sekundarne probleme koji mogu biti ozbiljniji

21 Respiratorne infekcije

22 Bakterijske respiratorne infekcije Bolest Izazivač Osobine patogena Faringitis, otitis media, mastitis, impetigo Upala pluća Difterija Veliki kašalj Tuberkuloza Lepra Meningitis Streptococcus pyogenes Streptococcus pneumoniae Corinebacterium diphteriae Bordetella pertussis Mycobacterium tuberculosis Mycobacterium leprae Neisseria meningitidis G-neg, nesporulišuće, aerotolerantne anaerobne koke u lancima Isto samo su koke u parovima ili kratkim lancima G-poz, nepokretni anaerobni štapići G-neg, aerobni kokobeacil G-poz, acidfast bacil isto G-neg, nesporulišuće, aerobne diplokoke sa kapsulom Target/ Faktori virulencije Razno/egzotoksini Alveolarno tkivo pluća Tkivo grla i krajnika/egzotoksin Gornji repiratorni trakt/egzotoksin i endotoksin Tkivo pluća Koža lica i ekstremiteta Meninge (ovojnice mozga) Simptomi /vakcina Nelečene inf.: šarlah, reumatoidna groznica, STSS/ Da Inflamatorne reakcije Lezije tkiva/ DTP Snažan kašalj/ DTP Asimptomatska/ Propadanje plućnog tkiva kod imunokomprom/ Da Lezije na koži Glavobolja, povraćanje, ukočen vrat/da

23 Tuberkuloza Mycobacterium tuberculosis Kohov bacil G-poz, acidfast štapić svojevremeno najvažnija infektivna bolest primarna i postprimarna infekcija bacil naseljava pluća, imunski sistem izaziva odgođenu hipersenzitivnu reakciju i formiranje agregata aktiviranih makrofaga (tuberkule) nekada bacil naseljava i same makrofage tuberkulin test test na koži BCG vakcina obavezna u Srbiji streptomicin izonijazid

24 Virusne respiratorne infekcije Bolest Izazivač Osobine patogena Male boginje morbile (Measles) Simptomi paramiksoviridae ss minus RNK Sistemska viremija, karakteristični osip Zauške (Mumps) paramiksoviridae ss minus RNK Oticanje pljuvačnih žlezda Rubeole togaviridae ss plus RNK Boginje sa blažim simptomima, malformacija fetusa Boginje, ovčije varicella zoster herpesvirus Sistemski papularni (VZV) osip Prehlada rinovirusi, ss plusrnk Poznati su vam koronavirusi i ss plusrnk adenovirusi dsdnk Grip ortomiksovirusi ss minus RNK segmentisan Groznica, glavobolja, malaksalost Vakcina MMR MMR MMR da ne da

25 Direktnim kontaktom Bakterijske Bolest Izazivač Osobine patogena Staf infekcije Ulceri na želucu i duodenumu Staphylococcus aureus Helicobacter pylori G-poz koke, fakult. anaerobi, rezistentne na isušivanje i visoke koncentracije soli, katalaza pozitivne G-neg pokretna spiralna bakterija Target/Faktori virulencije 4 tipa hemolizina, koagulaza, leukocidin Mukoza želuca i gornjeg dela intestinalnog trakta Simptomi Akne, čirevi, osteomijelitis, endokarditis, meningitis, artritis, STS Hronični gastritis, čir na želucu

26 Direktnim kontaktom Virusne Bolest Virus i genom Vakcina Klinička bolest Način prenošenja Hepatitis A Hepatovirus (HAV) ssrnk Da Akutna Enteralni (hrana) Hepatitis B Ortohepadnavirus (HBV) dsdnk Da Akutna, hronična, onkogena Parenteralni*, seksualni Hepatitis C Hepacivirus (HCV) ssrnk Ne Hronična, onkogena Parenteralni Hepatitis D Deltavirus (HDV) ssrnk Ne Fulminantna** Parenteralni Hepatitis E Calciviridae (HEV) ssrnk Ne Fulminantna kod trudnica Enteralni (voda)

27 Seksualno prenosive bolesti (STD) Bolest Izazivač Osobine patogena Gonoreja Sifilis Hlamidija Herpes Trihomonijaze Neisseria gonorrhoeae Treponema pallidum Chlamidia trachomatis HSV-1 HSV-2 Trichomonas vaginalis G-neg, nesporulišuće, aerobne, oksidaza + diplokoke G-neg spiroheta Intracelularni parazit ds DNK virus protozoa Target Mukozme membrane urogenitalnog trakta Mukozme membrane, oči, zglobovi, kosti, CNS Mukozme membrane urogenitalnog trakta, oči Sluzokoža nosa i usana; anogenitalni region Mukozme membrane urogenitalnog trakta Simptomi Blagi vaginitis/bolna upala uretre 3 stadijuma bolesti Često asimptomatski/ trahom oka Groznica, genitalni herpes; aciklovir Vaginitis/ kod muškaraca često asimptomatski Genitalne bradavice HPV ds DNK virus isto Genitalne bradavice/ tumor AIDS HIV retrovirus isto Gubitak funkcije imunskog sistema

28 Sifilis Treponema pallidum G-neg spiroheta često se prenosi zajedno sa gonorejom kompleksna bolest koja može da se manifestuje kroz tri faze primarni sifilis lezije na genitalijama (šankre) može da migrira do oka, zglobova, kostiju i mozga sekundarni sifilis sistemski osip tercijarni sifilis ozbiljne infekcije kože, kardiovaskularnog i nervnog sistema penicilin radi

29 Hlamidioze Chlamydia trachomatis intracelularni patogen (a) Shema ciklusa koji traje oko 48h. (b) Infekcija hlamidijom ćelija falopijevih tuba. Elementarna tela (~0,3 µm) su infektivni oblici, a retikularna tela (~1 µm) su forme za propagaciju.

30 Bakterijske i virusne bolesti koje se prenose vektorima Bolest Izazivač Osobine patogena Vektor/Target Besnilo Rabdovirus ssrnk neg Canidae/Ćelije nervnog sistema (talamus i hipotalamus) Hanta groznica Hanta virus Segmentisani ss RNK neg Pegavi tifus Rickettsia Intracelularni prowazekii bakterijski parazit Lajmska bolest Borrelia burgdorferii spiroheta Kuga Yersinia pestis G-neg, fakultativno anaerobni bacili Glodari/Respiratorna mukoza Vaši/kroz kožu do krvnih sudova Krpelj/ kroz kožu do krvnih sudova Buva/limfne žlezde Simptomi/vakcina Groznica, uznemirenost, preterano lučenje pljuvačke, hidrofobija/ Da Groznica, hemoragija/ne Groznica, glavobolja, malaksalost, osip/ Ne Glavobolja, groznica, umor, karakteristični osip/ Ne Oticanje žlezda, septikemija Malarija Plasmodium protista Komarac/Krv Groznica, povraćanje, jake glavobolje

31 Bakterijske i virusne bolesti iz zajedničkog izvora kontaminirana voda (za piće i rekreaciju) ili hrana Bolest Izazivač Osobine patogena Kolera Vibrio cholerae G-neg, zavijeni bacil Akutni gastroenteritis Legionarska groznica Tifoidna groznica Amebijaza isto Giardia intestinalis Legionella pneumophila Salmonella enterica serovar Typhi Entamoeba histolytica Naegleria fowleri Izvor/Target Voda/ Intestinalni trakt Simptomi Teška dijareja, dehidracija protista isto Eksplozivna dijareja, grčevi, mučnina G-neg, obligatno Voda/ Blaga groznica i kašalj/teža aerobni štapić, Makrofage i upala pluća kod intracelularni monocite imunokompromitovanih parazit osoba G-neg fak. anaerobni štapić ameba ameba Hrana, voda/ Intestinalni trakt Voda/ Intestinalni trakt Rekreativne vode/ Mozak Groznica, dijareja, malaksalost, kašalj Dijareja, grčevi Hemoragije, oštećenja mozga

