Что такое селекция микроорганизмов
Методы селекции микроорганизмов. Особенности и значение для человека
Бактерии, актиномицеты, микоплазмы, простейшие и одноклеточные эукариоты – это микроорганизмы, которые человек сумел применить в промышленном производстве, сельскохозяйственной деятельности, медицине.
Насчитывается примерно 100 тыс. видов микроорганизмов и около сотни из них активно используются людьми. В конце прошлого столетия особенно активно стали заниматься изучением генома микроорганизмов и разработали ряд методов управления биохимическими процессами.
Для эффективного производства необходимы такие качества микроорганизмов как:
Основная задача селекционеров выводить новые штаммы, с точно установленными характеристиками и способствовать их внедрению в производство.
Чем селекция микроорганизмов отличается от селекции растений и животных?
Учитывая характеристики и особенности селекции микроорганизмов, были разработаны особые методы их исследований. Селекционеры используют такие методы селекции: генетическую инженерию, искусственный мутагенез и отбор.
Методы селекции микроорганизмов
Генетическая инженерия
Генетическая инженерия — метод, который дает возможность внедрять необходимый наследственный материал, полученный из клетки одного организма, в геном другого. Образованные таким путем микроорганизмы называются трансформированными.
В генной инженерии чаще всего используется Escherichia coli, бактерия, обитающая в кишечном тракте человека. Благодаря ей продуцируется гормон роста — соматотропин, инсулин, который прежде можно было получить только из клеток поджелудочных желез домашних животных, интерферон, используемый для лечения вирусных заболеваний.
Процесс получения трансформированных микроорганизмов делится на ряд последовательных стадий.
Генетическая инженерия
Стадии получения трансформированных микроорганизмов
Поиск нужных генов и вырезание их из генома. Это возможно благодаря действию специфичных ферментов — рестриктаз.
Образование субстрата — особой конструкции, в ее составе необходимая закодированная характеристика будет встроена в геном другой клетки. Для формирования субстрата используют двухцепочечные кольцевые молекулы (плазмиды).
Ген встраивают в плазмиду под действием ферментов, которые осуществляют лигирование – соединение двух молекул. Генетическая конструкция состоит из определенных частей — это промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор, которые нужны для контроля генов. В структуре новообразованной конструкции находятся также маркерные гены, которые обеспечивают проявление новых характеристик, отличающих ее от первичных клеток.
Трансформация — введение новой генетической информации в геном микроорганизма.
Скрининг — сортировка бактерий, выбор организмов с успешно внедренными характеристиками.
Дальнейшее размножение полученных бактерий.
Искусственный мутагенез
Для получения желаемых мутаций на микроорганизмы воздействуют рентгеновскими лучами, ультрафиолетом, химическими соединениями, что повышает скорость мутирования и его эффективность.
Искусственный отбор
Проводят отбор штаммов с высокой синтезирующей активностью.
Перед отбором производительных штаммов, селекционер длительное время работает с первоначальным геномом клеток. Используются разные методы перестройки генома: конъюгация, трансдукция, трансформация.
Конъюгация – перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток, дала возможность создать штамм, который может утилизировать углеводороды нефти.
Амплификация — умножение числа копий необходимого гена. Благодаря амплификации многократно удалось повысить синтез антибиотиков.
Стимуляция мутаций — необходимый этап в селекции. Изменения генома микроорганизмов возникают не так часто как в клетках растений и животных. Но возможность выделения этой мутации у бактерий гораздо выше, чем у других организмов, потому что получить миллиарды колоний микроорганизмов можно легко и быстро.
Отбор по производительности (например, бактерий синтезирующих антибиотики) происходит по степени влияния трансформированного штамма бактерии на рост и размножение болезнетворного микроорганизма. Их селят на питательную среду и определяют активность штамма по диаметру очага, где рост патологических бактерий замедлен или отсутствует. Для дальнейшей работы используют самые продуктивные виды бактерий.
Так традиционные методы селекции микроорганизмов (мутагенез и искусственный отбор) дали возможность при селекции грибов Penicillium, ускорить синтез антибиотика пенициллина в тысячи раз соотносительно с первоначальным штаммом.
