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Fait par : Akkal iman Plan de recherche 1- Introduction 2- Les antibiotiques -

Fait par : Akkal iman Plan de recherche 1- Introduction 2- Les antibiotiques - 1.1. Qu'est-ce qu'un antibiotique ? - 1.2. Mode d'action des antibiotiques 3- Les pénicillines : découverte des propriétés antibiotiques - 2.1. Que sont les pénicillines ? - 2.2. Les précurseurs de la découverte - 2.3. La découverte de Fleming 4- Production de la pénicilline - 3.1. Lutter contre les infections - 3.2. Purifier la pénicilline - 3.3. Développement et production industrielle 5- Conclusion 6- Bibliographie et ressources en ligne 1 Fait par : Akkal iman 1- Introduction : Cet article est le premier d'une série sur la pénicilline. Après avoir rappelé la définition d'un antibiotique ainsi que ses modes d'action possibles, il développe l'histoire de la pénicilline, premier antibiotique produit industriellement et diffusé largement, depuis sa découverte jusqu'au développement de sa production. L'élucidation de sa structure et sa synthèse seront étudiés dans l'article suivant : « détermination de la structure et synthèse d'un antibiotique ». 2- Les antibiotiques : 1.1. Qu'est-ce qu'un antibiotique ? On appelle « antibiotiques » des substances chimiques qui agissent sur les bactéries de manière ciblée. Ils peuvent empêcher leur développement, ils sont alors dits « bactériostatiques » ou bien les détruire complètement : ils sont alors « bactéricides ». On connaît aujourd'hui plus de dix mille molécules antibiotiques dont une centaine sont utilisées en médecine. 1.2. Mode d'action des antibiotiques Les antibiotiques peuvent être classés en fonction de leur mode d'action sur les bactéries [1]. Les bactéries sont des organismes parmi les plus simples du monde vivant, ils sont unicellulaires et dénués de noyau (« procaryotes »). Leur structure est rappelée à la figure 1. Le cytoplasme est le milieu interne à la cellule, il contient le patrimoine génétique (ADN circulaire) et les éléments de la synthèse protéique. Il est séparé de l'extérieur par une membrane plasmique et une paroi cellulaire.1 1 [1] a) G. L. Patrick « Chimie pharmaceutique » 2003, De Boeck. b) Y. Landry, J-P. Gies « Pharmacologie moléculaire » 1990, Medsi / McGraw-Hill. c) W. C. Bowman, M. J. Rand « Textbook of pharmacology » 2ème éd. 1980, Blackwell. 2 Fait par : Akkal iman Figure 1. Structure d'une bactérie. Les antibiotiques agissent généralement sur un des éléments de la structure bactérienne. Les principaux modes d'action sont détaillés ci-après ; les structures de quelques antibiotiques sont fournies (les groupements R désignent des chaînes latérales). Les médicaments qui contiennent ces antibiotiques peuvent être retrouvés en ligne sur le site du Vidal, site de référence des professionnels de santé. Action sur la paroi bactérienne : l'antibiotique bloque la synthèse de la paroi, ce qui empêche la formation de nouvelles bactéries et peut entraîner la destruction de celles déjà existantes. Les β-lactames (famille à laquelle appartient la pénicilline) agissent suivant ce mode d'action. 3 Fait par : Akkal iman d'anti-infectieux est encore très active et quelques scientifiques de l'université d'Oxford se souviennent des travaux de Fleming sur la pénicilline. Figure 4. Structure du prontosil et des sulfamides. 4.2. Purifier la pénicilline Au début des années 1940, à l'université d'Oxford, le pharmacologiste Howard Florey et le biochimiste Ernst Chain reprennent les travaux sur la pénicilline. Ils mettent en place une culture à grande échelle d'une souche de Penicillium notatum obtenue grâce à Fleming et parviennent ainsi à en isoler une quantité très faible. Le chimiste Edward Abraham est chargé de la purifier. Pour cela, il met en oeuvre une technique alors toute récente : la chromatographie sur colonne d'alumine [5]. En 1940, les premiers essais in vivo montrent que la pénicilline permet de sauver des souris infectées par des streptocoques. Les essais sur les êtres humains commencent dès 1941 : les résultats sont spectaculaires, des infections auparavant potentiellement mortelles sont guéries en quelques semaines grâce à la pénicilline. Elle acquiert très vite le statut de « médicament miraculeux », mais les stocks sont quasiment inexistants en raison des grandes difficultés d'obtention. En effet, d'une part Penicillium notatum ne produit qu'une quantité faible de pénicilline et uniquement dans un milieu riche en oxygène. Cela impose d'utiliser des cultures en surface, beaucoup plus difficiles à mettre en oeuvre que les cultures en cuve. D'autre part, la pénicilline est très instable, en particulier aux 9 Fait par : Akkal iman pH faibles et élevés, ce qui rend son extraction et sa purification extrêmement difficile. La pureté de la pénicilline utilisée dans les premiers essais in vivo a été rétrospectivement évaluée de l'ordre de 1% !4 4.3. Développement et