Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Шаламов Біологія 11 клас 2019

271

Однак деякі методи, що обмежено застосовуються в селекції тварин і рослин, знаходять широке застосування в селекції мікроорганізмів. Велика чисельність популяції, швидкий ріст і проста організація геному дозволяє широко використовувати штучний мутагенез для отримання організмів із новими властивостями.

Тривалий час у селекції використовували винятково неспрямований штучний мутагенез. Мутації у разі його застосування відбуваються деінде в геномі. Для здійснення неспрямованого штучного мутагенезу культуру мікроорганізму опромінюють ультрафіолетовими чи рентгенівськими променями або обробляють мутагенними речовинами. При цьому переважна більшість клітин (подекуди понад 99 %) мутує так, що не може далі жити й швидко гине. Але через те, що кількість клітин із мутаціями обчислюється мільйонами, існує невелика ймовірність, що в одній із них мутація (чи мутації) спричинить саме той ефект, що потрібний для селекції. Оскільки мікроорганізми мають гаплоїдні геноми1, то мутації проявляються одразу в першому ж поколінні. Надалі селекціонерам і селекціонеркам потрібно лише віднайти цих мутантів і відокремити їх у нову культуру. Для цього аналізують ступінь прояву корисної властивості: як багато утворюють потрібної речовини, як швидко ростуть, яка стійкість до різних умов середовища тощо (рис. 41.2).

Характерним прикладом суміщення неспрямованого мутагенезу й штучного добору є отримання нових штамів пліснявого грибка пеніцила, здатних виробляти антибіотик пеніцилін у більшій кількості, ніж природні форми. Завдяки мутагенезу, що поєднується з добором найбільш продуктивних колоній, продуктивність пеніцила було збільшено в тисячі разів.

Неспрямований штучний мутагенез не завжди є ефективним способом селекції через те, що лише деколи зміна одного гена може спричинити покращення потрібної властивості організму. Якщо ж властивості залежать від взаємодії продуктів кількох генів, то ймовірність, що корисні мутації відбудуться одразу в багатьох із них, майже нульова. Тут на допомогу мікробним селекціонерам і селекціонеркам прийшов розроблений у другій половині ХХ ст. спрямований штучний мутагенез. Під час спрямованого мутагенезу дослідники й дослідниці здійснюють мутації в чітко визначених місцях геному. Завдяки цьому змінюється регуляція роботи генів й характеристики обміну речовин, збільшується чи зменшується кількість певних ферментів у клітині та, як наслідок, зростає

Рис. 41.2. Пошук штаму із найбільшим рівнем продукції антибіотика

Серед чотирьох штамів (жовтувато-білі колонії) найбільшу кількість антибіотика утворює той, чия колонія розміщена зліва зверху. Про це свідчить найбільша площа зони пригнічення росту (прозора ділянка) чутливої до антибіотика бактерії (біла поволока).

1 Тобто в клітині наявна лише одна унікальна копія ДНК.

272

вироблення потрібного продукту чи стійкість клітин до несприятливих факторів. Для його здійснення використовують методи генетичної інженерії, про яку йтиметься в наступних параграфах.

У методу спрямованого штучного мутагенезу теж є недоліки. По-перше, його важче реалізувати технічно. А по-друге, перед мутагенезом потрібно заздалегідь з’ясувати, куди і яку мутацію треба внести. А це зазвичай потребує розшифрування послідовності нуклеотидів у геномі, визначення функцій генів, з’я- сування регуляторних механізмів і інших, не менш важливих, характеристик.

Традиційними напрямами селекції є пошук найпродуктивніших, найстійкіших і найбільш економічно вигідних штамів

Селекція мікроорганізмів має на меті виведення штамів, що є найкращими

взастосуванні. Найчастіше такі штами характеризуються високою продуктивністю цільової речовини. З другого боку, чим більше клітин існуватиме

вкультурі в певний проміжок часу, тим більшою буде загальна кількість корисної речовини, яку вона виробляє1. Тому під час штучного добору шукають такі штами, що були б не лише високопродуктивними, а ще й швидко росли. Важливою рисою, за якої здійснюється селекція, є стійкість культури до забруднення іншим мікроорганізмом. Зрештою, менша вимогливість до умов середовища, а також здатність рости на дешевих субстратах є економічно вигідними рисами штаму мікроорганізму, який хоче знайти своє індустріальне застосування.

Перспективним напрямом селекції мікроорганізмів є створення нових штамів для боротьби із забрудненнями

Не є таємницею той факт, що в сучасному світі часто трапляються природні катастрофи техногенного характеру — розливи нафти або викиди токсичних відходів. Існує безліч шляхів боротьби з на-

273

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

1. Оберіть продукти, для виготовлення яких використовують дріжджі.

А пиво, сало, хліб Б оцет, вино, сир В вино, йогурт, пиво Г хліб, пиво, вино

2. У селекції мікроорганізмів кон’югацію можна використати для А перенесення інформації від одного виду бактерій до іншого Б прискорення розмноження дріжджів

В обміну ДНК між різними штамами бактерій Г спрямованого мутагенезу грибів, що утворюють антибіотики

3. Двоє студенток висловилися про неспрямований штучний мутагенез.

Таїсія переконана, що під час нього гине більшість бактерій. Ірина стверджує, що завдяки неспрямованому мутагенезу завжди можна покращити потрібну властивість. Хто з дівчат має рацію?

А тільки Таїсія Б тільки Ірина В обоє дівчат Г жодна з них

4. Бактерії, що споживають нафту, А не трапляються в природі Б можна використати для очищення морів

В було отримано шляхом гібридизації Г виникли внаслідок штучного добору

5. Увідповідніть властивість мікроорганізмів, що її покращують, і мету селекції в цьому напрямку.

1 частота поділів клітини А збільшення утворення потрібної речовини

2стійкість до наявності Б можливість використання дешевшої сировини домішок у субстраті В зменшення утворення побічних продуктів

3 стійкість до забруднення Г економія на підтриманні високого рівня іншим мікроорганізмом стерильності

У житті все просто

6. Складіть порівняльну таблицю описаних видів мутагенезу. Сформулюйте вимоги до ознаки, яку можна покращити неспрямованим мутагенезом.

7. Як цілі селекції мікроорганізмів відрізняються від цілей селекції рослин і тварин? Чим це зумовлено?

У житті не все просто

8. За якими ознаками відбувалася селекція штамів дріжджів, які використову-

ють у пивоварінні? Які їх властивості є найважливішими для цього виробництва? 9. Один із напрямів селекції мікроорганізмів — пошук продуцентів нових антибіотиків. Які з них було використано в промисловості в останнє десятиліття? Чи виводять нині нові, покращені, штами вже відомих продуцентів антибіотиків?

Проект для дружної компанії

10. Промислове мікробіологічне виробництво.

1) З’ясуйте, які розташовані поряд підприємства використовують мікроорганізми у виробництві. Дізнайтесь, що та завдяки яким організмам вони виробляють.

2) Скориставшись допомогою учительки чи вчителя, спробуйте організувати екскурсію на одне з цих підприємств.

274

§ 42. Генна й клітинна інженерія

Методи генної інженерії дозволяють створювати генетично модифіковані організми

Традиційну селекцію можна розглядати як певну генетичну маніпуляцію — дії селекціонера/селекціонерки призводять до спрямованих змін генофонду популяції. Але такий вплив на генотипи є опосередкованим. Нині знання базових генетичних механізмів відкриває шлях до безпосередніх маніпуляцій із генетичним матеріалом — ДНК організму. Сукупність методів зміни спадкового матеріалу організмів із метою отримання в них або їх нащадків заданих властивостей називають генною (генетичною) інженерією. Організм, чий геном було змінено, уважають генетично модифікованим організмом (ГМО).

У генній інженерії можливі два основних підходи. Перший — редагування генома з метою покращення властивостей. Цей підхід дозволяє позбутися небажаних ознак або посилити необхідні. Другий підхід — перенесення гену із генома одного організму до генома іншого. Метою цього підходу є отримання одним організмом бажаної ознаки, що характерна іншому — донорові гена. Такий організм, у геномі якого є чужорідний ген, отримав назву трансгенний. Важливо розуміти, що ГМО є ширшим поняттям, ніж трансгенний організм, але будь-який трансгенний організм в будь-якому разі є ГМО.

Завдяки генетичній рекомбінації формуються нові молекули ДНК

Здійснити генетичну модифікацію мікроорганізмів не складно

Генетична модифікація бактерій є доволі рутинною процедурою. У природніх умовах бактерії здатні захоплювати з довкілля невеликі фрагменти ДНК і включати їх у свій геном. Цей процес називають трансформацією. У лабораторії природодослідник чи дослідниця може створювати умови, що полегшують трансформацію, забезпечуючи захоплення відносно великих молекул ДНК,

наприклад, плазмід. Зазвичай для цього клітини бактерій піддають дії стресових факторів: високої температури, електричного поля, хімічних реагентів. Завдяки їм у мембрані бактерій утворюються тимчасові пори, через які до клітини й проникає ДНК із чужими генами (рис. 42.2). У такий спосіб було отримано клітини кишкової палички, здатні синтезувати людський інсулін1, інтерферон, гормон росту соматотропін та інші білки,

що застосовують у медицині. Окрім синтезу чужорідних речовин,

завдяки генній інженерії вдалося отримати штами, що виробляють у більших кількостях антибіотики, вітаміни, амінокислоти та інші природні для бактерій речовини. Здебільшого це було досягнуто завдяки порушенню механізмів регуляції синтезу або введенню додаткових копій генів.

Генетична модифікація рослин може здійснюватися з використанням бактерій-симбіонтів

Варто зазначити, що чим більше геном організму, тим складніше здійснити генетичну модифікацію. Для доставки модифікувального фрагмента ДНК до ядра клітини макроорганізму необхідно обійти захисні системи тіла й кожної клітини, що покликані підтримувати сталість і стабільність генетичного матеріалу. Особливо досконалий цей захист у багатоклітинних еукаріот — рос-

1 До цього для отримання 100 г інсуліну переробляли одну тону підшлункових залоз, отриманих від 4 тисяч корів!

276

лин і тварин. Але тут на допомогу селекціонеру чи селекціонерці приходять неочікувані союзники — віруси й паразитичні бактерії — природжені «зломщики» геномів, які сотні мільйонів років еволюції розвивали в собі цю властивість.

Для генетичної модифікації рослин перенесення генів найчастіше здійснюють, використовуючи агробактерії. Ці симбіотичні бактерії здатні інфікувати рослинні тканини, спричиняючи розвиток пухлин, які бактерія згодом заселяє. Для забезпечення пухлинного переродження, агробактерія вводить до рослинної клітини свою плазміду, яка вбудовується в ядерний геном. Якщо вставити до плазміди агробактерії потрібний ген, то завдяки природним механізмам його буде вбудовано до геному рослин. При цьому генетична модифікація агробактерії, як уже зазначалося, не є проблемою (рис. 42.3, А).

Для створення повністю генетично модифікованих рослин потрібна зміна геному всіх клітин тіла. Оскільки модифікувати зиготу в покритонасінних рослин складно через наявність численних захисних покривів, то в генній модифікації використовують технологію вирощування рослин із окремих клітин твірної тканини (рис. 42.3, Б).

Окрім застосування агробактерій, є й інші шляхи доставки ДНК до клітин рослин. Одним із найбільш популярних є використання генної гармати: рослинну тканину бомбардують наночастинами золота, вкритими ДНК. Також можна вводити ДНК безпосередньо до клітин за допомогою шприца — проводити мікроін’єкцію.

Одна з найбільш відомих генномодифікованих рослин — «золотий» рис (рис. 42.4). «Золотий» рис має таку назву через помаранчевий колір ендосперму, якого йому надають пігменти-каротиноїди. Гени для їх утворення були отримані від нарцису й ґрунтової бактерії ервінії. У майбутньому використання «золотого» рису в бідних країнах зможе вирішити проблеми авітамінозу й гіповітамінозу вітаміну А, провітаміном якого є помаранчево-жовтий пігмент β-каротин, і зберегти мільйони життів1.

1 Хоча «золотий» рис і було отримано у 2000 році, він досі не вирощується через супротив влади й природоохоронних організацій (наприклад, «Greenpeace»).

277

Іншим перспективним напрямом є створення рослин, стійких до шкідників. Так, винайдено сорти кукурудзи, рису й бавовни, які синтезують бактеріальну отруту — Bt-токсин, смертель-

ний для комах, але нешкідливий для хребетних тварин і людини. Також уже вирощують сорти картоплі, стійкі до грибкового захворювання фітофторозу.

За останні двадцять років об’єм сільськогосподарської продукції генетично модифікованих рослин виріс більше ніж у сто разів. Уже використовують як харчові продукти генетично модифі-

ковані кукурудзу, сою, квасолю, рис, пшеницю, картоплю, гарбузи, баклажани, помідори, солодкий перець, яблука.

Генетична модифікація тварин здійснюється з різними цілями

Для доставки до геному тварин чужорідних генів найчастіше використовують віруси. А модифікацію великих клітин, як-от рибних ікринок або яєць птахів, зазвичай здійснюють шляхом ін’єкції генів безпосередньо всередину клітини.

Прикладом генетично модифікованих тварин, які використовуються вже сьогодні, є кози, що продукують людський білок лактоферин. Завдяки наявності гена людини в геномі, кози виробляють молоко, що містить цей білок. Далі з молока виділяють і очищають власне лактоферин. У такий спосіб можна отримувати й виводити з організму тварин і інші білки людини: антитіла, компоненти крові тощо.

Іншим прикладом тварини зі зміненим геномом є лосось із прискореним ростом (рис. 42.5, А). Для його створення рибі було введено ген, що спричинив постійний синтез гормону росту1. Це забезпечило цілорічний ріст лосося і, як результат, швидше збільшення маси його тіла. Він виявився першою генетично модифікованою твариною, м’ясо якої було дозволено продавати й споживати. Понад те, тепер генетично модифікованих риб можна побачити навіть у домашніх акваріумах (рис. 42.5, Б).

Перспективним напрямом генетичної модифікації є отримання сільськогосподарських тварин, стійких до інфекційних захворювань. Так, у Великій Британії виведено генетично модифікованих свиней, стійких до вірусу репродуктив- но-респіраторного синдрому. Використання таких тварин, які мають уроджену стійкість до захворювань, дозволить знизити вартість м’ясних продуктів.

Ще одним важливим напрямом генної інженерії є боротьба з тварина- ми-переносниками інфекційних захворювань. Так, у лабораторних умовах отримують генетично модифікованих комарів, чиє потомство від схрещування

1 Зазвичай гормон росту в океанічного лосося синтезується лише навесні й улітку.

278

280