Селекция микроорганизмов. Биотехнология.

Селекция микроорганизмов. Биотехнология.

Селекция микроорганизмов. Биотехнология. • Изучением микроорганизмов занимается микробиология, которая в настоящее время еще и получает новые штаммы микроорганизмов. • Штамм – совокупность микроорганизмов (бактерий, грибов, водорослей, простейших), искусственно полученных человеком и обладающих специфическими признаками. Биотехнология – это промышленное использование живых организмов (а также клеток и их частей) и процессов их жизнедеятельности для получения необходимых человеку продуктов.

Биотехнология • Начало разработки научных основ биотехнологии связано с именем французского ученого Луи Пастера, который в середине ХIХ века исследовал свойства микроорганизмов. • Так, выясняя причину прокисания вина, Пастер обнаружил микроорганизм – Mycoderma aceti, превращающий вино в уксус. • Рекомендация Пастера предотвращать порчу вина путем его прогревания в течение 30 минут при температуре 55 -60 ºС под названием «пастеризация» получила широкое применение в пищевой промышленности.

Биотехнология • Микроорганизмы используются: • - в пищевой промышленности (хлебопечение, получение кисломолочных продуктов, виноделие, пивоварение); • - для получения спирта, органических кислот; • - в очистке сточных вод и водоёмов от промышленного загрязнения мазутом, бензином и другими нефтепродуктами; • - в переработке отходов; • - для получения витаминов ( В 1, В 2, В 12, С, D), аминокислот (особенно незаменимых – глицина, метионина, лизина), антибиотиков, противовирусных препаратов (интерферонов), белковых гормонов; • - для получения кормового белка; • - для биологических методов борьбы с вредителями; • - в металлургии для извлечения металлов из бедных или сложных по составу руд и др.

Биотехнология • Биотехнология металлов основана на способности некоторых бактерий, например, тионовых, окислять минералы и переводить металлы в растворимые соединения. При окислении бактериями сульфидных минералов (меди, цинка, железа, олова, кадмия) до сульфатов большинство цветных металлов и редких элементов переходит в раствор. • Таким путем во всем мире только медь получают в количестве сотен тысяч тонн в год, причем стоимость ее в 2 -3 раза ниже, чем стоимость меди, добываемой традиционным путем (что влечет за собой огромное скопление отходов производства, выброс в атмосферу ядовитых газов). • С помощью бактерий извлекают из руды уран, золото и серебро, удаляют такую вредную примесь, как мышьяк.

Биотехнология на защите окружающей среды • Микробиологическая технология применяется также для улучшения качества углей. Как бурые, так и каменные угли нередко содержат до 10 - 12% серы. При сжигании углей она превращается в сернистый газ, который выбрасывается в атмосферу, где из него образуется серная кислота. Из атмосферы серная кислота выпадает на поверхность земли в виде сернокислых дождей, наносящих огромный ущерб окружающей среде и здоровью человека. • Тионовые бактерии используют для обессеривания углей, т. е. удаления из них соединений серы, представленных в них сульфидом железа (пиритом). В настоящее время при помощи тионовых бактерий из углей удаляется до 50% серы.

Особенности микроорганизмов, влияющие на их селекцию

Особенности микроорганизмов • - гаплоидный геном (у них единственная «хромосома» - кольцевая двухцепочечная молекула ДНК), поэтому все возникающие у микроорганизмов мутации проявляются в первом же поколении и никогда не бывают в скрытом состоянии. • - только бесполое размножение (исключение – конъюгация); - сравнительно небольшое количество генов, взаимодействия генов просты или отсутствуют; - неограниченное количество материала для работы и короткий жизненный цикл; -большое разнообразие физиологических и биохимических свойств, -легко поддаются воздействию мутагенов; - используют для жизнедеятельности дешевые субстраты.

Методы, используемые в селекции микроорганизмов • Искусственный отбор; • Гибридизация путем создания рекомбинантных ДНК (генная инженерия); • Мутагенез; • Клонирование; • Генная инженерия.

Искусственный отбор • Результатом искусственного отбора стало выведение новых штаммов микроорганизмов, которые по продуктивности в несколько раз превосходят исходные дикие формы.

Искусственный отбор • В 1928 году английский ученый Александер Флеминг обнаружил, что плесневый гриб пеницилл вырабатывает вещество, убивающее болезнетворные бактерии (пенициллин). Современные штаммы пеницилла по продуктивности в 10 тысяч раз превосходят исходную форму! (1) (2) Гриб-пеницилл на питательной среде (1) и гибель бактерий на полоске бумаги, пропитанной антибиотиком пенициллином (2).

