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.

Приёмы генной инженерии позволяют выделять необходимый ген и вводить его в новое генетическое оружие с целью создания организма с новыми, заранее предопределёнными признаками.

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.