production industrielle Les premiers essais sur les êtres humains sont très encourageants et Florey essaie d'impliquer les firmes pharmaceutiques britanniques dans le développement de la production. Mais la deuxième guerre mondiale empêche la réalisation de ce projet en Grande Bretagne, c'est pourquoi les chercheurs s'expatrient aux États-Unis avec leur précieuse souche de Penicillium notatum. Ce qui arrive alors est aujourd'hui considéré comme le point de départ des biotechnologies. En effet, de multiples techniques seront mises au point pour accroître le rendement et elles sont depuis au coeur de nombreux procédés. On peut citer, entre autres, les dispositifs d'extraction [6] et de lyophilisation[2] à grande échelle et l'amélioration des souches productrices par mutagénèse et sélection.5 Les efforts concentrés sur l'amélioration de la production ont permis de gagner plusieurs ordres de grandeur en quelques années : initialement, un millilitre de culture permettait d'obtenir 4 unités de pénicilline en 200 heures[3]. À titre de comparaison, le traitement d'une angine à la pénicilline requiert en général 3 millions d'unités par jour pendant une dizaine de jours soit la production de 7 500 litres de cette culture. La première étape a consisté en un changement du milieu de culture. Son enrichissement en nutriments plus adaptés à la souche utilisée a permis de passer à 40 unités / mL de culture, soit un accroissement d'un facteur 10. Mais la culture en surface était intrinsèquement limitée et les chercheurs n'ont eu de cesse de passer à une culture en volume. Il a été rapidement clair que Penicillium notatum ne permettrait pas ce changement de technologie. En effet, l'approvisionnement en oxygène est plus faible dans une culture en volume que dans une culture en surface et le rendement en pénicilline de Penicillium notatum devient alors très faible. Après un criblage d'échantillons de moisissure en provenance de tout le globe, c'est un champignon trouvé sur un melon dans la région du laboratoire de recherche 4 La chromatographie sur colonne, publié sur CultureSciences-Chimie 5 L'extraction liquide-liquide, publié sur CultureSciences-Chimie 10 Fait par : Akkal iman qui permettra la migration vers le procédé volumique : Penicillium chrysogenum permettra de produire 80 unités / mL de culture en volume, avec une capacité de production accrue par rapport à la variété notatum. En effet, le passage en cuves de fermentation permet un changement d'échelle. La sélection génétique d'un mutant a rapidement permis d'atteindre 250 unités / mL de culture puis 900 puis 2500 unités / mL. Aujourd'hui, les sélections successives ont abouti à des souches qui produisent plus de 60000 unités / mL de culture en 200 heures, soit plus de quinze mille fois plus que la souche de départ (cf figure 5). Figure 5. Évolution du rendement en pénicilline en fonction des souches de Penicillium utilisées. À partir de 1942, les grandes firmes pharmaceutiques américaines (Merck, Pfizer...) sont associées au projet dans le but de permettre un changement d'échelle de la production. La pénicilline est alors considérée comme une substance stratégique par les pouvoirs publics américains et sa production devient un effort de guerre : les quantités obtenues sont prioritairement allouées aux forces armées. En 1944, Pfizer inaugure sa première usine de production de la pénicilline et les soldats alliés disposent de pénicilline le jour du débarquement en normandie. Dès 1945, la production est suffisante pour que les restrictions sur sa distribution soient levées; elle est 11 Fait par : Akkal iman bientôt disponible dans toutes les pharmacies du pays. Fleming, Florey et Chain recevront le prix Nobel de physiologie-médecine pour « la découverte de la pénicilline et ses effets curatifs de nombreuses maladies infectieuses » en 1945 [7].6 Il est intéressant de remarquer que la pénicilline est devenue un médicament produit en quantité industrielle alors même que sa structure chimique n'était pas encore complètement élucidée et son mode d'action totalement inconnu. Cette structure, donnée à la figure 6, est relativement inattendue car elle fait apparaître un bicycle assez tendu. Elle est étudiée de manière plus détaillée dans l'article suivant, « détermination de la structure et synthèse d'un antibiotique ». Figure 6. Structure de la benzylpénicilline ou « pénicilline G ». 6 Le prix Nobel de physiologie-médecine attribué à Fleming, Florey et Chain. 12 Fait par : Akkal iman Conclusion : Des maladies bactériennes mortelles comme la tuberculose, la pneumonie, la diphtérie, la syphilis ou encore le tétanos contre lesquelles il n'existait aucun remède il y a 60 ans peuvent désormais être traitées grâce aux antibiotiques. On considère aujourd'hui que leur utilisation thérapeutique a permis d'allonger la durée moyenne de la vie humaine d'une dizaine d'année. Toutefois, on uploads/Finance/ penicilline.pdf