Penicillin

Penicillin là một trong một nhóm kháng sinh thu được từ nấm Penicillium hay được điều chế. Alexander Fleming đã tình cờ phát hiện ra penicillin vào năm 1928 nhưng phải 10 năm sau thì penicillin mới được nhà hoá sinh người Anh gốc Đức Ernest Chain và nhà nghiên cứu bệnh học Úc Howard Florey và một số nhà khoa học khác nghiên cứu kỹ. Penicillin sát trùng bằng cách giết vi khuẩn và hạn chế sự sinh trưởng của chúng.

Cấu trúc của Penicillin G. Lưu huỳnh và nitơ gắn với vòng thiazolidine lần lượt có màu vàng và xanh. Hình thể hiện vòng thiazolidine và kết hợp với β-lactam có 4 nhóm không cùng mặt phẳng.

Thuật ngữ "penam" được dùng để miêu tả khung chính thông thường của một loại penicillin. Lõi này có công thức phân tử R-C9H11N2O4S, với R là một chuỗi có sự khác biệt giữa các penicillin. Lõi penam có khối lượng phân tử 243 g/mol, với các penicillin lớn hơn thì khối lượng phân tử gần 450 như cloxacillin có khối lượng phân tử 436 g/mol. Đặc điểm cấu trúc chính của các penicillin là vòng β-lactam có 4 nhóm; cấu trúc moiety này cần thiết cho tính kháng khuẩn của penicillin. Vòng β-lactam tự gắn kết với vòng thiazolidine có 5 nhóm khác. Sự kết hợp của 2 vòng này làm cho vòng β-lactam hoạt động hơn so với từng vòng β-lactam riêng biệt vì các vòng được kết hợp bóp méo liên kết amide củ aβ-lactam và do đó loại bỏ sự bền vững cộng hưởng của liên kết hóa học thường được tìm thấy trong các liên kết này.

Nhìn chung, có 3 bước chính và quan trọng trong việc sinh tổng hợp ra penicillin G (benzylpenicillin).

Bức thứ nhất là trùng ngưng 3 amino axit—L-α-aminoadipic axit, L-cysteine, L-valine thành tripeptit.[4][5][6] Trước khi trùng ngưng thành tripeptit, amino axit L-valine phải trải qua epimer (đồng phân không gian) hóa để tạo thành D-valine. tripeptit được trùng ngưng được đặt tên là δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteine-D-valine (ACV). Phản ứng trùng ngưng và epimer hóa được xúc tác bởi enzym δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteine-D-valine synthetase (ACVS).

Bước thứ 2 trong sinh tổng hợp penicillin G là chuyển đổi ôxy hóa ACV mạch thẳng thành isopenicillin N trung gian có 2 vòng bởi enzym isopenicillin N synthase (IPNS), được mã hóa bởi gen pcbC.[4][5] Isopenicillin N là một chất trung gian rất yếu, do nó không thể hiện hoạt động kháng khuẩn mạnh.

Bước cuối cùng là sự chuyển hóa amin bởi enzym isopenicillin N N-acyltransferase, trong đó gốc α-aminoadipyl bênh cạnh chuỗi của isopenicillin N bị loại bỏ và thay cho chuỗi phenylacetyl. Phản ứng này được điều khiển bởi gen penDE, là duy nhất trong quá trình tạo penicillin.

Nhà sinh học người Scotland, Alexander Fleming là một nhà khoa học đam mê nghiên cứu và kỹ lưỡng trong việc xem xét lại các phần thí nghiệm của mình. Ông thường rất do dự khi ném đi những mẻ cấy vi khuẩn cũ cho đến khi hoàn toàn chắc rằng không nghiên cứu được gì hơn từ chúng.

Trước khi chuẩn bị nghỉ hè (1928), thông thường phòng thí nghiệm sẽ được vệ sinh thật sạch vì kỳ nghỉ thường kéo dài từ 1 đến 3 tháng, nhưng Alexander Fleming đã quên không dọn dẹp. Trở về sau kỳ nghỉ, ông thấy một vài đĩa dùng để nuôi cấy vi khuẩn đã bị mốc. Trước khi vứt bỏ chúng, ông phát hiện thấy mốc ở trên một chiếc đĩa đã tiêu diệt mẻ vi khuẩn mà ông nuôi cấy tại đó. Mốc đó là một loại nấm, Penicillium, phát triển trên bánh mì. Fleming viết báo cáo khoa học về phát hiện của ông, nhưng chưa thực sự bám sát vào tính thực tiễn của nó.[9] Tuy Alexander Fleming là người đầu tiên tìm ra tính năng của penicillin nhưng ông không có công nghệ để nuôi cấy hàng loạt ở quy mô công nghiệp.

Việc ứng dụng mới được các nhà khoa học Anh, Úc... trong Chiến tranh thế giới II nghiên cứu kỹ hơn và cho sản xuất hàng loạt. Năm 1938, Fleming nhận được thư của hai nhà khoa học từ trường Đại học Oxford là Ernst Boris Chain và Howard Walter Florey, với lời đề nghị được hợp tác với ông để tiếp tục thực hiện công trình nghiên cứu về penicilin. Và sự hợp tác đã mang lại thành công, tháng 8 năm 1940, báo cáo kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tập san khoa học Lancet. Fleming đã được đồng nhận giải Nobel vì thành tích này, ông thản nhiên bình luận rằng: "Đôi khi người ta lại tìm ra những thứ mà mình đang không tìm kiếm".