32 MO u industrijskoj proizvodnji industrijska mikrobiologija - proizvodnja komercijalnih proizvoda upotrebom MO, u velikim količinama i po relativno niskim cenama pospešivanje (pojačavanje) metaboličkih reakcija koje dati MO inače izvode sa ciljem postizanja overprodukcije biotehnologija - menjanje MO od interesa genetičkim inženjeristvom da proizvode ono što inače ne proizvode, male količine i skupo

33 glavni proizvodi industrijske mikrobiologije mogu biti i sami MO (kvasac) kao i: enzimi, antibiotici, aminokiseline, vitamini, aditivi, hemijska roba široke potrošnje (etanol, metanol..) i alkoholna pića (vino, pivo) najčešći proizvođači: kvasci, gljive i neki prokarioti (uglavnom Actinobacteria, tj. rod Streptomyces) koriste se klasične genetičke metode za selekciju dobrih sojeva (mutageneza i selektivni pritisak) imperativ je visok nivo produkcije fermentacije u industriji podrazumevaju proizvodnju (iako proizvod ne mora nastajati u procesu biohemijske fermentacije)

34 pored proizvodnje jedinjenja od interesa, MO mora da zadovoljava još uslova: - može da raste naveliko - zgodno je i ako proizvodi spore jednostavna inokulacija - brzo raste u tečnom jeftinom medijumu (najbolje na otpadnom materijalu) - ne smeju da budu patogeni za čoveka i životinje - moraju da budu podložni genetičkim manipulacijama - gajenje u fermentorima ( l) pod kontrolisanim uslovima - dodatni trošak predstavlja prečišćavanje proizvoda primarni i sekundarni metaboliti

35 većinu antibiotika proizvode Actinobacteria i poneki grampozitivni bacil i gljive mora se dobiti proizvod visoke čistoće (odstraniti pirogene koji mogu ko-prečišćavati sa antibiotikom) vitamini B12 i B2 (riboflavin) aminokiseline (glutaminska i asparaginska kiselina, fenilalanin) enzimi i ekstremozimi (proteaze, amilaze) alkoholna pića biogorivo: etanol, biodizel i algalno gorivo Botryococcus braunii

36 Bioremedijacija / Biodegradacija bioremedijacija naftnih izliva čišćenje naftnih i uljanih izliva i dr. zagađivača upotrebom MO, tj. stimulacijom aktivnosti MO na određeni način ugljeni hidrati iz nafte predstavljaju odličan izvor C za bakterije koje ih oksiduju ako je kiseonik na raspolaganju aktivnost ovih MO se može pospešiti dodatkom neorganskih jedinjenja bioremedijacija ksenobionata jedinjenja nova za prirodu (pesticidi, PCB, boje, rastvarači..) neka se relativno lako i brzo otklanjaju iz ekosistema dejstvom MO dok se neka praktično nerazgradiva akumulacija plastike najveći problem PHA = polihidroksi alkanoati bakterijska plastika

37 BIOKONTROLA = Biopesticidi i biofertilizatori Siderofore Kompeticija za nutrijente i prostor Antibioza Proizvodnja enzima Biokontrola Kompeticija Promocija za nutrijente rasta i prostor Indukovana rezistencija Tolerancija stresa

38 BIOKONTROLA= Biopesticidi i biofertilizatori Bt toksin iz Bacillus thuringiensis kao insekticid upotreba MO i njihovih produkata kao zamena za hemijske pesticide i đubriva Plant Growth Promoting Rhizobacteria - fiksacija azota - proizvodnja biljnih hormona - usvajanje nutrijenata - proizvodnja siderofora