Значение и роль в биологии селекции микроорганизмов
Широко применяются в медицинской промышленности для изготовления лекарственных средств – антибиотиков, незаменимых при лечении бактериальных заболеваний. Необходимы для синтеза ферментов, витаминов, аминокислот.
Для производства продуктов питания применяются дрожжевые грибки, с помощью селекции выделяют виды, которые наиболее быстро вызывают брожение теста и повышают качество продукции.
Примером селекции микроорганизмов также служит использование новых штаммов для изготовления молочнокислых продуктов, виноделия.
В сельском хозяйстве для получения силоса или для защиты растений также используют трансформированные микроорганизмы.
Селекция микроорганизмов
Всего получено оценок: 560.
Всего получено оценок: 560.
К микроорганизмам относятся прокариоты – бактерии, а также одноклеточные растения и животные – водоросли и простейшие. Эти живые существа играют важную роль в жизни человека и вовлечены в промышленность. Возникла отдельная отрасль – селекция микроорганизмов, помогающая создавать химические вещества, медицинские препараты, продукты питания.
Описание
Селекция одноклеточных организмов происходит несколько иначе, чем селекция многоклеточных растений и животных. Главная цель – добиться высокой производительности от одной клетки. Микроорганизмы синтезируют аминокислоты, белки, липиды, витамины, нуклеиновые кислоты, ферменты, пигменты, специфические органические вещества и т.д. «Дикие» штаммы, как правило, менее активны и производительны, поэтому человечество научилось стимулировать жизнедеятельность одноклеточных организмов.
Кратко о селекции микроорганизмов и её отличительных чертах:
Человечество научилось из 100 тысяч известных использовать несколько сотен видов микроорганизмов. Число «полезных» одноклеточных организмов растёт с каждым годом.
Методы
Основные методы селекции микроорганизмов представлены в таблице.
Метод
Особенности
Примеры
Выборка наиболее производительных и неприхотливых образцов микроорганизмов и культивирование их в искусственной среде
Внешнее воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов. Применение ультрафиолета, радиации, химических веществ для получения необходимой мутации
Получение пекарских дрожжей
Выделение необходимых генов и внедрение их в другие организмы, преобразование, «редактирование» ДНК и РНК, создание генетически модифицированных организмов
Производство инсулина, ферментов
Генная инженерия является методом быстро развивающейся биотехнологии. Эта дисциплина изучает и практикует возможности использования живых организмов для получения необходимых человеку продуктов.
Значение
Человечество начало активно «приручать» микроорганизмы в начале ХХ века, когда стали появляться первые вакцины и антибиотики. Однако ещё в древние времена люди умели готовить пиво, вино, сыр, несознательно используя микроорганизмы. Современные технологии помогают извлекать из маленьких существ максимально большую пользу.
которые читают вместе с этой
Несколько примеров, какое значение имеет селекция микроорганизмов в современной промышленности:
Что мы узнали?
Из доклада для 9 класса узнали о способах и значении селекции микроорганизмов. Работать с микроорганизмами намного проще, чем с многоклеточными организмами, т.к. достаточно небольшого количества начального материала, чтобы получить миллионы клеток. Селекция одноклеточных организмов не требует больших затрат на пищу и обширных территорий. Селекцию проводят с помощью искусственного отбора и мутагенеза, а также с применением генной инженерии. «Культурные» одноклеточные организмы производят в большом количестве необходимые человечеству вещества – гормоны, ферменты, аминокислоты.
Селекция микроорганизмов
Вы будете перенаправлены на Автор24
Особенности селекции микроорганизмов
У многих прокариот отсутствует половой процесс. Поэтому для них неприемлем метод гибридизации. Микроорганизмы могут быстро размножаться. Благодаря этому можно получить большое количество клеток-потомков. Большинство микроорганизмов имеют гаплоидный набор хромосом либо кольцевую молекулу ДНК. Это позволяет мутациям проявиться уже в первом поколении. Если в разговорах о селекции растений и животных мы оперируем понятиями «сорт» и «порода», то в селекции микроорганизмов применяют понятие «штамм».
Штаммом называют чистую культуру микроорганизмов – потомство от одной клетки.
Методы селекции микроорганизмов
В некоторых случаях проводят искусственное скрещивание различных штаммов микроорганизмов с помощью вирусов-бактериофагов, переносящих наследственную информацию. В селекции микроорганизмов широко применяются также методы генетической и клеточной инженерии. Они позволяют корректировать генный набор микроорганизмов и, соответственно, управлять проявлением их свойств.
Готовые работы на аналогичную тему
Значение секции микроорганизмов
В последнее время человек обращает пристальное внимание на микроорганизмы с целью использования их свойств для удовлетворения производственных потребностей.
Сегодня они широко применяются в различных отраслях экономики:
Благодаря деятельности этих микроскопических существ получают различные антибиотики, аминокислоты, гормоны, витамины, стимуляторы роста и другие вещества и соединения.
Созданы штаммы микроорганизмов, которые способны извлекать редкоземельные и драгоценные металлы из руд и промышленных отходов. Для производства необходимых веществ и препаратов создана целая отрасль – микробиологическая промышленность. Микроорганизмы используют в борьбе с вредителями сельского и лесного хозяйств, кровососущими и паразитическими организмами.
Возможно, в совсем недалеком будущем осуществится мечта писателей-фантастов о возможности применения микроорганизмов для обеспечения питания экипажей длительных межзвездных экспедиций путем налаживания синтеза биологической продукции.
Селекция микроорганизмов. Биотехнология
Урок 30. Подготовка к ЕГЭ по биологии
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Селекция микроорганизмов. Биотехнология»
Выведением новых и совершенствованием существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с необходимыми человеку свойствами занимается наука селекция.
Селекция микроорганизмов, в отличие от селекции растений и животных, имеет ряд особенностей: гаплоидный геном бактерии, позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении. А также высокая интенсивность размножения даёт возможность найти полезную мутацию по интересующему исследователя гену.
Селекция микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов, генетически идентичных клеток ― клонов.
После выделения из дикого штамма микроорганизмов, обладающих полезными свойствами, проводится отбор наиболее продуктивных штаммов среди них.
Следующий этап, как правило, — применение искусственного мутагенеза, позволяющего усилить появление различных мутаций. В качестве мутагенов используются ионизирующие излучения, некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое излучение, обладающее хотя и низкой проникающей способностью, но достаточной для появления мутаций у микроорганизмов.
Для получения культуры микроорганизмов-мутантов с нужными качествами учёными-селекционерами разработаны специальные методы отбора. Отобранный клон подвергается многократному пересеву на питательную среду с контролем на образование требуемого продукта. Цель такого многократного клонирования ― получение наиболее однородной популяции клеток. После получения продуктивных штаммов приступают к их размножению.
Использование данной технологии позволило селекционерам получить штаммы, продуктивность которых в сотни и тысячи раз выше по сравнению с исходными штаммами микроорганизмов, взятыми из природы.
Например, в результате искусственного мутагенеза, а затем отбора по продуктивности был выделен штамм гриба пеницилла, способный продуцировать в 1000 раз больше пенициллина.
Селекция микроорганизмов является важнейшим направлением в биотехнологии.
Биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.
Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского учёного, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера.
В конце XIX в. благодаря его трудам было установлено, что процессы брожения осуществляют микроорганизмы.
В 70-е годы появился и активно развивался биоинженеринг, представленный двумя основными направлениями: генной и клеточной инженерией.
Напомним, что генная инженерия — это целенаправленный перенос нужных генов (рекомбинантных ДНК) от одного вида живых организмов в другой, часто очень далёких по своему происхождению.
Генная инженерия направлена на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов.
После проведения определённых манипуляций с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии и дрожжи, например), которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с изменёнными в нужном человеку направлении свойствами.
Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых трансгенных (генетически изменённых), растений и животных.
В наши дни при помощи методов генной-инженерии учёные создают: растения-вакцины, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов, растения — фабрики лекарств и т. д.
Генно-инженерные работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Что это значит?
Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормон инсулин) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в больших количествах.
Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных. Например, для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800─1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200─250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из фармацевтической компании «Генентек» впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки.
Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворённых яйцеклеток (зигот). Затем в репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных клеток.
