Методы селекции микроорганизмов. Особенности и значение для человека

Вопрос 1. Что такое биотехнология?
Биотехнология - это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. К отраслям биотехнологии относятся генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных, использование микроорганизмов в хлебопечении, виноделии, производстве лекарств и др.

Вопрос 2. Какие проблемы решает генная инженерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?
Методы генной инженерии позволяют ввести в генотип одних организмов (например, бактерий) гены других организмов (например, человека). Генная инженерия позволила решить проблемы промышленного синтеза микроорганизмами различных человеческих гормонов, например инсулина и гормона роста. Путем создания генетически модифицированных растений она обеспечила появление сортов, устойчивых к холодам, заболеваниям и вредителям. Основной трудностью для генной инженерии является наблюдение и контроль за деятельностью привнесенной извне ДНК. Важно знать, способны ли трансгенные организмы выдерживать «нагрузку» чужеродных генов. Существует также опасность самопроизвольного переноса (миграции) чужеродных генов в другие организмы, в результате чего они могут приобрести нежелательные для человека и природы свойства. Не на последнем месте стоит и этическая проблема: а имеем ли мы право переделывать живые организмы ради собственного блага?

Вопрос 3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?
Существует несколько причин повышения интереса к селекции микроорганизмов:
1). легкость селекции (по сравнению с растениями и животными), которая обусловлена большой скоростью размножения и простотой культивирования бактерий;
2). огромный биохимический потенциал (разнообразие осуществляемых бактериями реакций - от синтеза антибиотиков и витаминов до выделения из руд редких химических элементов);
3). простота генно-инженерных манипуляций; важно также то, что встроенный в ДНК бактерии ген автоматически начинает работать, поскольку (в отличие от эукариотических организмов) все гены прокариотов активны.
4). В результате на сегодняшний день существует огромное число примеров использования новых штаммов бактерий на практике: производство продуктов питания, гормонов человека, переработка отходов, очистка сточных вод и др.

Вопрос 4. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
С давних времен кисломолочные бактерии обеспечивают приготовление простокваши и сыра; бактерии, для которых характерно спиртовое брожение, - синтез этилового спирта; дрожжи используют в хлебопечении и виноделии. С 1982 г. в промышленных масштабах получают инсулин, синтезируемый кишечной палочкой. Это стало возможным после того, как при помощи методов генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК бактерии. В настоящее время налажен синтез трансгенного гормона роста, который используется для лечения карликовости у детей, интерферон - препарат, повышающий иммунную систему человека.
Микроорганизмы участвуют также в биотехнологических процессах по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоемах, получению лекарственных препаратов, пищевых добавок, средств защиты растений, получению топлива.

Вопрос 5. Какие организмы называют трансгенными?
Трансгенными (генетически модифицированными) называют организмы, содержащие искусственные дополнения в геноме. Примером (помимо упомянутой выше кишечной палочки) могут служить растения, в ДНК которых встроен фрагмент бактериальной хромосомы, ответственный за синтез токсина, отпугивающего вредных насекомых. В результате получены сорта кукурузы, риса, картофеля, устойчивые к вредителям и не требующие использования пестицидов. Интересен пример лосося, ДНК которого дополнили геном, активирующим выработку гормона роста. В результате лосось рос в несколько раз быстрее, и вес рыб оказался гораздо больше нормы.
Вопрос 6. В чем преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?
Клонирование направлено на получение точных копий организма с уже известными характеристиками. Оно позволяет добиваться лучших результатов в более короткие сроки, чем традиционные методы селекции. Клонирование дает возможность работать с отдельными клетками или небольшими зародышами. Например, при разведении крупного рогатого скота зародыш теленка на стадии недифференцированных клеток разделяют на фрагменты и помещают их в суррогатных матерей. В результате развиваются несколько идентичных телят с необходимыми признаками и свойствами.
При необходимости можно использовать и клонирование растений. В этом случае селекция происходит в клеточной культуре (на искусственно культивируемых изолированных клетках). И лишь затем из клеток, обладающих необходимыми свойствами, выращивают полноценные растения.
Наиболее известный пример клонирования - пересадка ядра соматической клетки в развивающуюся яйцеклетку. Эта технология в будущем позволит создать генетического двойника любого организма (или, что более актуально, его тканей и органов).