Гибридизация. Генная инженерия • Сущность генной инженерии состоит в том, что в организм (чаще прокариотный) встраивается ген или группа генов другого организма, часто очень далекого по своему происхождению. • Измененная таким образом молекула ДНК называется рекомбинантной, а сами организмы получили название трансгенных или генетически модифицированных. • Первая рекомбинантная (гибридная) ДНК, полученная в лаборатории Берга (нобелевский лауреат) в США в 1972 г, объединяла фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV 40.

Генная инженерия • Методами генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК кишечной палочки, и бактерия начала активно синтезировать гормон. В 1982 году инсулин человека стал одним из первых фармацевтических препаратов, полученных с помощью методов генной инженерии.

Этапы образования рекомбинантной ДНК

Этапы образования рекомбинантной ДНК

Использование метода генетической инженерии у эукариот

Генная инженерия у эукариот • Один из первых успешных экспериментов по созданию генетически модифицированных животных был произведен на мышах, в геном которых был встроен гормона роста крыс. В результате трансгенные мыши росли гораздо быстрее и в итоге были в 2 раза больше обычных мышей. • Канадские ученые ввели в геном лосося ген другой рыбы, который активирован ген гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в 30 раз превышающий норму. Созданы трансгенные овцы, генотип которых содержит ген, отвечающий за синтез особого белка – фактора свертываемости крови IX. Этот белок, вырабатываемый клетками молочной железы, выделяется из овечьего молока и используется для лечения больных гемофилией.

Генная инженерия у эукариот • Бактерия тюрингская бацилла выделяет эндотоксин, убивающий многих вредных насекомых. • Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. • К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля, помидоров, свеклы, табака. • Сейчас получены сорта культурных растений, устойчивые к действию гербицидов путем «вшивания» гена сальмонеллы, обеспечивающего такую невосприимчивость.

Генная инженерия у эукариот • Аналогичным способом с 1980 г. получают гормон роста - соматотропин. • Человеческий ген, встроенный в геном растений, обеспечивает синтез гормона, инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня. • Введение гена моркови в генотип риса уже сейчас обеспечивает потребность жителей Юго- Восточной Азии в витамине А, необходимом для нормального зрения и роста. • Вживление генов северных рыб в геном томатов и клубники делают их морозоустойчивыми. Удалось добиться морозоустойчивости винограда путем внедрения в его геном гена от дикорастущего родственника капусты брокколи.

Клеточная инженерия у эукариот

Клеточная инженерия • Клеточная инженерия – это эксперименты с изолированными клетками организмов, которые позволяют конструировать клетки нового типа путем гибридизации и слияния клеточных структур (ядер, митохондрий, хлоропластов) для получения организмов с заданными свойствами. Предпосылкой к развитию клеточной инженерии стала клеточная технология, использующая метод выращивания клеток и тканей на питательных средах.

Клеточная технология • Подобное клонирование основано на способности растительной клетки регенерировать в полноценное растение. Это свойство называется тотипотентностью (от лат. totis – целый и potentia – сила). У животных такой способностью обладают только стволовые клетки. • В настоящее время в некоторых европейских странах, например, Голландии и Финляндии, весь посадочный материал получают с помощью метода культуры клеток и тканей. • В России существуют питомники микроклонального размножения овощных, плодовых и декоративных культур, в которых производят посадочный материал для выращивания картофеля, томатов, смородины, яблони, земляники, роз, гвоздик и др.

Клеточная технология • Методом клеточной технологии получают солеустойчивые растения. Для их культивирования составляется специальная питательная среда с повышенным содержанием солей, и тысячи растительных клеток высеваются на эти среды в чашки Петри. Большинство таких клеток, не выдерживая высокой концентрации солей, гибнет, но отдельные выживают, и из них, как наиболее солеустойчивых, могут регенерировать целые растения.

Клеточная инженерия. Клонирование • Впервые успешный эксперимент по клонированию животных был осуществлен исследователем Гёрдоном в конце 60 -х годов ХХ века в Оксфордском университете. Ученый пересадил ядро, взятое из клетки эпителия кишки лягушки-альбиноса, в неоплодотворенную яйцеклетку обычной лягушки, чье ядро перед этим было разрушено. Из такой яйцеклетки ученому удалось вырастить головастика, превратившегося затем в лягушку, которая была точной копией лягушки-альбиноса. Таким образом, впервые было показано, что информации, содержащейся в ядре клетки, достаточно для развития целого организма.

• Домашнее задание § 31, повторить § 27 -30.