какие методы используют в селекции микроорганизмов
Что нужно знать о селекции микроорганизмов: основные сведения
Значение и роль в биологии селекции микроорганизмов
Микроорганизмы — это живые организмы, не различимые невооруженным глазом из-за слишком маленьких размеров.
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:
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:
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:
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.
Методы селекции микроорганизмов. Особенности и значение для человека
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:
Основная задача селекционеров выводить новые штаммы, с точно установленными характеристиками и способствовать их внедрению в производство.
Чем селекция микроорганизмов отличается от селекции растений и животных?
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.
Основные методы селекции микроорганизмов
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
Тема:
«Основные методы селекции микроорганизмов»
Пименов А.В.
Глава IХ.
Генетика и селекция
Задачи:
Дать характеристику основным методам селекции микроорганизмов
Описание слайда:
Традиционная селекция микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов. Но и здесь есть свои особенности. Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении.
Хотя вероятность естественного возникновения мутации у микроорганизмов такая же, как и всех других организмов (1 мутация на 1 млн. особей по каждому гену), но очень высокая интенсивность размножения дает возможность найти полезную мутацию по интересующему исследователя гену.
Традиционная селекция микроорганизмов
Описание слайда:
В результате искусственного мутагенеза и отбора была повышена продуктивность штаммов гриба пеницилла более чем в 1000 раз.
Продукты микробиологической промышленности используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, приготовлении многих молочных продуктов.
С помощью микробиологической промышленности получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, различные ферменты, витамины и многое другое.
Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы.
Традиционная селекция микроорганизмов
Описание слайда:
Новейшими методами селекции микроорганизмов, растений и животных являются клеточная, хромосомная и генная инженерия.
Генная инженерия основана на выделении нужного гена из генома одного организма и введении его в геном другого организма.
Описание слайда:
Описание слайда:
«Вырезании» генов проводят с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов — рестриктаз, затем ген «вшивают» в вектор — плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию.
«Вшивание» осуществляется с помощью другой группы ферментов — лигаз. Причем вектор должен содержать все необходимое для управления работой этого гена — промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор. Кроме того, вектор должен содержать маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличить эту клетку от исходных клеток.
Генная инженерия
Описание слайда:
Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, в которых введенные гены успешно работают.
Излюбленный объект генных инженеров — кишечная палочка, бактерия, живущая в кишечнике человека. Именно с ее помощью получают гормон роста — соматотропин, гормон инсулин, который раньше получали из поджелудочных желез коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.
Генная инженерия
Описание слайда:
Бактерия Bacillus thuringiensis вырабатывает эндотоксин, разрушающий желудок насекомых и совершенно безвреден для млекопитающих. Из бактерии выделили этот ген и ввели его в в плазмиду почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Этой бактерией были заражены кусочки растительной ткани, выращиваемой на питательной среде.
Генная инженерия
Описание слайда:
Через некоторое время плазмиды, несущие ген белка-токсина, внедрились в растительные клетки и ген встроился в ДНК растений. Затем из этих кусочков вырастили полноценные растения. Гусеницы насекомых вредителей погибали на этом растении. Описанным путем к настоящему времени получили формы картофеля, томатов, табака, рапса, устойчивые к разнообразным вредителям.
Генная инженерия
Описание слайда:
Что изображено на рисунке?
Описание слайда:
Селекция микроорганизмов
Молекулярные биологи передали винограду ген морозоустойчивости от дикорастущего родственника капусты брокколи. Получение морозостойкого сорта заняло всего год (вместо 30 лет). Трансгенные растения выращивают во многих странах мира. На первом месте по размеру площадей под трансгенными растениями находятся США, Аргентина и Китай. Больше всего земли занимают трансгенные соя, кукуруза, хлопок, рапс и картофель.
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Перенос новых генов в геном животных возможен с помощью микроинъекции ДНК в ядро яйцеклетки. Так получили трансгенную гигантскую мышь, которой ввели ген гормона роста крысы.
Генная инженерия
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Хромосомная инженерия
Методы хромосомной инженерии.
Эффективно используются в селекции растений.
Мы уже знакомы с получением полиплоидных растений в результате кратного увеличения хромосом.
Метод замещенных линий основан на замещении одной пары гомологичных хромосом на другую.
Метод дополненных линий основан на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков. С помощью этих методов в растениях собираются признаки, приближающие к созданию «идеального сорта».
Перспективен метод гаплоидов, основанный на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, выращивают из пыльцевых зерен кукурузы гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения всего за 2 — 3 года вместо 6 — 8 летнего инбридинга.
Описание слайда:
Методы хромосомной инженерии
Метод дополненных линий
Метод замещенных линий
Метод гаплоидов
Получение полиплоидов
Описание слайда:
Методы клеточной инженерии связаны с культивированием отдельных клеток в питательных средах, где они образуют клеточные культуры. Оказалось, что клетки растений и животных, помещенных в питательную среду, содержащую все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться. Клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности, то есть при определенных условиях они способны сформировать полноценное растение.
Клеточная инженерия
Описание слайда:
Описание слайда:
Продолжается работа по гибридизации клеток, получение гибридом. Например, разработана методика гибридизации протопластов соматических клеток. Удаляются клеточные оболочки и сливаются протопласты клеток организмов, относящихся к разным видам — картофеля и томата, яблони и вишни.
Перспективно создание гибридом, при котором осуществляется гибридизация лимфоцитов, образующие антитела, с раковыми клетками. В результате гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, и «бессмертны», как раковые клетки.
Клеточная инженерия
Описание слайда:
Интересен метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно клонирование животных, получение генетических копий от одного организма. В настоящее время получены клонированные лягушки, получены первые результаты клонирования млекопитающих.
Клеточная инженерия
Описание слайда:
Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, создание химерных животных. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.
Клеточная инженерия
Описание слайда:
Методы клеточной инженерии
Использование клеточных культур
Получение гибридом
Клонирование
Слияние эмбрионов, получение химер
Описание слайда:
Повторение. Основные термины темы:
На чем основан метод замещенных линий:
На замещении одной пары гомологичных хромосом на другую.
На чем основан метод дополненных линий:
На введение в генотип пары гомологичных хромосом с нужными признаками.
На чем основан метод гаплоидов:
На выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом.
На чем основан метод получения полиплоидов:
На увеличении хромосомного набора, кратное гаплоидному. Используется колхицин.
Что такое тотипотентность?
Клетки растений при определенных условиях способны сформировать полноценное растение.
Как можно использовать клеточные культуры?
Из отдельных клеток можно вырастить полноценные растения.
Описание слайда:
Повторение. Основные термины темы:
Как используется метод создания гибридом?
Осуществляется гибридизация клеток разных видов, например, лимфоцитов, образующие антитела, с раковыми клетками. В результате гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, и «бессмертны», как раковые клетки.
Как осуществляется клонирование животных?
Ядро соматической клетки пересаживается в яйцеклетку, из которой предварительно удалили ядро. Яйцеклетка активируется и после начала дробления пересаживается в матку суррогатной матери.
Как можно получить химерных животных?
Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.
Селекция микроорганизмов
Всего получено оценок: 557.
Всего получено оценок: 557.
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
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:
Человечество научилось из 100 тысяч известных использовать несколько сотен видов микроорганизмов. Число «полезных» одноклеточных организмов растёт с каждым годом.
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
Выделение необходимых генов и внедрение их в другие организмы, преобразование, «редактирование» ДНК и РНК, создание генетически модифицированных организмов
Производство инсулина, ферментов
Генная инженерия является методом быстро развивающейся биотехнологии. Эта дисциплина изучает и практикует возможности использования живых организмов для получения необходимых человеку продуктов.
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.
которые читают вместе с этой
Несколько примеров, какое значение имеет селекция микроорганизмов в современной промышленности:
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 с помощью искусственного отбора и мутагенеза, а также с применением генной инженерии. «Культурные» одноклеточные организмы производят в большом количестве необходимые человечеству вещества – гормоны, ферменты, аминокислоты.
Какие методы используются в селекции микроорганизмов?
Обсуждение вопроса:
Продуктивность диких форм бактерий невысокая, поэтому человек совершенствует и выводит новые штаммы.
— у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить бактерий
— значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют миллиарды клеток;
— более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении;
— простота генетической организации
Но возможности традиционной селекции ограничены. Успехи же таких наук как молекулярная биология и генетика в изучении микроорганизмов, а так же возрастающие потребности практического использования микробных продуктов привели к созданию новейших методов целенаправленного и контролируемого получения микроорганизмов с заданными свойствами.
К новейшим методам селекции относят генную инженерию. В генной инженерии используют два способа:
— выделение нужного гена из генома одного организма и внедрение его в геном бактерий;
— синтез искусственным путем гена и внедрение его в геном бактерий.