Metaboliti secondari I METABOLITI SECONDARI rappresentano il differenziamento chimico di alcuni microrganismi, spesso coincidente con il loro differenziamento morfologico. Sono molecole insolite prodotte dal metabolismo secondario (tipico della fase stazionaria o idiofase) e non sono indispensabili, al punto che solo un numero limitato di classi di microrganismi sono in grado di produrli. Nel microrganismo produttore possono svolgere diversi ruoli quali: Protezione da agenti fisici, Mediatori del quorum sensing, Mediatori nel differenziamento cellulare, e… funzione antagonista rispetto ad altri organismi competitori!

Sintesi di monomeri specializzati (reazioni di modificazione di metaboliti primari che possono fornire il prodotto finale o più spesso una unità che entra a far parte di una molecola più complessa) Reazioni di oligomerizzazione Reazioni di decorazione Le vie biosintetiche Metaboliti secondari ed antibiotici possono essere molecole molto complesse, per la sintesi è spesso richiesto l’intervento ordinato e sequenziale di numerosi enzimi. Cluster genici molto grandi (da 15 a 150 Kb), spesso associati a geni regolativi che controllano l’onset della produzione

Diverse tipologie di monomeri specializzati (alcuni esempi) Precursori di antibiotici polichetidici (condensazione di acidi carbossilici) Precursori di antibiotici peptidici (condensazione di aminoacidi, spesso non proteici)

Sintesi di monomeri specializzati (reazioni di modificazione di metaboliti primari che possono fornire il prodotto finale o più spesso una unità che entra a far parte di una molecola più complessa) Reazioni di oligomerizzazione (reazioni di assemblaggiodi metaboliti primari e secondari. Quattro classi di metaboliti secondari ottenibili: polichetidi, peptidi, oligosaccaridi e isoprenoidi) Reazioni di decorazione (reazioni che aggiungono una serie di gruppi funzionali alla molecola.Sono spesso determinanti per l’attività biologica del prodotto maturo) Le vie biosintetiche Metaboliti secondari ed antibiotici possono essere molecole molto complesse, per la sintesi è spesso richiesto l’intervento ordinato e sequenziale di numerosi enzimi. Cluster genici molto grandi (da 15 a 150 Kb), spesso associati a geni regolativi che controllano l’onset della produzione

Metaboliti secondari da Steptomyces antibiotici come: streptomicina, cloranfenicolo, tetraciclina Immunosoppressori come:rapamicina Antifungali come: amofotericina e nistatina Antitumorali come: daunorubicina ecc… Da altri attinomiceti: rifamicina e vancomicina (Amycolatopsis) eritromicina e l’insetticida spinosina (Saccharopolyspora) gentamicina e l’antitumorale dienamicina (Micromonospora) Da funghi filamentosi: penicilline (Penicillium) Cefalosporine da (Cephalosporium)

Antibiotici

DEFINIZIONE DI ANTIBIOTICO Per antibiotico si intende una molecola naturale, metabolita secondario di Eubatteri, Actinomiceti e Funghi inferiori Differiscono da altri composti ad azione antimicrobica (es. tossine) per le loro proprietà di bassa tossicità per l’uomo e per gli animali

Alexander Fleming 6 August 1881 – 11 March 1955 Picture of Penicillium notatum Discovery of penicillin 1928

Howard Walter Florey ( ) Ernst Boris Chain ( ) Discovery of terapeutic effects of penicillin Nobel Prize in Physiology or Medicine “for the discovery of penicillin and its therapeutic effects” Sir Alexander Fleming Sir Ernst Boris Chain Baron Howard Walter Florey penicillin production at the Sir William Dunn School of Pathology Oxford, England, 1940

A poster from World War Two

ANTIBIOTICI ALTA TOSSICITA’ SELETTIVA tossicità selettiva per i batteri – battericidi (uccidono i batteri) – batteriostatici (inibizione della crescita) BASSA TOSSICITA’ RESIDUA BASSA TOSSICITA’ RESIDUA tossicità nulla o scarsa per il paziente INDICE TERAPEUTICO = dose tossica/dose terapeutica

Bersagli degli antibiotici

Classificazione:Meccanismo d’azione Beta-lattamici: BLOCCO DELLA SINTESI PEPTIDOGLICANO Glicopeptidi: “ “ Tetracicline: INIBIZIONE DELLA SINTESI PROTEICA Aminoglicosidici: “ “ “ “ Macrolidi: “ “ “ “ Fluorochinolonici: INTERFERENZA CON LA FUNZIONE DEGLI ACIDI NUCLEICI Rifampicine:“ “ “ “ Sulfamidici : ANTIMETABOLITI

Beta-lattamici Glicopeptidi Aminoglicoside Classificazione: struttura

Macrolide Ansamicine Peptide Macrolide polienico

Produzione mondiale di antibiotici

Spettro d’azione degli antibiotici

Antibiotici Beta-Lattamici Penicilline e Cefalosporine

Anello Tiazolidinico Meticillina Stabile in ambiente acido, resistente alle  -lattamasi Oxacillina Stabile in ambiente acido, resistente alle  -lattamasi Ampicillina Ampio spettro di attività (specialmente contro batteri Gram-), stabile in ambiente acido, resistente alle  -lattamasi Carbenicillina Ampio spettro di attività (specialmente contro Pseudomonas aeruginosa), stabile in ambiente acido ma inefficiente per via orale, sensibile alle  -lattamasi Benzilpenicillina o PenG Attiva su Gram+, sensibile alle  -lattamasi PENICILLINA NATURALE PENICILLINE SEMISINTETICHE

CEFALOSPORINE Gram + Gram - P. aeruginosa Anaerobi

Il monomero del Peptidoglicano NAM= N-Acetil muramico NAG= N-Acetil glucosoammina,

GRAM+ Staphylococcus aureus Struttura del peptidoglicano GRAM- E. coli

Meccanismo d’azione dei beta-lattamici Bersaglio molecolare: Transpeptidasi, enzima che interviene nella formazione dei legami crociati del PEPTIDOGLICANO

METODI INNOVATIVI PER LA RICERCA DI NUOVE MOLECOLE AD AZIONE ANTIBIOTICA

Esempi di screening: ricerca di una molecola antibiotica in grado di inibire la biosintesi degli acidi grassi FAS, fatty acid synthase Nei procarioti, complesso multienzimatico Negli eucarioti, proteina multidominio Ricerca di inibitori di FabF/H Costruzione di uno strain di Staphylococcus aureus fabF AS RNA. E’ 4-8 volte più sensibile alla tiolattomicina del wt mentre è ugualmente sensibile agli altri antibiotici

Esempi di screening: ricerca di una molecola antibiotica in grado di inibire la biosintesi degli acidi grassi Ricerca di inibitori di FabF/H Costruzione di uno strain di Staphylococcus aureus fabF AS RNA. E’ 4-8 volte più sensibile alla tiolattomicina del wt mentre è ugualmente sensibile agli altri antibiotici Library: circa estratti microbici ottenuti da colture di attinomiceti e funghi

Isolato da un ceppo di Streptomyces plantensis