Какие методы используют в селекции микроорганизмов кратко

Обновлено: 02.07.2024

В последние десятилетия удалось выявить целый ряд генетических механизмов, которые регулируют процессы, идущие в клетках микроорганизмов. Эти знания позволяют человеку подчинять бактерии, простейших, грибы, использовать их для своих нужд, выводить виды с необходимыми качествами.

Микроорганизмы продуцируют белки, витамины, антибиотики, липиды, ферменты, сахара и другие вещества, необходимые пищевой промышленности (хлебопечении, виноделии, производстве молочных продуктов), медицине, экологических технологиях и других сферах. Очевидно, что умение выводить микроорганизмы с определенными генетическими свойствами крайне важно.

Ученые, занимающиеся селекцией микроорганизмов, учитывают их следующие биологические особенности:

1. Очень большую скорость размножения — у исследователя есть практически неограниченный рабочий материал!

2. Способность существовать на дешевых в производстве субстратах.

3. Высокую частоту возникновения мутаций. Микроорганизмам присущ гаплоидный набор хромосом, мутации проявляются в первом же поколении.

4. Неоднородность штамма (чистой культуры микроорганизма, выделенного из какого-то источника или возникшего после мутации) и эффективность отбора.

5. Простоту генетической организации, относительно небольшое число генов.

Ключевые методы селекции микроорганизмов

1. Искусственный отбор (как массовый, так и индивидуальный).

2. Искусственно проводимый мутагенез.

3. Генная инженерия.

4. Клеточная инженерия.

5. Отметим, что метод гибридизации мало используется в селекции микроорганизмов.

Искусственный отбор

1. С помощью тщательного искусственного отбора ученые выделяют расы микроорганизмов, которые способны к наиболее продуктивному синтезу какого-либо продукта, нужного человеку (витамина, антибиотика и пр.).

2. Как мы уже сказали, микроорганизмы очень часто подвергаются изменчивости (мутациям).

3. Отбор мутантов позволяет получить самые активные расы микроорганизмов. На специальных селективных средах мутанты благополучно растут, а вот родительские клетки, не мутировавшие (то есть дикие формы), гибнут. Ведется отбор по скорости роста мутантов и диких форм, по форме колоний, их окраске и пр.

Искусственный мутагенез

1. Если в животноводстве этот метод почти не применяется, то в селекции микроорганизмов для него открыто широкое поле. Наиболее часто используется метод вызывания искусственных мутаций от воздействия радиации, рентгеновских и уф-лучей, а также ряда химических соединений.

2. Этим способом, в частности, скорость мутаций у микроорганизмов была повышена в сотни раз! Экспериментальное получение мутаций открыло широчайшие перспективы для выведения высокопродуктивных штаммов.

4. В пищевой промышленности путем селекции были созданы высокопродуктивные формы дрожжей, которые повышают качество хлеба.

Генная инженерия

1. Использование клеток и различных биологических процессов в целях создания нужных человеку веществ, называют биотехнологией. Два ее главных направления: генная и клеточная инженерия.

2. Первое направление подразумевает целенаправленно производимые манипуляции с генетическим материалом в клетках микроорганизмов. Особое воздействие на ДНК дает возможность перенести из одного организма в другой наследственную информацию.

3. Значение данного метода в том, что он позволил внедрять человеческие гены в ДНК бактерий, и это дает возможность бактериям синтезировать человеческие белки (инсулин, соматотропин и пр.). Так, кишечная палочка после пересадки человеческого гена, начала производить инсулин.

Клеточная инженерия

1. Метод, позволяющий в одной клетке слить наследственные материалы разных, иногда очень далеких, видов. Она заключается в создании новых типов клеток через гибридизацию их содержимого. Искусственным образом объединяют целые клетки различных организмов, формируя гибридный геном.

Значение микроорганизмов

1. Микробиология как отрасль промышленности сформировалась в середине XX века. Она использует микроорганизмы для создания органических веществ.

2. На бурной деятельности микроорганизмов основаны, в частности, такие направления пищевой промышленности, как производство витаминов, некоторых органических кислот, спирта, виноделие, хлебопечение и пр.

3. Специалисты микробиологической промышленности научились получать аминокислоты, белки, антибиотики, гормоны, ферменты и т. д.

4. Антибиотики, спасшие со времени своего открытия миллионы жизней на планете, являются продуктами жизнедеятельности ряда грибов и бактерий. Микробиологам с помощью искусственного мутагенеза и отбора более чем в тысячу раз удалось поднять продуктивность штаммов гриба пеницилла.

5. Микроорганизмы широко применяются для очистки сточных вод и повышения полезных качеств почвы.

6. В последние десятилетия разработаны способы получения с помощью бактерий меди, марганца, хрома из отработанной породы на старых рудниках, там, где традиционные методы добычи полезных ископаемых перестали быть экономически выгодными.

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

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.

Генетическая инженерия

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.

К микроорганизмам относятся прокариоты – бактерии, а также одноклеточные растения и животные – водоросли и простейшие. Эти живые существа играют важную роль в жизни человека и вовлечены в промышленность. Возникла отдельная отрасль – селекция микроорганизмов, помогающая создавать химические вещества, медицинские препараты, продукты питания.

Описание

Кратко о селекции микроорганизмов и её отличительных чертах:

неограниченное количество начального материала для работы – за несколько дней в питательной среде можно вырастить миллионы бактерий;
одноклеточные организмы содержат гаплоидный набор хромосом, поэтому легче выявить мутации уже в первом поколении;
геном бактерий более простой, чем многоклеточных организмов, что позволяет более эффективно регулировать взаимодействие генов.

Рис. 1. Колония бактерий в чашке Петри.

Методы

Основные методы селекции микроорганизмов представлены в таблице.

Метод

Особенности

Примеры

Выборка наиболее производительных и неприхотливых образцов микроорганизмов и культивирование их в искусственной среде

Внешнее воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов. Применение ультрафиолета, радиации, химических веществ для получения необходимой мутации

Получение пекарских дрожжей

Производство инсулина, ферментов

Генная инженерия является методом быстро развивающейся биотехнологии. Эта дисциплина изучает и практикует возможности использования живых организмов для получения необходимых человеку продуктов.

Рис. 2. Искусственный мутагенез.

Значение

которые читают вместе с этой

Несколько примеров, какое значение имеет селекция микроорганизмов в современной промышленности:

получение ферментов, используемых в промышленности, например, амилаза входит в состав стиральных порошков, улучшает качества муки, ускоряет процессы брожения;
получение незаменимых аминокислот;
производство антибиотиков;
получение дополнительных источников энергии – этанола, водорода, газа;
изготовление хлебобулочных изделий (выращивание дрожжей);
производство спирта и алкогольной продукции;
изготовление кисломолочных продуктов;
выращивание металлов из бедных руд;
очистка сточных вод.

Что мы узнали?

Значение и роль в биологии селекции микроорганизмов

Микроорганизмы — это живые организмы, не различимые невооруженным глазом из-за слишком маленьких размеров.

К микроорганизмам относятся бактерии, археи, некоторые грибы, протисты. Размер таких организмов, независимо от того, являются они эукариотами или прокариотами, не превышает 0,1 мм.

Селекция микроорганизмов — это научное направление, посвященное созданию новых штаммов.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Для биологии направление имеет большое значение. Благодаря ему появляются и развиваются методы, позволяющие управлять свойствами микроорганизмов, получать новые штаммы, полезные для человека.

Штамм — это чистая культура микроорганизма, выведенная из понятного источника и идентифицированная по критериям современной классификации. По смыслу штамм можно сравнить с породой у животных или сортом у растений.

Методы селекции микроорганизмов

К текущему моменту учеными разработано три основных метода селекции микроорганизмов: отбор, искусственный мутагенез и генетическая инженерия.

Отбор

Для того, чтобы обеспечить возможность выбора, ученые-селекционеры работают с первоначальным геномом, изменяют его характеристики при помощи таких способов, как:

конъюгация — перенос определенной части генетического материала при непосредственном контакте двух клеток;
стимуляция мутаций;
амплификация — увеличение количества копий интересующего гена.

Получив несколько разных видов, ученые производят отбор по производительности: как правило, селекционеров интересуют штаммы с высокой синтезирующей активностью.

Искусственный мутагенез

Искусственный мутагенез — это оказание направленного воздействия на микроорганизмы посредством применения химических соединений, облучения рентгеновскими лучами или ультрафиолетом.

Искусственный мутагенез может выступать самостоятельным методом или быть одним из этапов отбора.

Генетическая инженерия

Генетическая инженерия — это внедрение наследственного материала, полученного из клетки одного микроорганизма, в геном другого.

В процессе применения метода выделяют 4 последовательных стадии. Традиционная схема выглядит так:

Поиск подходящих генов, вырезание их из донорского генома посредством воздействия рестриктазы — бактериального фрагмента, расщепляющего молекулу ДНК в строго определенных местах.
Формирование субстрата, в составе которого закодированная характеристика будет встраиваться в другой геном.
Трансформация — введение генетической информации в геном организма-реципиента.
Скрининг — выбор организмов с удачно внедренными характеристиками.

Получения одного или нескольких измененных организмов может быть недостаточно. Поэтому в некоторых случаях приведенный порядок действий завершает размножение полученных версий.

Микроорганизмы, сформированные посредством генетической инженерии, в биологии называются трансформированными.

Основные направления

Селекция микроорганизмов важна для многих направлений. Среди них:

медицина;
фармакология;
фармацевтика;
пищевая промышленность;
животноводство.

Достижениями микробиологов в сфере селекции пользуются в лесном хозяйстве, на горнодобывающих предприятиях.

Где применяется селекция микроорганизмов

Благодаря селекции люди получили некоторые антибиотики, гормоны и стимуляторы роста, обеспечили создание поддерживающих препаратов: к примеру, витаминов и аминокислот.

В винодельческой промышленности, а также в хлебопекарном производстве и на пивоварнях используют дрожжи. А для животноводов выведен особый вид грибов, которые отличаются способностью синтезировать кормовые добавки из компоста.

Трансформированные бактерии используются для увеличения сроков хранения некоторых молочных продуктов. Специальные штаммы созданы для извлечения драгоценных металлов из руд при условии невмешательства человека.

Описание

Кратко о селекции микроорганизмов и её отличительных чертах:

неограниченное количество начального материала для работы – за несколько дней в питательной среде можно вырастить миллионы бактерий;
одноклеточные организмы содержат гаплоидный набор хромосом, поэтому легче выявить мутации уже в первом поколении;
геном бактерий более простой, чем многоклеточных организмов, что позволяет более эффективно регулировать взаимодействие генов.

Рис. 1. Колония бактерий в чашке Петри.

Методы

Основные методы селекции микроорганизмов представлены в таблице.

Метод

Особенности

Примеры

Получение пекарских дрожжей

Производство инсулина, ферментов

Рис. 2. Искусственный мутагенез.

Значение

Несколько примеров, какое значение имеет селекция микроорганизмов в современной промышленности:

получение ферментов, используемых в промышленности, например, амилаза входит в состав стиральных порошков, улучшает качества муки, ускоряет процессы брожения;
получение незаменимых аминокислот;
производство антибиотиков;
получение дополнительных источников энергии – этанола, водорода, газа;
изготовление хлебобулочных изделий (выращивание дрожжей);
производство спирта и алкогольной продукции;
изготовление кисломолочных продуктов;
выращивание металлов из бедных руд;
очистка сточных вод.

Рис. 3. Антибиотики.

Что мы узнали?

Читайте также: