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, водоросли и протисты). 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 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.

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 микроорганизмаминезаменимых 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 человеком генов от одного вида живых организмов в клетки другого вида, т.е. создание трансгенных организмов с новыми свойствами. Трансгенный организм – живой организм, в геном которого искусственно введен ген, который не может быть приобретен в естественных условиях жизни.

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.Вхирургии 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.