Основы селекции

Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью  тех веществ, которые интересуют селекционера. Для использования  в микробиологической промышленности нужны высокопродуктивные штаммы, которые создают 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 различные  способы рекомбинирования генов: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) позволила создать штамм, 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 основной хромосоме. Поэтому увеличение путем амплификации числа этих плазмид позволяет существенно повысить производства антибиотиков.

Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания исходного материала в селекции. Вероятность (частота) возникновения мутаций у микроорганизмов (10^-10 — 10^-6) ниже, чем у всех других организмов (10^-6 —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 быстро.

Для выделения мутаций  служат селективные среды, на которых  способны расти мутанты, но погибают исходные родительские особи дикого типа. Проводится так же 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. Для  этого штамм-продуцент высевается на «газон» чувствительной культуры. По размеру пятна, где отсутствует  рост чувствительного штамма вокруг колонии штамма-продуцента, судят  о степени активности (в данном случае антибиотической). Для размножения, естественно, отбираются наиболее продуктивные колонии. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить  в сотни - тысячи раз. Например, комбинируя мутагенез и отбор в работе с грибом Penicillium, выход антибиотика пенициллина увеличили примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.

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  от загрязнения окружающую среду[4].

6. Биотехнология,  генетическая и клеточная инженерия

Биотехнология — это сознательное производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью  живых организмов и биологических  процессов.

С незапамятных времен биотехнология  применялась преимущественно в  пищевой и легкой промышленности: в виноделии, хлебопечении, сбраживании  молочных продуктов, при обработке  льна и кож, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия  возможности биотехнологии необычайно расширились. Это связано с тем, что ее методы выгоднее Обычных по той простой причине, что в  живых организмах биохимические  реакции, катализируемые ферментами, идут при оптимальных условиях (температуре  и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют  химических реактивов, отравляющих  среду.

Объектами биотехнологии  являются многочисленные представители  групп живых организмов — микроорганизмы (вирусы, бактерии, простейшие, дрожжевые  грибы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные компоненты (органеллы) и даже ферменты. Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Главным направлением биотехнологии  является производство с помощью  микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиотики, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например, незаменимые аминокислоты, кормовые белки и т. д.). Методы генетической инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения генетических болезней человека.

Одним из важнейших направлений  современной биотехнологии является также использование биологических  методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных  вод, загрязненной почвы и т. п.).

Так, для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы бактерий, способные накапливать  уран, медь, кобальт. Другие бактерии родов  Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины из группы В и каротины.

Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфару, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть.

Большое значение имеет использование  методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней.

Биотехнология проникает  в тяжелую промышленность, где  микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных  ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые  способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной  концентрации ряда других денных металлов: марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны[5].

Генетическая инженерия  — один из важнейших методов биотехнологии. Она предполагает целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать  в клетке, т. е. размножаться и контролировать синтез конечных продуктов. Можно выделить несколько разновидностей метода генетической инженерии в зависимости от уровня и особенностей его использования.

Генетическая инженерия  используется в основном на прокариотах  и микроорганизмах, хотя в последнее  время начала применяться и на высших эукариотах (например, на растениях). Этот метод включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток (например, на основе матричной РНК, синтезированной  данным геном), направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов (клонирование генов), а также их перенос и  включение в подлежащий изменению  геном. Таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужих»  генов и синтеза бактериями важных для человека соединений. Благодаря  этому в геном кишечной палочки  удалось ввести ген синтеза инсулина из генома человека. Инсулин, синтезированный  бактериями, используется для лечения  больных сахарным диабетом.

Развитие генетической инженерии  стало возможным благодаря открытию двух ферментов — рестриктаз, разрезающих молекулу ДНК в строго определенных участках, и лигаз, сшивающих кусочки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инженерии лежит открытие векторов, которые представляют собой короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК. С помощью рестриктаз и лигаз в векторы и встраивают необходимый ген, добиваясь впоследствии его включения в геном клетки-хозяина.

Клеточная инженерия —  это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Она  базируется на использовании методов  культуры клеток и тканей. Выделяются два направления клеточной инженерии: 1) использование клеток, переведенных в культуру, для синтеза различных  полезных для человека соединений; 2) применение культивируемых клеток для  получения из них растений-регенерантов.

Растительные клетки в  культуре — это важный источник ценнейших природных веществ, так  как они сохраняют способность  синтезировать свойственные им вещества: алкалоиды, эфирные масла, смолы, биологически активные соединения. Так, переведенные в культуру клетки женьшеня продолжают синтезировать, как и в составе  целостного растения, ценное лекарственное  сырье. Причем, в культуре с клетками и их геномами можно проводить  любые манипуляции. Используя индуцированный мутагенез, можно повышать продуктивность штаммов культивируемых клеток и  проводить их гибридизацию (в том  числе и отдаленную) гораздо легче  и проще, чем на уровне целостного организма. Кроме этого, с ними, как  и с прокариотическими клетками, можно проводить генно-инженерные работы.

Путем гибридизации лимфоцитов (клеток, синтезирующих антитела, но неохотно и недолго растущих в  культуре) с опухолевыми клетками, обладающими потенциальным бессмертием  и способными к неограниченному  росту в искусственной среде, решена одна из важнейших задач биотехнологии  на современном этапе — получены клетки гибридомы, способные к бесконечному синтезу высокоспецифических антител определенного типа.

Таким образом, клеточная  инженерия позволяет конструировать клетки нового типа с помощью мутационного процесса, гибридизации и, более того, комбинировать отдельные фрагменты  разных клеток (ядра, митохондрии, пластиды, цитоплазму, хромосомы и т. д.), клетки различных видов, относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам. Это облегчает решение многих теоретических проблем и имеет практическое значение.

Клеточная инженерия широко используется в селекции растений. Выведены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать  новые формы, сорта, обладающие полезными  свойствами и устойчивые к неблагоприятным  условиям среды и болезням. Этот метод широко используется и для  «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями. Из их ростков  в культуре выделяют несколько верхушечных  клеток, еще не пораженных вирусом, и добиваются регенерации из них  здоровых растений сначала в пробирке, а затем пересаживают в почву  и размножают.

Заключение

Для того чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и  сырьем и при этом не привести планету  к экологической катастрофе, человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов. Поэтому не случайно главной задачей  селекционеров в наше время стало  решение проблемы создания новых  форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих  неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию  и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача — она расширяет и ускоряет масштабы воздействия человека на живую  природу и способствует адаптации  живых систем к условиям существования  человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощного фактора антропогенной  адаптивной эволюции.

У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. При появлении все  новых и новых векторов человек  с их помощью будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и  человека. Это позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства  и биологически активные соединения, а затем — непосредственно  белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу.

Список  литературы

1.  Биология. / Н.П.Соколова, И.И.Андреева и др. – М.: Высшая школа, 1987.  304с.

2.  Колесников С.И. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – 384с.

3.  Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Биология.– М.: Айрис-пресс, 2005. 512с.