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:
- Быстрый рост;
- недорогие условия для размножения и жизнедеятельности бактерий;
- недопустимость заражения людей мутированными микроорганизмами.
Основная задача селекционеров выводить новые штаммы, с точно установленными характеристиками и способствовать их внедрению в производство.
Биотехнология - наука, изучающая применение живых организмов и их биологических свойств, для выработки новых, полезных веществ используемых человеком. Бактерии, простейшие, грибы, клетки растений и животных являются основными объектами изучения биотехнологии.
Чем селекция микроорганизмов отличается от селекции растений и животных?
- Для работы есть обилие исходного материала - за короткий промежуток времени на питательной среде вырастают миллионы колоний бактерий;
- мутационные изменения можно увидеть уже в первом поколении, так как набор хромосом клеток простейших одинарный, что делает селекцию эффективней;
- структура генома бактерий проще, чем у растительных и животных клеток. Поэтому не так трудно отрегулировать действие генов друг на друга.
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 - 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.
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.
