Биотехнологические основы селекции производственных штаммов микроорганизмов

План лекции

Введение

1. Особенности строения и функционирования наследственного аппарата прокариотов

2. Модификационная (адаптационная) изменчивость микроорганизмов

3. Принципы и способы получения мутантных штаммов микроорганизмов

4. Принцип и способы получения рекомбинантных штаммов микроорганизмов

5. Методы селекции и генная инженерия

Введение

Как уже было показано во вводной лекции производственный успех эксплуатации биотехнологической системы зависит от многих факторов , среди которых наследственные свойства производственных штаммов микроорганизсов, их целевая отселекционированность и поддержание её на заданном уровне занимает одно из основных мест в любом биотехнологическом процессе (биопроизводстве).

Биопредприятия получают производственные штаммы микроорганизмов (первый компонент биосистемы) в «готовом виде» с паспортым описание его характеристик и инструктивным изложением операций при его поддержанию и сохранению. Но не редко из-за всевозможных нарушений режима микробиологической работы и слабой профессиональной подготовки специалистов такие микроорганизмы уже в условиях производственных лабораторий биопредприятий изменяются и становяться непригодными в качестве производственных штаммов.

Чаще же «такие превращения» появляются в ходе самого биотехнологичсекого процесса. Их причина – слабый биоконтроль биотехнологических операций, экстримальной напряжение биотехнологичсекого процесса вследствие использования неподходящих и нестондартных субстратов (питательные среды, сырье), измененный катаболизм и сверхсинтез пластических и растворимых веществ (биомасса, аминокислоты, витамины, ферменты, экзо- и эндотоксины и т.д.).

Поэтому микробиологическая работа по поддержанию стандартности отселекционнированных агентов и занимает важное место в биопромышленности. Основная же часть селекционной работы, как правило, проводится в научных учреждениях и селекционно-генетических центрах соответствующего профиля, где буквально «конструируют» и затем поддерживают и сохраняют производственные штаммы микроорганизмов с заданными наследственными свойствами, пригодными для получения вакцин, диагностикумов, иммунсывороток, ферментов, продуктов брожения и т.д.

Успех в этом деле неражрывно связан с глубокими знаниями закономерностей и законов современной генетики и особенностей строения и функционирования наследственного аппарата прокариот, обеспечивающих постоянство, изменение и передачу и наследственных признаков у бактерий.

I. Особенности строения и функционирования наследственного аппарата прокариот

Всякое живое существо по большенству своих признаков сходно со своими предками. Сохранение специфических свойств, т.е. постоянство признаков в ряду поколений, называют наследственностью.

Генетика изучает механизмы передачи признаков и закономерности их наследования. Каждому признаку в качестве носителя информации соответсвует ген. Еще во времена классической гентики исследователи пришли к выводу, что гены находятся в клеточном ядре и что они располагаются в линейном порядке .

Долгое время считали, что наследственная информация связана с белковыми компонентами нуклеоплазмы. Лишь после успешных экспериментов по передаче наследственных признаков с помощью ДНК, генетики пришли к убеждению, что именно ДНК, входящая в сотав хромосом, у всех организмов служит материальным носителем наследственной информации.

Доказано, что проявление признаков зависит от активности ферментов. У микроорганизмов ферменты можно было связать с конкретными признаками, поддающимися точному биохимическому опеделению. Гипотеза «Один ген - один фермент» гласит,что определенный ген содержит информацию, необходимую для синтеза определенного фермента. (Поздняя формулировка: каждый структурный ген кодирует определенную полипептидную цепь).

Вся информация о признаках, присущих данному организму, сосредоточена в его генетичсеком аппарате. Он обеспечивает сохранение и точное воспроизведение этих признаков в процессе размножения микроорганизма и дочерние особи обнаруживают в большинстве случаев полное сходство с родительскими формами. Это говорит о том, что генетический аппарат обладает высокой стабильностью и точностью, обеспечивающих его функционирование.

Однако стабильность генетического аппарата не абсолютна, т.к. исключало бы всякую возможность его изменений,а следовательно и эволюционных преобразований, приводящих в конечном итоге к возникновению разнообразных форм жизни. Следовательно, генетичсекий аппарат должен быть организован так, так, чтобы, с одной стороны, обеспечивать свою стабильность, с другой – быть достаточно пластичным и обладать способностью к изменчивости.

Генетический аппарат прокариот. До 40-х гг. немногие бактериологи думали, что бактерии обладают наследственностью, основной на тех же принципах, которые установлены для высших организмов.

Прокариоты не имеют ядра, ни хромосом, аналогичных таковым, эукариотных клеток, поэтому бактерии считали в генетическом отношении анархической формой жизни.

Одним первых к пониманию того, что бактерии и высшие организмы подчиняются общим генетическим каноном, описавший у прокариот стабильность, легко распознаваемые и наследуемые изменения.

У бактерий, так же как у высших организмов, носителем генетической информации служит ДНК. Бактериальная ДНК представляет собой двойную спираль, замкнутую в кольцо, что в структурном отношении и образует одну хромосому. Информационные свойства хромосомы определяются специфической последовательностью четырёх нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Таким образом, хромосома и в химическом и в функциональном отношении неоднородна. Каждый такой детерминированный участок называют геном – или функциональной единицей наследственности.

Гены на хромосоме расположены линейно, при этом сам ген может существовать в виде ряда структурных форм, или аллелей. Совокупность всех генов клетки составляет генотип. В генотипе «записана» информация относительна всех свойств, присущих клетке. Он определяет особенности клеточных компонентов, их структуру и функцию. Кроме хромосомной ДНК, у микроорганизмов в ряде случаев имеется и внехромосомная ДНК, сосредоточенная в цитоплазматических образованиях – плазмидах /дополнительные генетические детерминанты/. Но бактерии , как и все прокариоты, гаплоидны и генетический материал у них представлен одним набором генов.

Репликация ДНК. Сразу же возникает вопрос: каким же образом осуществляется функции генов по сохранению и передаче потомству наследственной информации, как сохраняется наследственная информация при росте и размножения?

Чтобы ответить на этот вопрос следует описать структуру ДНК и точно представить как происходит во времени деление клеток идентичная редупликация, или репликация генов. Этот процесс можно удовлетворительно объяснить, исходя из модели структуры ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, и из механизма удвоение ДНК.

ДНК /дезоксирибонуклеиновая кислота/ полимер, состоящий из однотипных ,более простых молекул. Химический состав ДНК у разных организмов выявил удивительное однообразие набора соответствующих её единиц. В состав ДНК входят: остаток фосфорной кислоты, сахар дезоксирибоза и азотистые/нуклеиновые/основания: два пурина –аденин /А/ и гуанин /Г/ и два пиримидина – тимин /Т/ и цитозин /Ц/. Азотистые основания, присоединенные к молекуле дезоксирибозы, называются нуклидами.

Никлеозиды соединяются между собой при помощи остатков фосфорной кислоты через углеродные атомы соседних нуклеозидов. Их соединение нуклеозида с фосфорными остатками, их соединение составляет мономер макромолекулы ДНК и называемый нуклеотидом. Молекула ДНК может иметь до 100 и более тысяч нуклеотидов.