§ 31 Основные направления селекции микроорганизмов

Микроорганизмы (микробы) — бактерии, микроскопические грибы и простейшие — играют важную роль в жизни природы и человека. Они ис­пользуются в разных областях промышленности (в хлебопечении и виноделии, в производстве кормового белка, молочнокислых продуктов, антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот, ферментов), в сельском хозяйстве (при производстве силоса), для биологической защиты растений и очистки сточ­ных вод. В связи с этим развивается промышленная микробиология и ведется интенсивная селекционная работа по выведению новых штаммов микроорга­низмов с повышенной продуктивностью веществ, необходимых человеку.

Микроорганизмам свойственна наследственная изменчивость — мута­ции. С помощью отбора мутаций создаются активные штаммы микроорганиз­мов, ценных для человека. Особенно широко и успешно в создании новых штаммов используется искусственный (индуцированный) мутагенез.

Путем обработки плесневых грибов актиномицетов мутагенами получают различ­ные антибиотики, используемые в медицине для спасения жизни людей при самых различных заболеваниях. Искусственный мутагенез обеспечил создание целого ряда высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, вырабатывающих витамины (например, витамины В₂, В₁₂), белки и аминокислоты намного эффективнее, чем это делают их исходные формы.

Мутационная селекция микроорганизмов сыграла большую роль в развитии микро­биологической промышленности. Промышленным путем на основе массового выра­щивания низших грибов и бактерий при создании штаммов-продуцентов производят белково-витаминные концентраты, антибиотики, витамины, гормоны, аминокислоты и другие биологически активные вещества.

Методы селекции микроорганизмов. В основном это те же методы, ко­торые используются и в селекции других организмов. Но микроскопические размеры и огромная скорость размножения микроорганизмов обусловливают разработку особых методов, ускоряющих процесс получения новых высоко­продуктивных штаммов.

Генная инженерия представляет собой целенаправленные манипуляции с генетическим материалом в клетках микроорганизмов — это совокупность методов воздействия на ДНК, позволяющих переносить наследственную инфор­мацию из одного организма в другой. В частности, создаются новые комбина­ции генетического материала, способного, размножаясь в клетке-хозяине, син­тезировать вещества, которые человек использует для своих нужд. Новые комбинации генетического материала сначала осуществляют in vitro, т. е. в про­бирке. Путем гибридизации молекул ДНК от разных одноклеточных организ­мов получают молекулы, в которых содержатся новые, ранее отсутствовавшие в ней гены. Созданная таким способом гибридная молекула ДНК затем вводит­ся в клетку-хозяина (обычно бактерий или дрожжей), которая после введения начинает синтезировать белок, кодируемый этими генами. Поскольку бакте­рии размножаются очень быстро, то таким способом удается получить сразу много идентичных копий от нужного гена и, следовательно, путем биосинтеза создать много нужных человеку веществ.

Один из методов генной инженерии, получивший развитие в наше время, — созда­ние гибридной (рекомбинантной) ДНК. Для этого ДНК одного организма вводятся в клетки другого организма. Например, гены высших организмов вносят в бактери­альные клетки. Сначала ген, предназначенный к переносу, вводят в кольцевую мо­лекулу ДНК и сращивают с ней. Затем такая гибридная ДНК помещается в бакте­риальную клетку, где ведет себя так же, как хромосома. Новый ген в гибридной ДНК перед делением клетки реплицируется (удваивается) вместе с бактериальной ДНК, а сама бактерия получает возможность вырабатывать белок, кодируемый ее новой ДНК (рис. 44).

Таким путем получают белок инсулин, необходимый больным диабе­том; интерферон, подавляющий размножение вирусов; антиген вируса гепати­та, необходимый для борьбы с этим инфекционным заболеванием; гормоны роста человека и другие важные биологические вещества.

Многие из этих лечебных средств раньше получали только одним, весьма трудоемким путем — экстрагируя (вытягивая) из клеток человека. Но в середине 80-х гг. XX в. сред­ствами генной инженерии удалось ввести в бактериальные клетки три гена человека, ответственных за синтез интерферона. Это позволило наладить его промышленное производство, выпускать в достаточном количестве и продавать по доступной цене. Подобные манипуляции были произведены и с другими генами, контролирующими синтез необходимых человеку биологически ценных веществ.

Клеточная инженерия — это метод конструирования клеток нового типа путем гибридизации их содержимого. При гибридизации искусственно объе­диняют целые клетки разных организмов, создавая новый гибридный геном (совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом вида). Также путем мани­пуляций (реконструкции) создают новую жизнеспособную клетку из отдель­ных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.) пересадкой ядер, слиянием протопластов (т. е. всего содержимого клетки без ядра и кле­точной стенки) клеток разных видов.

Клеточная инженерия позволяет соединять в одной клетке наследствен­ные материалы очень далеких видов, даже принадлежащих к разным царствам.

Использование живых клеток и биологических процессов для получения веществ, необходимых человеку, называют биотехнологией (от греч. bios — «жизнь», techne— «мастерство» и logos — «учение»).

Генная и клеточная инженерия — это два направления биотехнологии. Они имеют важное практическое значение в микробиологической промыш­ленности для синтеза биологически активных веществ, нужных человеку.

Селекция микроорганизмов имеет важное значение для решения многих проблем микробиологической промышленности, а также для медицины, производства лекарств, сельскохозяйственной индустрии, для разработ­ки методов и средств очистки окружающей среды от загрязнений.

1. Какие методы применяются в селекции микроорганизмов?

2. В чем отличие генной инженерии от клеточной инженерии?

3*. Сравните методы селекционной работы для получения гибридов у растений и микроорганизмов.

4. Какое значение в народном хозяйстве имеет биотехнология?

Краткое содержание главы

Селекция — это наука и практика создания новых пород, сортов и штам­мов организмов. Теоретической основой селекции является генетика. В селек­ции нашли практическое воплощение законы наследственности и изменчиво­сти организмов.

Все культурные растения и домашние животные происходят от диких предков. Одомашнивание растений и животных началось на Земле в центрах происхождения культурных видов, совпадающих с центрами развития циви­лизации. Учение о центрах происхождения культурных видов создал отечест­венный ученый Н.И. Вавилов.

Одомашнивание растений и животных происходило искусственным от­бором, вначале бессознательным, но позже люди стали применять селекцию для улучшения качеств культурных растений и домашних животных. Основ­ными методами в селекции культурных видов растений и животных являются искусственный отбор, мутагенез, гибридизация и полиплоидия.

В последние годы стала активно развиваться селекция микроорганизмов. Она ведется теми же основными методами селекции, но способность микро­организмов очень быстро размножаться позволила широко внедрить в их селекцию методы генной и клеточной инженерии, представляющие новое на­правление в промышленном производстве — биотехнологию. Биотехнология, используя достижения биологии, генетики, экологии, микробиологии, молеку­лярной биологии, биохимии, иммунологии, широко развивается в настоящее время во всех странах.

Проверьте себя

1. Что называют сортом, породой, штаммом?

2. Какие особенности характерны для гетерозисных организмов?

3. Каковы отношения между искусственным отбором и селекцией?

4. Какую роль в народном хозяйстве выполняет селекция микроорга­низмов?

5. Назовите основные методы селекции.

6. Назовите известные вам сорта плодовых или овощных растений, пород животных.

Проблемы для обсуждения

1. Охарактеризуйте положительные и отрицательные стороны ин­бридинга у животных.

2. Почему мужская стерильность оказывается полезной при селекции некоторых культур?

3. Раскройте роль спонтанных и искусственных мутаций в селекции а) растений; б) животных; в) микроорганизмов.

4. Почему из большого разнообразия видов животных, обитающих на Земле, человек отобрал для одомашнивания очень немного видов?

Основные понятия

Селекция. Центр происхождения. Искусственный отбор. Гибридизация Скрещивание. Мутагенез. Полиплоидия. Гетерозис. Генная инженерия. Клеточная инженерия. Биотехнология.