CURRENT STATE AND PERSPECTIVES OF BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF ANTIBIOTICS

T. S. Todosiychuk, T. I. Izdebska, O. M. Gromyko, V. O. Fedorenko


DOI: http://dx.doi.org/10.30970/sbi.0501.135

Abstract


In this review, current state and development at trends in antibiotic biotechnology have been analyzed. Reasons prompting the search of novel and improvement of exis­ting antibiotics have been elucidated. Current strategies of investigations are discussed, particularly those that are aimed to increase the efficiency of screening of novel antibiotics, optimization of conditions of antibiotic biosynthesis as well as genetic and gene enginee­ring methods of construction of antibiotic producers. Data are presented on biotechnological production of antibiotics and their practical use in the world and Ukraine.


Keywords


biotechnology, antibiotics, antibiotic resistance, combinatorial biosynthesis

References


1. Белобродова Н.В. Гликопептиды (ванкомицин, тейкопланин) - место в антибактериальной терапии пациентов группы высокого риска. Анестезиология и реаниматология, 1998; 4 : 23-27.

2. Дебабов В.Г. Селекция микроорганизмов на заре XXI века. Биотехнология, 2005; 4: 3-19.

3. Дідик В.С. Мікробіологічне обґрунтування сумісного використання антибіотиків з антисептиками групи четвертинного амонію. Автореферат дис… канд. мед. наук: 03.00.22. Харків, 2003. 20 с.

4. Дубицька Л.П. Конструювання та селекція штаму Streptomyces peucetius subsp. ceasius - продуцента даунорубіцину та доксорубіцину. Автореф. дис… канд. біол. наук: 03.00.15. Київ, 2002. 17 с.

5. Кармалита Е.Е., Юрьев К.Л. Амбулаторное потребление антибактериальніх средств в Украине. Укр. мед. часопис, 2008; 1(63): 105-110.

6. Кобилянський А.М. Гени актиноміцетів, що контролюють етапи відновлення, окиснення та глікозилювання у біосинтезі ангуциклінових антибіотиків. Автореф. дис… канд. біол. наук: 03.00.22. Київ, 2011. 20 с.

7. Козлов Р.С. Нозокомиальные инфекции: эпидемиология, патогенез, профилактика, контроль. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия, 2000; 2(1): 16-30.

8. Костюк Р.В. Розвиток інноваційної діяльності біотехнологічних підприємств у сучасних умовах. Актуальні проблеми економіки, 2009; 8(98): 79-84.

9. Ланчини Д., Паренти Ф. Антибиотики. Москва: Мир, 1991. 270 с.

10. Мацелюх А.Б. Стрептоміцети - продуценти антибіотиків. Мікробіол. журн, 2003; 65(1-2): 168-181.

11. Новіков В., Сидоров Ю., Швед О. Тенденції розвитку комерційної біотехнології. Вісн. НАН України, 2008; 2: 25-39.

12. Осташ Б. Сайт-специфічні рекомбінази у генетичній інженерії: новітні технології in vivo. Цитология и генетика, 2010; 44(4): 61-69.

13. Реєстр ЛЗ на території України. http://mozdocs.kiev.ua/

14. Сергиенко О. Ралли на фармрынке! Аптечные продажи лекарств в Украине: итоги 2010 г. Часть I. Аптека.ua Online, 2011; 4.
http://www.apteka.ua/article/70328

15. Спосіб експрес-виявлення антибіотиків групи ландоміцинів. Пат. 88383 України. Осташ Б. О. Осташ І.С., Федоренко В.О. та ін.; заявл. 8.01.2008; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19.

16. Стрельников Л.С., Стрилец О. П., Щербак О. В. и др. Перспективы и пути развития производства биотехнологических лекарственных препаратов в Украине. Annals of Mechnikov Institute, 2006; 4: 3-8.

17. Тец Г. В., Артеменко К. Л. Совместное действие антибиотиков и дезоксирибонуклеазы на бактерии. Антибиотики и химиотерапия, 2006; 6: 11-14.

18. Шибаева А. Путешествия лекарств, или импорт-экспорт, производство готовых лекарственных средств: итоги 2010 г. Аптека.ua Online. 2011; 4.
http://www.apteka.ua/article/69550

19. Aiello A.E., Larson E. Antibacterial cleaning and hygiene products as an emerging risk factor for antibiotic resistance in the community. Lancet Infect. Dis, 2003, 3(8): 501-506.
https://doi.org/10.1016/S1473-3099(03)00723-0

20. Baig I., Kharel M., Kobylyanskyy A. et al. About the acceptor substrate of C-glycosyltransferase UrdGT2: three novel prejadomycin C-glycosides from an engineered mutant of the landomycin E-producer, Streptomyces globisporus 1912 ∆lndE(urdM). Angew. Chem. Int. Ed, 2006; 45: 7842-7846.
https://doi.org/10.1002/anie.200603176
PMid:17061307 PMCid:PMC2881212

21. Berdy J. Bioactive microbial metabolites. J. Antibiot, 2005; 58(1): 1-26.
https://doi.org/10.1038/ja.2005.1
PMid:15813176

22. Bentley S.D., Chater K.F., Cerden-o-Tarraga A.M. et al. Complete genome sequence of the model actinomycete Streptomyces coelicolor A3(2). Nature, 2002; 417: 141-147.
https://doi.org/10.1038/417141a
PMid:12000953

23. Bibb M.J. Regulation of secondary metabolism in streptomycetes. Curr Opin Microbiol, 2005; 8(2): 208-215.
https://doi.org/10.1016/j.mib.2005.02.016
PMid:15802254

24. Bister B., Bischoff D., Ströbele M. et al. Abyssomicin C-a polycyclic antibiotic from a marine Verrucosispora strain as an inhibitor of the p-aminobenzoic acid/tetrahydrofolate biosynthesis pathway. Angew. Chem. Int. Ed, 2004; 43: 2574-2576.
https://doi.org/10.1002/anie.200353160
PMid:15127456

25. Bizani D., Brandelli A. Influence of media and temperature on bacteriocin production by Bacillus cereus 8A dyring bath cultivation. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2004; 65: 158-162.
https://doi.org/10.1007/s00253-004-1570-1
PMid:14966665

26. Dalili M., Pao C. Production of actinomycin D with immobilized Streptomyces parvullus under nitrogen and carbon starvation conditions. Biotechnology Letters, 1988; 10(5): 331-336.
https://doi.org/10.1007/BF01026160

27. Demain A.L., Elander R.P. The b-lactam antibiotics: past, present and future. Antonie van Leeuwenbook, 1999; 75: 5-19.
https://doi.org/10.1023/A:1001738823146

28. Demain A.L, Sanchez S. Microbial drug discovery: 80 years of progress. J. Antobiotics, 2009; 62: 1-12.
https://doi.org/10.1038/ja.2008.16
PMid:19132062

29. Donadio S., Maffioli S., Monciardini P. et al. Antibiotic discovery in the twenty-first century: current trends and future perspectives. J. Antibiotics, 2010; 63: 423-430.
https://doi.org/10.1038/ja.2010.62
PMid:20551985

30. Gomez-Escribano J.P., Martín J.F., Hesketh A. et al. Streptomyces clavuligerus relA-null mutants overproduce clavulanic acid and cephamycin C: negative regulation of secondary metabolism by (p)ppGpp. Microbiology, 2008;154(3): 744-55.
https://doi.org/10.1099/mic.0.2007/011890-0
PMid:18310021

31. Gomez-Escribano J.P., Bibb M.J. Engeneering Streptomyces coelicolor for heterologous expression of secondary metabolite gene clusters. Microbial Biotechnology, 2011; 4(2): 207-215.
https://doi.org/10.1111/j.1751-7915.2010.00219.x
PMid:21342466 PMCid:PMC3818861

32. Gromyko O., Rebets Y., Ostash B. et al. Generation of Streptomyces globisporus SMY622 strain with increased landomycin E production and it's initial characterization. J. Antibiot, 2004; 57(6): 383-389.
https://doi.org/10.7164/antibiotics.57.383
PMid:15323127

33. Hamad B. The antibiotics market. Nature Reviews Drug Discovery, 2010; 9: 675-676.
https://doi.org/10.1038/nrd3267
PMid:20811374

34. Horbal L., Rebets Y., Rabyk М. et al. Characterization and analysis of the regulatory network involved in control of lipomycin biosynthesis in Streptomyces aureofaciens Tu117. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2010; 859(4): 1069-1079.
https://doi.org/10.1007/s00253-009-2108-3
PMid:19585113

35. Hyung-Moo Jung, Sang-Uong Kim, Ponnandy P. et al. Optimization of culture conditions and scale-up to plant scale for teicoplanin production by Actinoplanes teichomyceticus. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2000; 80: 21-27.
https://doi.org/10.1007/s00253-008-1530-2
PMid:18542948

36. Hyung-Moo Jung, Marimuthu J., Sang-Uong Kim et al. Biosynthesis, biotechnological production and application of teicoplanin: current state and perspectives. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2009; 84: 417-428.
https://doi.org/10.1007/s00253-009-2107-4
PMid:19609520

37. Ikeda H., Ishikawa J., Hanamoto A. et al. Complete genome sequence and comparative analysis of the industrial microorganism Streptomyces avermitilis. Nat. Biotechnol, 2003; 21: 526-531.
https://doi.org/10.1038/nbt820
PMid:12692562

38. Komatsu M., Uchiyama T., Omura S. et al. Genome-minimized Streptomyces host for the heterologous expression of secondary metabolism. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2010; 107(6): 2646-2651.
https://doi.org/10.1073/pnas.0914833107
PMid:20133795 PMCid:PMC2823899

39. Liras P., Juan P., Gomez-Escribano J.P., Santamarta I. Regulatory mechnisms controllling antibiotic production in Streptomyces clavuligerus. J. Ind. Microbiol. Biotechnol, 2008; 35: 667-676.
https://doi.org/10.1007/s10295-008-0351-8
PMid:18446393

40. Makitrynskyy R., Rebets Y., Ostash B. et al. Genetics factors that influence moenomycin production in streptomycetes. J. Ind. Microbiol. Biotechnol, 2010; 37(6): 599-566.
https://doi.org/10.1007/s10295-010-0701-1
PMid:20204454 PMCid:PMC2939378

41. Ning Chen, Chen-Guang Xing, Xi-Xian, Qing-Yang Xu. Optimization of technical conditions of producing ribavirin by Bacillus subtilis. Annals of Microbiology, 2009; 59: 525-530.
https://doi.org/10.1007/BF03175141

42. Ostash I., Ostash B., Luzhetskyy A. et al. Coordination of export and glycosilation of landomycins in Streptomyces cyanogenus S136. FEMS Microbiol. Lett, 2008; 285(2): 195-202.
https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2008.01225.x
PMid:18537830

43. Ostash B., Ostash I., Zhu L. et al. Properties of lanK-based regulatory circuit involved in landomycin biosynthesis in Streptomyces cyanogenus S136. Russian Journal of Genetics, 2010; 46(5): 530-535.
https://doi.org/10.1134/S1022795410050030

44. Ostash B.,Yan X., Fedorenko V., Bechthold A. Chemoenzymatic and bioenzymatic synthesis of carbohydrate containing natural products. Top. Curr. Chem. "Natural Products via enzymatic Reactions". Ed. J. Piel. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2010; 297: 105-148.
https://doi.org/10.1007/128_2010_78
PMid:21495258

45. Ostash B., Korynevska A., Stoika R., Fedorenko V. Chemistry and biology of landomycins, an expanding family of polyketide natural products. Mini-Rev. Med. Chem, 2009; 9(9): 1040-1051.
https://doi.org/10.2174/138955709788922593
PMid:19689401

46. Rebets Yu., Ostash B., Luzhetskyy A. et al. DNA-binding activity of LndI protein and temporal expression of the gene that upregulates landomycin E production in Streptomyces globisporus 1912. Microbiology, 2005; 151(1): 281-290.
https://doi.org/10.1099/mic.0.27244-0
PMid:15632445

47. Sevcikova B., Kormanec J. Differential production of two antibiotics of Streptomyces coelicolor A3 (2), actinorhodin and undecylprodigiosin, upon salt stress conditions. Arch. Microbiol, 2004; 181: 384-389.
https://doi.org/10.1007/s00203-004-0669-1
PMid:15054568

48. Stewart P.S. Mechanisms of antibiotic resistance in bacterial biofilms. Int. J. Med. Microbiol, 2002; 292: 107-113.
https://doi.org/10.1078/1438-4221-00196
PMid:12195733

49. Singh, S.B., Phillips, J.W., Wang, J. Highly sensitive target-based whole-cell antibacterial discovery strategy by antisense RNA silencing. Curr. Opin. Drug Discov. Devel, 2007; 10: 160-166.

50. Singh V., Khan M., Khan S., Tripathi C.K.M. Optimization of actinomycin V production by Streptomyces triostinicus using artificial neural network and genetic algorithm. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2009; 82: 379-385.
https://doi.org/10.1007/s00253-008-1828-0
PMid:19137288

51. Wang G., Hosaka T., Ochi K. Dramatic activation of antibiotic production in Streptomyces coelicolor by cumulative drug resistance mutations. Appl. Environ. Microbiol, 2008; 74(9): 2834-2840.
https://doi.org/10.1128/AEM.02800-07
PMid:18310410 PMCid:PMC2394871

52. Young-Hong Wang, Xing Zhang. Influence of agitation and aeration on growth and antibiotic production by Xenorhabdus nematophila. World J. Microbiol. Biotechnol, 2007; 23: 221-227.
https://doi.org/10.1007/s11274-006-9217-2


Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2011 Studia biologica

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.