Клеточная инженерия основана на культивировании отдельных клеток или тканей на искусственных питательных средах.
Такие клеточные культуры используются для синтеза ценных веществ, необходимых человеку, например лекарств, а также для получения клеточных гибридов.
Предпосылкой к развитию клеточной инженерии стала клеточная технология. Её методы позволяют выращивать отдельные соматические клетки (то есть не половые клетки) на питательных средах.
Любой биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование полученных продуктов.
Микроклональное размножение растений (вегетативное размножение растений) проводится в стерильных условиях.
Кусочек растения (стебля, корня, листа) помещают на питательную среду.
Питательная среда представляет собой субстрат желатиноподобной структуры, который содержит все вещества, необходимые для удовлетворения пищевых и энергетических потребностей культивируемых микроорганизмов и других биологических объектов.
Далее чашки с растительными кусочками помещают в специальные условия с необходимым световым и температурным режимом. Через несколько дней на месте среза образуется тканевой наплыв, называемый каллусом. Кусочек такой ткани можно перенести на свежую питательную среду, где сформируется растение.
В основе этого метода лежит уникальная способность растительной клетки путём деления дать начало любому клеточному типу организма.
Таким образом, вегетативное размножение на искусственных питательных средах позволяет почти бесконечно размножать одно растение из маленьких кусочков вегетативных органов. Такой метод размножения применяется для овощных, плодовых и декоративных культур.
Также при помощи этого метода можно получать сорта и виды растений, которые трудно размножаются обычным способом. В результате сохраняется генофонд и создаётся коллекция в условиях инвитро (то есть в пробирке).
Несколько клеток (эксплант) помещают на питательную среду, на которой в результате митотического деления клеток образуется однородная неспециализированная клеточная маса. При ее разделении и добавлении необходимых растительных гормонов обеспечивается дифференцировка клеток и рост, так получают растение идентичное родительскому.
Затем культуральный сосуд с растительными эксплантами помещают в термостат, где созданы определённые температурные условия.
После выведения растения в стерильных условиях его переносят для адаптации в нестерильные условия, где растение постепенно привыкает к естественным природным условиям.
Таким образом, при помощи клеточной инженерии можно получать безвирусные, оздоровлённые, генетически идентичные исходному материалу посадочные материалы, которые не только внешне похожи на исходный материал, но и имеют абсолютно одинаковую генетическую информацию.
Клеточная инженерия позволяет в больших количествах выращивать растения, которые растут только в определённых климатических условиях. Например, женьшень — многолетнее лекарственное растение, которое растёт очень медленно, причём только в особых условиях. Прирост корня составляет всего несколько граммов в год. На фармацевтических заводах в специальных сосудах за 21 день получают до 100 г биомассы женьшеня на литр питательной среды.
Сборщики женьшеня ежегодно заготавливают около 250 кг корней, а микробиологическая промышленность вырабатывает свыше 5 т массы клеток.
Биотехнологические методы применяют также и в экологии. Установлено, что микроорганизмы способны к биодеградации (разрушению) углеводородов. Тем самым они очищают почву и воду от загрязнения нефтепродуктами.
В колбе слева вы видите слой нефти на поверхности воды. В колбе справа находятся бактерии, которые уже начали разрушать нефть.
Бактерии также используют для очистки городских водоёмов и сточных вод.
Биотехнология позволяет получать экологически чистые виды топлива путём биопереработки отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других органических отходов в биогаз. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается.
Учёные обнаружили, что бактерии, помещённые в специальные условия, во время очистки ила начинают генерировать электричество.
В колбе объёмом 10 миллилитров бактерии генерируют 0,7 вольт. То есть бактерии способны не только к очищению, но и к выделению электричества.
Главным объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней ежеминутно синтезируются сотни сложнейших соединений. Основа современного биотехнологического производства — это синтез различных веществ с помощью клеток микроорганизмов (бактерий, водорослей, дрожжей). Однако клетки высших растений и животных ещё не нашли широкого применения ввиду их высокой требовательности к условиям культивирования.
В производстве кормового белка используются особые штаммы грибов-дрожжей. В специальных аппаратах-биореакторах — они сбраживают растительное сырье, главным образом солому, являющуюся отходом растениеводства.
С 1 кубометра биореактора за сутки получают 30 кг белка, что эквивалентно суточному приросту биомассы стада из 100 коров.
Этот белок затем используется как ценная питательная добавка в корма с/х животных.
Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5─7 т зерна. Это имеет большое значение, поскольку 80 % площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводится для производства корма скоту и птице.
Биотехнология изучает возможность использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Что такое селекция микроорганизмов
Многие из них продуцируют десятки видов органических веществ — аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липи-дов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, Сахаров и т. п., широко используемых в разных областях промышленности и медицины. Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, молочных продуктов, виноделие и многие другие, основаны на деятельности микроорганизмов.
Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам различных соединений жесткие требования, которые важны для технологии производства; это высокая скорость роста, использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонними микроорганизмами. Научная основа этой промышленности — умение создавать микроорганизмы с новыми, заранее определенными генетическими свойствами и умение использовать их в промышленных масштабах.
Селекция микроорганизмов (в отличие от селекции растений и животных) имеет ряд особенностей: 1) у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток; 2) более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении; 3) простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют.
Эти особенности накладывают свой отпечаток на выбор методов селекции микроорганизмов, которые во многом существенно отличаются от методов селекции растений и животных. Например, в селекции микроорганизмов обычно учитываются их естественные способности синтезировать какие-либо полезные для человека соединения (аминокислоты, витамины, ферменты и др.). В случае использования методов генной инженерии можно заставить бактерии и другие микроорганизмы продуцировать те соединения, синтез которых в естественных природных условиях им никогда не был присущ (например, гормоны человека и животных, биологически активные соединения).
Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью содержащихся в них веществ, которые интересуют селекционера. Для использования же в микробиологической промышленности нужны высокопродуктивные штаммы, которые создаются различными методами селекции, в том числе отбором среди природных микроорганизмов.
Отбору высокопродуктивных штаммов предшествует целенаправленная работа селекционера с генетическим материалом исходных микроорганизмов. В частности, широко используют раз-личные способы рекомбинирования генов: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) позволила создать штамм Pseudomonas putida, способный утилизировать углеводороды нефти.
Часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериофагов), трансформации (перенос ДНК, изолированной из одних клеток, в другие) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).
Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся в плазмиде, а не в хромосоме. Поэтому увеличение числа этих плазмид путем амплификации позволяет существенно повысить выход антибиотиков.
Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания высокопродуктивных штаммов. Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов (1×10-10— 1 х 10-6) ниже, чем у всех других организмов (1×10-6—1×10-4). Но вероятность выделения мутаций по данному гену у бактерий значительно выше, чем у растений и животных, поскольку получить многомиллионное потомство у микроорганизмов довольно просто и сделать это можно быстро.
Для выявления мутаций служат селективные среды, на которых способны расти мутанты, но погибают родительские клетки дикого типа. Проводится также отбор по окраске и форме колоний, скорости роста мутантов и диких форм и т. д.
Отбор по продуктивности (например, продуцентов антибиотиков) осуществляется по степени антагонизма и угнетения роста чувствительного штамма. Дня этого штамм-продуцент высевается на «газон» чувствительной культуры. По размеру пятна, где отсутствует рост чувствительного штамма вокруг колонии штамма-продуцента, судят о степени его активности (в данном случае антибиотической). Для размножения, естественно, отбираются наиболее продуктивные полонии. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни и тысячи раз. Например, путем комбинирования мутагенеза и отбора в работе с грибом Penicillium был увеличен выход антибиотика пенициллина примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.
Важным подходом в селекционной работе с микроорганизмами является получение рекомбинантов путем слияния протопластов, или гибридизации, разных штаммов бактерий. Слияние протопластов позволяет объединить генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.
Роль микроорганизмов в микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и других областях трудно переоценить. Особенно важно отметить то, что многие микроорганизмы для производства ценных продуктов используют отходы промышленного производства, нефтепродукты и тем самым производят их разрушение, предохраняя окружающую среду от загрязнения.
Опорные точки:
Микроорганизмы широко используются в народном хозяйстве.
Проверь себя: