Бактериите, актиномицетите, микоплазмите, протозоите и едноклетъчните еукариоти са микроорганизми, които хората са успели да използват в промишленото производство, селското стопанство и медицината.
Има около 100 хиляди вида микроорганизми и около сто от тях се използват активно от хората. В края на миналия век те започнаха особено активно да изучават генома на микроорганизмите и разработиха редица методи за контрол на биохимичните процеси.
За ефективно производство са необходими следните качества на микроорганизмите:
- Бърз растеж;
- евтини условия за размножаване и активност на бактерии;
- недопустимост на заразяване на хора с мутирали микроорганизми.
Основната задача на селекционерите е да разработят нови щамове с точно установени характеристики и да улеснят въвеждането им в производството.
Биотехнология- наука, която изучава използването на живите организми и техните биологични свойства за производство на нови, полезни вещества, използвани от хората. Бактерии, протозои, гъбички, растителни и животински клетки са основните обекти на изследване в биотехнологиите.
Как селекцията на микроорганизмите се различава от селекцията на растенията и животните?
- Има изобилие от изходен материал за работа - за кратък период от време върху хранителната среда растат милиони колонии от бактерии;
- мутационните промени могат да се видят още в първото поколение, тъй като наборът от хромозоми на протозойните клетки е единичен, което прави селекцията по-ефективна;
- Структурата на генома на бактериите е по-проста от тази на растителните и животинските клетки. Следователно не е толкова трудно да се регулира действието на гените един върху друг.
Като се вземат предвид характеристиките и особеностите на селекцията на микроорганизмите, са разработени специални методи за тяхното изследване. Развъдчиците използват следните методи за селекция: генно инженерство, изкуствена мутагенеза и селекция.
Методи за селекция на микроорганизми
Генното инженерство е метод, който позволява въвеждането на необходимия наследствен материал, получен от клетката на един организъм, в генома на друг. Образуваните по този начин микроорганизми се наричат трансформирани.
Най-често използваният ген в генното инженерство е Escherichia coli, бактерия, която живее в човешкия чревен тракт. Благодарение на него се произвежда хормон на растежа - соматотропин, инсулин, който преди това можеше да се получи само от клетките на панкреаса на домашни животни, интерферон, използван за лечение на вирусни заболявания.
Процесът на получаване на трансформирани микроорганизми е разделен на няколко последователни етапа.
Етапи на получаване на трансформирани микроорганизми
Намиране на правилните гени и изрязването им от генома. Това е възможно благодарение на действието на специфични ензими – рестрикционни ензими.
Образуване на субстрата- специален дизайн, в състава на който необходимата кодирана характеристика ще бъде вградена в генома на друга клетка. За формиране на субстрата се използват двуверижни кръгови молекули (плазмиди).
Генът се вмъква в плазмид под действието на ензими, които извършват лигиране - свързване на две молекули. Генетичната структура се състои от определени части - промотор, терминатор, ген оператор и ген регулатор, които са необходими за контрол на гените. Структурата на новообразуваната конструкция съдържа и маркерни гени, които осигуряват проявата на нови характеристики, които я отличават от първичните клетки.
Трансформация- въвеждане на нова генетична информация в генома на микроорганизма.
Прожекция- сортиране на бактерии, селекция на организми с успешно въведени характеристики.
По-нататък размножаванеполучените бактерии.
Изкуствена мутагенеза
За да се получат желаните мутации, микроорганизмите се излагат на рентгенови лъчи, ултравиолетова светлина и химични съединения, което увеличава скоростта на мутация и нейната ефективност.
Изкуствен подбор
Подбрани са щамове с висока синтезираща активност.
Преди да избере продуктивни щамове, селекционерът работи дълго време с оригиналния геном на клетките. Използват се различни методи за пренареждане на генома: конюгация, трансдукция, трансформация.
Конюгация– прехвърлянето на част от генетичния материал чрез директен контакт на две бактериални клетки направи възможно създаването на щам, който може да използва нефтени въглеводороди.
Усилване- умножаване на броя на копията на необходимия ген. Благодарение на амплификацията беше възможно да се увеличи многократно синтезът на антибиотици.
Стимулиране на мутации- необходим етап при подбора. Промените в генома на микроорганизмите не се случват толкова често, колкото в растителните и животинските клетки. Но възможността за изолиране на тази мутация в бактериите е много по-голяма, отколкото в други организми, тъй като милиарди колонии от микроорганизми могат да бъдат получени лесно и бързо.
Селекцията за продуктивност (например бактерии, синтезиращи антибиотици) се извършва в зависимост от степента на влияние на трансформирания бактериален щам върху растежа и размножаването на патогенния микроорганизъм. Те се поставят върху хранителна среда и активността на щама се определя от диаметъра на огнището, където растежът на патологичните бактерии е бавен или липсва. За по-нататъшна работа се използват най-продуктивните видове бактерии.
По този начин традиционните методи за селекция на микроорганизми (мутагенеза и изкуствена селекция) позволиха по време на селекцията на гъбички Penicillium да ускорят синтеза на антибиотика пеницилин хиляди пъти в сравнение с оригиналния щам.
Значението и ролята на селекцията на микроорганизмите в биологията
Те се използват широко в медицинската индустрия за производство на лекарства - антибиотици, незаменими при лечението на бактериални заболявания. Необходим за синтеза на ензими, витамини, аминокиселини.
Дрождите се използват за производство на храни, чрез селекция се изолират видове, които най-бързо ферментират тестото и подобряват качеството на продукта.
Пример за селекция на микроорганизми е и използването на нови щамове за производството на млечнокисели продукти и винопроизводството.
В селското стопанство трансформираните микроорганизми се използват и за производство на силаж или за растителна защита.
