Путешествие в страну микробов

Дело продолжается в Оксфорде

Эстафету дальнейшего изучения пенициллина приняла в 1939 году группа исследователей с кафедры патологии Оксфордского университета: Г. У. Флори, Э. Б. Чейн и Н. Г. Хитли с несколькими сотрудниками.

Флори еще в 20-х годах в Кембридже, а затем и в Шеффилдском университете исследовал лизоцим. Попав в Оксфорд, он вместе с Чейном изучал его действие. А поскольку Чейн интересовался антибактериальными веществами, у них была собрана вся литература об известных в то время антибиотиках. Чейн предложил Флори заняться изучением их свойств. Для исследований были выбраны три вещества, одним их них был пенициллин. Хотя Райстрик и характеризовал его как вещество неустойчивое, Чейн нашел в статье того же автора указание о том, что раствор пенициллина сохраняет свою активность в течение нескольких месяцев. Поэтому Флори счел возможным попытаться получить его в чистом виде. Так была намечена ближайшая задача.

Скоро к Флори и Чейну присоединился Хитли, исследовавший условия выращивания Penicillium notatum в жидкой среде, в которую гриб выделял пенициллин. Исходя из опытов Райстрика, Хитли предложил основные методы выделения, которые с применением более совершенной техники используются и в наше время. Он разработал широко известный ныне метод определения содержания пенициллина, количество которого измеряется точно установленными «оксфордскими единицами».

В самые тяжелые военные годы эти ученые получили первые сотни миллиграммов «сырого» пенициллина, использованные ими для изучения его химических и бактерицидных свойств, а также для первых опытов на животных. Этот сырой препарат, содержавший, как было позднее установлено, не более 1 % (!) пенициллина, оказался лишь в ничтожной степени токсичным для животных, но при этом отличался сильным бактерицидным действием. Было показано, что при введении под кожу он затем выделяется с мочой, а это означало, что он попадал в цикл кровообращения и в почки. Этот факт, взволновавший ученых, открывал новые перспективы его применения.

Продолжались и его химические исследования. Успешные результаты были получены Д. Ходжкин, установившей при помощи рентгенографии структуру пенициллина.

Почему так важно было выяснить прежде всего его структуру? Исследования открывали путь к более дешевому синтетическому способу получения пенициллина. Но хотя через несколько лет этот синтез был осуществлен, он оказался дорогостоящим. Поэтому даже сегодня пенициллин получают с помощью микроскопического гриба Penicillium.

12 февраля 1941 года пенициллин был испытан на первом пациенте с тяжелым стафилококковым заражением. Потом последовали другие — и вот пенициллина уже не хватает. Однако ученым повезло. Оказалось, что его можно вторично получать из мочи пациентов, причем в более чистом виде, чем тот, который вводят.

Впервые это было показано на примере больного полицейского из Оксфорда. Со свойственным англичанам чувством юмора студенты-медики Оксфордского университета заметили: «Коллеги! Стоит заинтересоваться пенициллином. Это же замечательное вещество! Оно порождается плесенью, а очищается пропусканием через кишки оксфордских полицейских!»

Между тем в Оксфорде стали ощущаться определенные трудности при продолжении исследований. И тогда Флори и Хитли отправились в Соединенные Штаты Америки, где вскоре наладили промышленное производство этого препарата.

Рождение новой промышленности

Флемминг и оксфордская группа ученых выделяли пенициллин весьма несовершенным способом. Жидкую питательную среду стерилизовали в колбах и засевали спорами гриба Peniclllium notatum. Споры прорастали, через неделю на поверхности жидкой среды разрастался мощный слой мицелия гриба, после чего жидкость фильтровали. Содержание пенициллина в фильтрате было чрезвычайно низким — на миллион частей жидкости приходилась одна часть антибиотика. Из 1 л культуральной жидкости можно было получать лишь 1 мг, а из 10 гл — 1 г пенициллина. Такие ничтожные количества вещества ограничивали перспективы использования антибиотика.

Позднее, уже в США, для культивирования гриба стали применять бутылки из-под молока. При этом появилась возможность использовать аппаратуру молочного производства для дозирования питательной среды, мытья и стерилизации посуды. На самом крупном предприятии использовали до 750 000 бутылок. Если считать, что каждая бутылка содержала пол-литра питательной среды, то после одного производственного цикла (375 000 л) можно было получить 375 г пенициллина. Но этого было недостаточно. Находясь в Соединенных Штатах Америки, Флори и Хитли предложили метод так называемого глубинного культивирования. По существу это был тот же самый метод, который использовался при производстве дрожжей. Большие сосуды наполняются стерилизованной жидкой средой, в которую засевают определенное количество культуры дрожжей. При постоянном перемешивании и в притоке стерильного воздуха происходит размножение дрожжей во всем объеме сосуда.

При аналогичном выращивании продуцента пенициллина необходимо было, однако, решить ряд технических вопросов. Пожалуй, самым важным из них был вопрос о том, как предотвратить проникновение в большие емкости, предназначенные для роста и размножения Peniclllium notatum, других, нежелательных микроорганизмов.

Эта проблема была решена в 1943 году. Главными поборниками внедрения новых методов в производстве пенициллина были Когхилл и его сотрудники; они нашли способ многократного увеличения продукции пенициллина. Для этого в питательную среду добавляли кукурузный экстракт, который являлся отходом при получении кукурузного крахмала и содержал вещества, не только ускорявшие рост гриба, но и стимулировавшие синтез пенициллина.

В марте 1942 года ученые располагали таким количеством пенициллина, которого было достаточно для лечения лишь одного человека. Им оказалась жена одного из профессоров университета. Пенициллин спас ей жизнь. До августа 1943 года в США уже могли лечить одновременно 500 больных. В марте того же года в Великобритании лечили 187 человек. Среди них был и пациент с тяжелым стафилококковым воспалением мозговых оболочек (менингитом), находившийся в 1942 году в больнице Св. Марии. Пенициллин был получен от Флори по просьбе Флемминга. Драматические обстоятельства, связанные с отсутствием этого препарата, и успешное излечение больного дали повод Флеммингу и Райстрику обратиться к правительству с просьбой о финансировании исследований, связанных с применением пенициллина.

Между тем производство первого антибиотика все более совершенствовалось. Микробиологи продолжали поиски наиболее продуктивных штаммов, которые выделяли бы большие количества пенициллина, чем штамм, полученный Флеммингом. Один из таких штаммов был выделен из заплесневевшей дыни, приобретенной на рынке в Пеории (штат Иллинойс) 6 июня 1944 года — в день высадки союзников в Нормандии. Из этой плесени был получен штамм гриба Penicillium chrysogenum, который стал «отцом» и «праотцем» штаммов, используемых ныне на заводах по производству пенициллина. Действием мутагенных факторов из этого штамма впоследствии получили мутанты, дававшие еще большие количества пенициллина. Это классический пример того, как теоретическое изучение мутаций микробов принесло практическую пользу в производстве пенициллина. Если первый штамм, выделенный Флеммингом и примененный затем в Оксфорде, давал 2 единицы пенициллина (приблизительно 0,001 мг) на 1 мл жидкой среды, то современные штаммы при усовершенствованных технических условиях глубинного выращивания дают не менее 10 000 единиц!

Несмотря на войну, сообщения о применении пенициллина дошли до ученых многих стран. В суровых условиях оккупации страны фашистскими захватчиками группа чешских ученых тайно вела работы по производству пенициллина. Они приготовили сырой концентрат, который под шифром Микоин-510 врачи испытывали на больных «под носом» у оккупантов. В Словакии производство пенициллина и других антибиотиков сосредоточено на оснащенной самым современным оборудованием фабрике (Biotia) в городе Словенска-Люпча (фото 60).

На этом, казалось бы, можно и закончить описание событий, связанных с получением пенициллина. Однако читателю будет интересно узнать, что трое ученых — Флемминг, Флори и Чейн — были удостоены высшей международной награды — Нобелевской премии за открытие, выделение и успешное лечебное применение пенициллина.

Ваксман идет иным путем

Эмигрант из Европы с аттестатом зрелости в кармане, направляющийся в Америку, — таким был в 1910 году, в начале своего жизненного пути, Селман Я. Ваксман. Профессор университета, открывший стрептомицин, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине — таким он стал к концу 1951 года. Между этими датами пролегли 40 лет. Годы учения и странствий по различным городам Соединенных Штатов Америки, и наконец — постоянное место в Государственном университете Ратджерс в городе Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси).