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
Методы селекции микроорганизмов играют важную роль в медицине и биотехнологии. Врачи отмечают, что эти методы позволяют выделять и улучшать полезные штаммы бактерий и грибов, что способствует разработке новых лекарств и вакцин. Например, селекция может помочь в создании пробиотиков, которые улучшают микрофлору кишечника и укрепляют иммунную систему.
Кроме того, врачи подчеркивают, что селекция микроорганизмов имеет значение для борьбы с инфекциями. Выделение устойчивых к антибиотикам штаммов позволяет разрабатывать более эффективные методы лечения. Однако важно помнить о необходимости соблюдения этических норм и безопасности при проведении таких исследований, чтобы избежать негативных последствий для здоровья человека и экосистемы. Таким образом, методы селекции микроорганизмов являются ключевыми инструментами в современном здравоохранении.
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.
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.
Методы селекции микроорганизмов играют ключевую роль в биотехнологии и медицине. Люди отмечают, что эти методы позволяют выделять и развивать полезные штаммы, способные производить антибиотики, витамины и ферменты. Например, с помощью селекции можно улучшить свойства бактерий, используемых в производстве йогуртов и сыра, что делает продукты более питательными и вкусными.
Кроме того, селекция микроорганизмов помогает в борьбе с инфекциями, позволяя создавать новые лекарства и вакцины. Важно отметить, что использование этих методов требует строгого контроля, чтобы избежать непредсказуемых последствий. В целом, селекция микроорганизмов имеет огромное значение для здоровья человека и устойчивого развития сельского хозяйства, открывая новые горизонты для научных исследований и практического применения.
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.
Вопрос-ответ
Какие основные методы селекции микроорганизмов существуют?
Существуют несколько основных методов селекции микроорганизмов, включая мутагенез, отбор по фенотипическим признакам, а также молекулярно-генетические методы. Мутагенез включает в себя использование химических или физических агентов для создания мутаций, которые могут привести к желаемым свойствам. Фенотипический отбор позволяет выделять микроорганизмы с определенными характеристиками, такими как устойчивость к антибиотикам или способность к синтезу полезных веществ. Молекулярно-генетические методы, такие как CRISPR, позволяют точно редактировать геномы микроорганизмов для достижения конкретных целей.
Как селекция микроорганизмов влияет на медицину?
Селекция микроорганизмов имеет значительное влияние на медицину, так как позволяет создавать новые штаммы, которые могут использоваться для разработки вакцин, антибиотиков и других лекарственных средств. Например, селекция может привести к созданию более эффективных пробиотиков, которые улучшают здоровье кишечника, или к разработке новых методов лечения инфекционных заболеваний. Кроме того, селекция помогает в борьбе с антибиотикорезистентными штаммами, что является одной из самых серьезных проблем современной медицины.
Каковы экологические последствия селекции микроорганизмов?
Экологические последствия селекции микроорганизмов могут быть как положительными, так и отрицательными. С одной стороны, селекция может привести к созданию микроорганизмов, способствующих биоремедиации, то есть очистке загрязненных экосистем. С другой стороны, введение генетически модифицированных микроорганизмов в природу может вызвать непредсказуемые изменения в экосистемах, включая угнетение местных видов или изменение пищевых цепей. Поэтому важно проводить тщательные исследования и оценку рисков перед использованием селектированных микроорганизмов в окружающей среде.
Советы
СОВЕТ №1
Изучайте различные методы селекции микроорганизмов, такие как мутагенез, отбор по устойчивости и генетическая модификация. Понимание этих методов поможет вам лучше осознать, как ученые создают новые штаммы для медицинских и промышленных нужд.
СОВЕТ №2
Обратите внимание на этические аспекты селекции микроорганизмов. Важно понимать, как изменения в генетическом коде могут повлиять на экосистему и здоровье человека, и следить за соблюдением норм и стандартов в этой области.
СОВЕТ №3
Следите за новыми исследованиями и открытиями в области микробиологии. Научные достижения могут привести к разработке новых антибиотиков, вакцин и других медицинских препаратов, которые могут значительно улучшить качество жизни.
СОВЕТ №4
Если вы работаете в области биотехнологий, активно участвуйте в семинарах и конференциях. Это поможет вам обмениваться опытом с коллегами и быть в курсе последних тенденций и технологий в селекции микроорганизмов.
