Селекция микроорганизмов. Биотехнология

Микроорганизмы – мельчайшие организмы, различимые только под микроскопом. Среди них представители различных царств органического мира, относящихся как к прокариотам (бактерии и сине-зеленые водоросли), так и эукариотам (микроскопические грибы, микроскопические формы водорослей и протистов). Микроорганизмы – одноклеточные организмы. Они характеризуются высокой скоростью роста и размножения. В отличие от клеток многоклеточных животных и растений, клетки микроорганизмов содержат меньше генов, поэтому они являются удобными объектами исследований для решения многих проблем биологии. Разнообразно практическое значение микроорганизмов. Они используются в разных отраслях промышленности, сельском хозяйстве. В пищевой промышленности с деятельностью микроорганизмов связано хлебопечение, виноделие, пивоварение, получение молочнокислых продуктов и спирта. Микроорганизмы используются для очистки сточных вод, образования метана, для выделения меди и урана из бедных руд. В сельском хозяйстве они незаменимы при производстве силоса, производстве кормового белка, в качестве азотфиксаторов. Многие лекарственные препараты – антибиотики, витамины, гормоны, ферменты, аминокислоты – также получают с помощью микроорганизмов. Так, грибы и бактерии синтезируют антибиотики (пенициллин, стрептомицин, эритромицин и др.); кишечная палочка – аминокислоты; пивные дрожжи – витамины группы В.

Природные популяции микроорганизмов низкопродуктивны. Для повышения их продуктивности используются методы селекции: индуцированный мутагенез и искусственный отбор, что позволяет повысить продуктивность природных популяций микроорганизмов в сотни и тысячи раз.

Этапы селекции микроорганизмов:

1. Выделение природных популяций микроорганизмов, способных синтезировать интересующие селекционера соединения.

2. Индуцирование мутаций (мутации вызывают воздействием мутагенных факторов).

3. Отбор по продуктивности (отбираются наиболее продуктивные штаммы).

Так, сочетая мутагенез и отбор, селекционерам удалось повысить продуктивность штаммов гриба пеницилла, синтезирующего антибиотик пенициллин, более чем в 100 раз.

Биотехнология – это производство продуктов и материалов, необходимых для человека, с помощью живых организмов.

Термин «биотехнология» получил распространение в середине 70-х годов XX в., хотя отдельные отрасли биотехнологии (хлебопечение, пивоварение, сыроварение) используются человеком с древних времен. Главные направления биотехнологии:

1. Производство микроорганизмами незаменимых аминокислот, гормонов, ферментов, витаминов, антибиотиков, противовирусного белка – интерферона.

2. Расширение использования микроорганизмов в пищевой промышленности.

3. Использование биологических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т.д.).

4. Биологическая защита растений от болезней (создание трансгенных растений).

5. Промышленный синтез кормовых белков (белок, синтезируемый одноклеточными организмами, можно использовать на корм скоту вместо зерна и семян бобовых).

6. Использование микроорганизмов для добычи ценных металлов из бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.

Для достижения этих целей в биотехнологии используются следующие современные методы генной и клеточной инженерии.

Генная (генетическая) инженерия — это искусственный перенос нужных человеку генов от одного вида живых организмов в клетки другого вида, т.е. создание организмов с новыми свойствами. Для этого необходимо:

- выделить ген из какого-либо организма;

- клонировать (размножить) данный ген;

- создать специальные генетические структуры (векторы), в составе которых гены будут внедряться в геном другого вида;

- перенести и включить генетические векторы в геном другого организма.

С помощью генной инженерии созданы штаммы кишечных палочек, в которые встроены гены человеческого инсулина (необходимого для лечения сахарного диабета), интерферона (противовирусного белка), соматотропина (гормона роста).

Генная инженерия используется в основном на прокариотах, хотя в последнее время начала применяться и на высших эукариотах. Так, во многих странах выращиваются трансгенные растения, устойчивые к насекомым-вредителям (например, созданы сорта трансгенного картофеля, содержащего в своих клетках бактериальный ген, который предотвращает поражение растений личинками колорадского жука).

Первоочередной задачей генной инженерии у человека является поиск путей генотерапии, то есть замены мутантных генов человека нормальными.

Клеточная инженерия – это метод образования клеток новых типов на основе их культивирования вне организма, гибридизации и клеточной реконструкции.

1. Культура тканей. В настоящее время использование культур растительных клеток и тканей позволяет получать необходимые человеку природные вещества в промышленных количествах. Так, как и целое растение, культура клеток женьшеня синтезирует ценные лекарственные препараты. В хирургии при лечении обширных ожогов широко используется для трансплантации эпидермис, выращенный вне организма.

2. Гибридизация клеток. При гибридизации искусственно объединяются различные целые клетки (иногда далеких видов) с образованием гибридных клеток. Полученные гибриды лимфоцитов с опухолевыми клетками способны к синтезу специфичных антител и обладают способностью к длительному выращиванию на искусственных средах. Гибридизация клеток широко используется в селекции растений. Получены гибриды картофеля и томата, яблони и вишни, выращенные из гибридных клеток.

3. Клеточная реконструкция. При реконструкции создаются жизнеспособные клетки из фрагментов (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.) различных клеток. Прежде всего, используется замена отдельных пар хромосом у растений или добавление новых, что позволяет создавать сорта растений, сочетающие в себе признаки разных сортов или видов.

Биотехнология активно развивается в последние годы и является одним из ведущих направлений современной биологии.