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, медикаменты, продукты питания.

Описание

Селекция одноклеточных организмов происходит несколько иначе, чем селекция многоклеточных растений и животных. Главная цель - добиться высокой производительности от одной клетки. Микроорганизмы синтезируют аминокислоты, белки, липиды, витамины, нуклеиновые кислоты, ферменты, пигменты, специфические органические вещества и т.д. «Дикие» штаммы, как правило, менее активны и производительны, поэтому человечество научилось стимулировать жизнедеятельность одноклеточных организмов.

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.

Человечество научилось из 100 тысяч известных использовать несколько сотен видов микроорганизмов. Число «полезных» одноклеточных растёт с каждым годом.

Рис. 1. Колония бактерий в чашке Петри.

Методы

Основные методы селекции микроорганизмов представлены в таблице.

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

Человечество начало активно «приручать» микроорганизмы в начале ХХ века, когда стали появляться первые вакцины и антибиотики. Однако ещё в древние времена люди умели готовить пиво, вино, сыр, несознательно используя микроорганизмы. Современные технологии помогают извлекать из маленьких существ максимально большую пользу.

ТОП-3 статьи 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.

Рис. 3. Антибиотики.

Что мы узнали?

Из доклада для 9 класса узнали о способах и значении селекции микроорганизмов. Работать с микроорганизмами намного проще, чем с многоклеточными организмами, т.к. достаточно небольшого количества начального материала, чтобы получить миллионы клеток. Селекция одноклеточных организмов не требует больших затрат на пищу и обширных территорий. Селекцию проводят искусственным отбором и мутагенезом, а также с применением генной инженерии. «Культурные» одноклеточные организмы производят в большом количестве необходимые человечеству вещества - гормоны, ферменты, аминокислоты.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 81.

Селекция микроорганизмов используется в различных сферах медицины и промышленности. Человеком часто применяются продукты жизнедеятельности одноклеточных эукариот и прокариот. Селекция микроорганизмов применяется для выделения форм и дрожжевых грибков. Их впоследствии используют для получения разных продуктов. Так, например, деятельность грибков и бактерий лежит в основе процессов брожения теста, получения многих кисломолочных продуктов, виноделия, квашения капусты, пивоварения и прочего.

Селекция микроорганизмов позволяет получать формы наивысшего качества на различных питательных средах. Например, дрожжи достаточно успешно выращиваются на отходах нефтепродуктов, метаноле, гидролизатах древесины, метане. Дрожжи содержат до шестидесяти процентов белков. Применение их как кормовых белков позволяет ежегодно получать дополнительно до миллиона тонн мяса.

Селекция микроорганизмов широко используется в сельском хозяйстве. Так, огромное значение имеет выработка незаменимых аминокислот. В связи с тем, что их достаточно мало в традиционных кормах, количество пищи приходится увеличивать. При этом добавление тонны лизина, синтезированного микробиологическим путем, позволяет сэкономить десятки тонн традиционных кормов.

Дрожжевые, плесневые грибки, бактерии вырабатывают антибиотики, которые впоследствии применяет человек. Многие из них являются крайне необходимыми, позволяют сохранить жизнь. Некоторые бактерии и грибки обладают способностью синтезировать определенные витамины, в частности, те, которые не вырабатываются в организме.

Основные используются при исследовании возможностей получения веществ, обладающих большим хозяйственным значением. К таким веществам, в частности, относят кетоны, спирты, органические кислоты. Селективные методы ориентированы на получение генетических линий, которые способны обеспечить максимальную производительность. Сегодня созданы такие плесневые грибки, которые продуцируют в тысячи раз большее количество антибиотиков, нежели исходные формы.

Для увеличения результативности в селекции применяется мутагенез. Таким образом, становится возможным расширение диапазона Этот прием предполагает использование облучения, воздействие особых химических компонентов.

Разработкой методов промышленного применения микроорганизмов и биологических процессов для последующего получения необходимых человеку веществ занимается биотехнология. В рамках этой научной отрасли в крупных биологических реакторах на питательных особых средах осуществляется выведение дрожжей, грибков, бактерий. Все эти микроорганизмы продуцируют ферменты, витамины, белки, аминокислоты и прочие необходимые соединения.

Бактерии достаточно широко применяются и в металлургической промышленности. Традиционные технологии, которые используются при выплавке, не позволяют применять сложносоставные или бедные руды. Методы биотехнологии позволяют переводить многие металлы из руды в раствор. Это обеспечивается за счет способности бактерий к окислению. Таким образом, ежегодно вырабатывается огромное количество меди. Биотехнологические методы применяются и при получении урана, серебра, золота.

На которые содержат необходимые фитогормоны, минеральные соли и прочие соединения, могут расти и размножаться клетки разных растений. Это, в свою очередь, упрощает и ускоряет выработку полезных продуктов. Например, легче и быстрее культивировать нежели ухаживать за всем растением.

Достаточно широко применяются различные методы Так, например, позволяет размножать элитные породы. Для этих целей используют, например, прием "суррогатного материнства".

Вопрос 1. Что такое биотехнология?

Биотехнология — это использование ор­ганизмов, биологических систем или биологи­ческих процессов в промышленном производ­стве. К отраслям биотехнологии относятся генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных расте­ний и животных, использование микроорга­низмов в хлебопечении, виноделии, производ­стве лекарств и др.

Вопрос 2. Какие проблемы решает генная ин­женерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?

Методы генной инженерии позволяют ввес­ти в генотип одних организмов (например,бактерий) гены других организмов (напри­мер, человека). Генная инженерия позволила решить проблемы промышленного синтеза микроорганизмами различных человеческих гормонов, например инсулина и гормона рос­та. Путем создания генетически модифициро­ванных растений она обеспечила появление сортов, устойчивых к холодам, заболеваниям и вредителям. Основной трудностью для ген­ной инженерии является наблюдение и конт­роль за деятельностью привнесенной извне ДНК. Важно знать, способны ли трансгенные организмы выдерживать «нагрузку» чужерод­ных генов. Существует также опасность само­произвольного переноса (миграции) чужерод­ных генов в другие организмы, в результате чего они могут приобрести нежелательные для человека и природы свойства. Не на последнем месте стоит и этическая проблема: а имеем ли мы право переделывать живые организмы ра­ди собственного блага?

Вопрос 3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?

Существует несколько причин повышения интереса к селекции микроорганизмов:

легкость селекции (по сравнению с рас­тениями и животными), которая обусловлена большой скоростью размножения и простотой культивирования бактерий;
огромный биохимический потенциал (разнообразие осуществляемых бактериями реакций — от синтеза антибиотиков и витами нов до выделения из руд редких химических элементов);
простота генно-инженерных манипу­ляций; важно также то, что встроенный в ДНК бактерии ген автоматически начинает рабо­тать, поскольку (в отличие от эукариотических организмов) все гены прокариотов активны.В результате на сегодняшний день сущест­вует огромное число примеров использования новых штаммов бактерий на практике: произ­водство продуктов питания, гормонов человека, переработка отходов, очистка сточных вод и др.

Вопрос 4. Приведите примеры промышленно­го получения и использования продуктов жизнеде­ятельности микроорганизмов.

С давних времен кисломолочные бактерии обеспечивают приготовление простокваши и сыра; бактерии, для которых характерно спиртовое брожение, — синтез этилового спир­та; дрожжи используют в хлебопечении и ви­ноделии.

С 1982 г. в промышленных масштабах по­лучают инсулин, синтезируемый кишечной палочкой. Это стало возможным после того, как при помощи методов генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК бак­терии. В настоящее время налажен синтез трансгенного гормона роста, который исполь­зуется для лечения карликовости у детей.

Микроорганизмы участвуют также в биотех­нологических процессах по очистке сточных мод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоемах, получению топлива.

Вопрос 5. Какие организмы называют транс­генными?

Трансгенными (генетически модифициро­ванными) называют организмы, содержащие искусственные дополнения в геноме. Приме­ром (помимо упомянутой выше кишечной па­лочки) могут служить растения, в ДНК кото­рых встроен фрагмент бактериальной хро­мосомы, ответственный за синтез токсина, отпугивающего вредных насекомых. В резуль­тате получены сорта кукурузы, риса, картофе­ля, устойчивые к вредителям и не требующие использования пестицидов. Интересен при­мер лосося, ДНК которого дополнили геном, активирующим выработку гормона роста. В результате лосось рос в несколько раз быст­рее, и вес рыб оказался гораздо больше нормы.

Вопрос 6. В чем преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?

Клонирование направлено на получение точных копий организма с уже известными характеристиками. Оно позволяет добиваться лучших результатов в более короткие сроки, чем традиционные методы селекции.

Клонирование дает возможность работать с отдельными клетками или небольшими заро­дышами. Например, при разведении крупного рогатого скота зародыш теленка на стадии не­дифференцированных клеток разделяют на фрагменты и помещают их в суррогатных матерей. В результате развиваются несколько идентичных телят с необходимыми признаками и свойствами.

При необходимости можно использовать и клонирование растений. В этом случае селек­ция происходит в клеточной культуре (на ис­кусственно культивируемых изолированных клетках). И лишь затем из клеток, обладаю­щих необходимыми свойствами, выращивают полноценные растения.

1. Напишите, какое значение имеют микроорганизмы в народном хозяйстве. Какие отрасли народного хозяйства используют ферментативную деятельность микроорганизмов?

Микроорганизмы широко используются практически во всех отраслях народного хозяйства и играют большую роль в нашей жизни.

С развитием науки генетики и биотехнологий был получен новых ряд антибиотиков для лечения людей, животных и растений. Получены витамины, аминокислоты и другие ценные вещества.

Важное значение имеет применение микроорганизмов в сельскохозяйственной отрасли(растениеводство и животноводство). Синтезированы белки для откорма домашнего скота. Микроорганизмы насыщают почву азотом, что благотворно влияет на уровень урожайности, они борются с вредителями сельхозкультур, увеличивают сроки хранения продуктов.

2. Объясните, какие методы используются в селекции микроорганизмов. Почему селекция микроорганизмов осуществляется значительно быстрее, чем селекция всех других высших организмов?

Используется хромосомная инженерия.

3. Ответьте на вопросы: 1. Что такое биотехнология? 2. Почему наибольшее число биотехнологических исследований связано с микроорганизмами? 3. Каковы успехи биотехнологии?

1. Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач.

2. Существует ряд приимуществ именно микроорганизмов для биотехнологических исследованиях.

1. Доступность.
2. С ними легко работать.
3. Быстрая скорость размножения.
4. Быстро выявляются различные мутации или приспособительные изменения.
5. Большое количество микроорганизмов можно вырастить всего из одной клетки.
6. Большое видовое разнообразие, благодаря чему можно использовать для исследований различные признаки и их сочетания у разных видов микроорганизмов.

4. Найдите в тексте параграфа информацию об использовании микроорганизмов. На чем основана биотехнология металлов? Предложите методы селекции микроорганизмов, используемых в металлургии.

Широко используются микроорганизмы в металлургии. Обычная технология извлечения металлов из руд не позволяет широко использовать бедные или сложные по составу руды. В результате их переработки образуются огромные скопления отходов, в атмосферу выбрасываются ядовитые газы. Биотехнология металлов основана на способности бактерий окислять минералы и переводить металлы в растворимое соединение. При окислении бактериями сульфидных минералов большинство цветных металлов и редких элементов переходит в раствор. Таким путём во всём мире только меди получают сотни тысяч тонн в год, причём стоимость её в 2-3 раза ниже, чем стоимость меди, добиваемой традиционным путём. С помощью бактерий извлекают из руды уран, золото и серебро, удаляют вредную примесь - мышьяк.

5. Выпишите характеристику способов, применяемых в генной инженерии. Приведите примеры успешного применения этих способов.

В генетической генной инженерии используются следующие способы:
1) слияние соматических (неполовых) клеток или протопластов различных клеток одного или разных видов организмов;
2) перенос из одной клетки в другую ядер клеток, хромосом или их фрагментов;
3) введение в клетку конкретных генов.

6. Охарактеризуйте такие генетические явления, которые могут быть усилены или, наоборот, устранены с помощью переноса генов из микроорганизмов в клетки высших форм.