IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Микроорганизмы используются в медицине и пищевой промышленности. С их помощью получают антибиотики, витаминные препараты, кормовые белки. Колонии микроорганизмов выращивают из одной особи, которая быстро размножается бесполым путем, образуя штамм.

Биотехнология — использование живых организмов и их биологических процессов в производстве необходимых для человека веществ. В биотехнологии применяют бактерии, грибы, клетки растительных тканей. Их выращивают на питательных, ферментных средах в специальных биореакторах.

В культуре тканей проводят гибридизацию клеток, изучают раковые клетки и особенности их размножения, проверяют устойчивость к различным вирусам. Методами генной инженерии удается перестроить генотип клетки для получения специальных белков, например, инсулина, интерферона и т.д.

Из более чем 100 тыс. видов известных в природе микроорганизмов человеком используется несколько сотен, и число это растет. Качественный скачок в их использовании произошел в последние десятилетия, когда были установлены многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов в клетках микроорганизмов.

Многие из них продуцируют десятки видов органических веществ — аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липи-дов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, Сахаров и т. п., широко используемых в разных областях промышленности и медицины. Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, молочных продуктов, виноделие и многие другие, основаны на деятельности микроорганизмов.

Методами современной селекции микроорганизмов интенсивно исследуются возможности получения важных в хозяйственном отношении веществ — органических кислот, спиртов, кетонов. Селекция направлена на создание генетических линий (штаммов), обеспечивающих максимальную производительность. Получены плесневые грибки, продуцирующие в тысячи раз больше антибиотиков, чем исходные формы. С целью увеличения эффективности селекции диапазон Наследственной изменчивости исходных организмов иногда удается расширить применением методов искусственного мутагенеза — облучением, воздействием специальных химических веществ.

Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам различных соединений жесткие требования, которые важны для технологии производства; это высокая скорость роста, использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонними микроорганизмами. Научная основа этой промышленности — умение создавать микроорганизмы с новыми, заранее определенными генетическими свойствами и умение использовать их в промышленных масштабах.

Дрожжи успешно выращивают на отходах нефтепродуктов, гидролизатах древесины, на метаноле, этаноле, метане. В дрожжах содержится до 60% белков. Использование их в качестве кормового белка позволяет получать дополнительно до 1 млн. т. мяса в год. Большое значение в сельском хозяйстве имеет производство незаменимых аминокислот (не синтезирующихся в организмах животных). В традиционных кормах их недостаточно, поэтому приходится увеличивать количество пищи. Добавление в пищу 1 т. синтезированной микробиологическим путем аминокислоты лизина экономит десятки тонн кормов.

Селекция микроорганизмов (в отличие от селекции растений и животных) имеет ряд особенностей:

1) у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток;

2) более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении;

3) простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют.

Эти особенности накладывают свой отпечаток на выбор методов селекции микроорганизмов, которые во многом существенно отличаются от методов селекции растений и животных. Например, в селекции микроорганизмов обычно учитываются их естественные способности синтезировать какие-либо полезные для человека соединения (аминокислоты, витамины, ферменты и др.). В случае использования методов генной инженерии можно заставить бактерии и другие микроорганизмы продуцировать те соединения, синтез которых в естественных природных условиях им никогда не был присущ (например, гормоны человека и животных, биологически активные соединения).

Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью содержащихся в них веществ, которые интересуют селекционера. Для использования же в микробиологической промышленности нужны высокопродуктивные штаммы, которые создаются различными методами селекции, в том числе отбором среди природных микроорганизмов.

Отбору высокопродуктивных штаммов предшествует целенаправленная работа селекционера с генетическим материалом исходных микроорганизмов. В частности, широко используют раз-личные способы рекомбинирования генов: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) позволила создать штамм Pseudomonasputida, способный утилизировать углеводороды нефти.

Часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериофагов), трансформации (перенос ДНК, изолированной из одних клеток, в другие) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).

Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся в плазмиде, а не в хромосоме. Поэтому увеличение числа этих плазмид путем амплификации позволяет существенно повысить выход антибиотиков.

Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания высокопродуктивных штаммов. Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов (1x10^-10— 1 х 10^-6) ниже, чем у всех других организмов (1x10^-6—1x10^-4). Но вероятность выделения мутаций по данному гену у бактерий значительно выше, чем у растений и животных, поскольку получить многомиллионное потомство у микроорганизмов довольно просто и сделать это можно быстро.

Для выявления мутаций служат селективные среды, на которых способны расти мутанты, но погибают родительские клетки дикого типа. Проводится также отбор по окраске и форме колоний, скорости роста мутантов и диких форм и т. д.

Отбор по продуктивности (например, продуцентов антибиотиков) осуществляется по степени антагонизма и угнетения роста чувствительного штамма. Дня этого штамм-продуцент высевается на «газон» чувствительной культуры. По размеру пятна, где отсутствует рост чувствительного штамма вокруг колонии штамма-продуцента, судят о степени его активности (в данном случае антибиотической). Для размножения, естественно, отбираются наиболее продуктивные полонии. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни и тысячи раз. Например, путем комбинирования мутагенеза и отбора в работе с грибом Penicillium был увеличен выход антибиотика пенициллина примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.

Важным подходом в селекционной работе с микроорганизмами является получение рекомбинантов путем слияния протопластов, или гибридизации, разных штаммов бактерий. Слияние протопластов позволяет объединить генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.

Microorganisms are used in medicine and food industry. With their help, get antibiotics, vitamins, feed protein. The colonies of microorganisms grown from a single species that rapidly reproduces asexually, creating strain.

Biotechnology — use of living organisms and their biological processes in the production of necessary substances. In biotechnology using bacteria, fungi, cells of plant tissues. They are grown in a nutrient, enzyme environments in special bioreactors.

In tissue culture carried out the hybridization of cells, study cancer cells and features of their reproduction, check the resistance to various viruses. Methods of genetic engineering could rebuild the genotype of the cells to obtain special proteins, such as insulin, interferon, etc.

More than 100 thousand species known in nature by the microorganisms employs a few hundred, and the number is growing. A quantum leap in their use has occurred in recent decades, when it was installed many genetic mechanisms of regulation of biochemical processes in the cells of microorganisms.

Many of them produce dozens of types of organic substances — amino acids, proteins, antibiotics, vitamins, LIPI-Dov, nucleic acids, enzymes, pigments, Sugars, etc., widely used in various fields of industry and medicine. Such branches of the food industry as bakery, manufacture of alcohol, dairy products, wine and many others based on the activities of microorganisms.

Modern methods of selection of microorganisms extensively studied the possibility of obtaining important economic relation of substances — organic acids, alcohols, ketones. Breeding is aimed at creating genetic lines (strains) for maximum performance. The obtained molds, producing thousands of times more antibiotics than the original form. To increase the efficiency of the breeding range of genetic variability of source organisms is sometimes possible to extend the application of methods of artificial mutagenesis irradiation, the influence of special chemicals.

Microbiological industry makes producers of various compounds stringent requirements that are important for production technology; the high-speed growth, the use for the life of cheap substrates and resistance to infection by extraneous microorganisms. The scientific basis of this industry — the ability to create microorganisms with new, pre-defined genetic properties and the ability to use them in industrial scale.

Yeast successfully grown on waste oil, wood hydrolysates, methanol, ethanol, methane. In yeast contains up to 60% protein. Use them as fodder protein allows you to receive up to an additional 1 million tons of meat per year. Of great importance in agriculture is the production of essential amino acids (not synthesized in animals). In a traditional feed them enough, so you have to increase the amount of food. Add in 1 t. the food synthesized by a microbiological way of the amino acid lysine will save tens of tons of feed.

Selection of microorganisms (in contrast to the breeding of plants and animals) has a number of features:

1) the breeder has an unlimited amount of material to work with: a few days in Petri dishes or test tubes on a nutrient medium to grow billions of cells;

2) more efficient use of the mutational process, since the haploid genome of microorganisms, which allows to identify any mutation in the first generation;

3) ease of genetic organization in bacteria: a much smaller number of genes, their genetic regulation more simple, the interaction of genes simple or absent.

These features influenced the choice of methods of selection of microorganisms which differ considerably from the methods of breeding plants and animals. For example, in the breeding of microorganisms usually takes into account their natural ability to synthesize any useful to humans compounds (amino acids, vitamins, enzymes, etc.). In the case of using techniques of genetic engineering to make bacteria and other microorganisms to produce those compounds, the synthesis of which in natural conditions it never was inherent (for example, hormones of humans and animals, biologically active compounds).

Natural organisms are, as a rule, possess low productivity of the substances contained therein, which are of interest for the breeder. For use in the microbiological industry need highly productive strains that are created by different methods of breeding, including natural selection among microorganisms.

The selection of highly productive strains is preceded by purposeful work of the breeder with the genetic material of the original organisms. In particular, we widely use various methods of rekomendowane genes: conjugation, transduction, transformation and other genetic processes. For example, conjugation (exchange of genetic material between bacteria) helped to create a strain of Pseudomonasputida are able to utilize petroleum hydrocarbons.

Often resort to transduction (gene transfer from one bacteria to another by bacteriophages), transformation (the transfer of DNA isolated from some cells, in others) and amplification (increased copies of the desired gene).

So, many microorganisms, the genes of the biosynthesis of antibiotics or their regulators are in a were found, but not in the chromosome. Therefore, the increase in these plasmids by amplification allows to increase the yield of antibiotics.

The most important step in breeding is the induction of mutations. Experimental obtain mutations opens up almost unlimited prospects for creation of highly productive strains. The probability of mutation in microorganisms (1x10-10— 1 x 10-6) is lower than that of all other organisms (1x10-6—1x10-4). But the probability of selection of mutations for this gene in bacteria is significantly higher than that of plants and animals, as to the millions of offspring of organisms is quite simple and it can be done quickly.

To identify mutations serve as the selective environment, which is able to grow mutants, but die parent cell wild-type. Is also a selection on the color and shape of colonies, growth rate of mutants and wild forms, etc.

Selection of production (e.g., producers of antibiotics) is carried out according to the degree of antagonism and inhibit growth of a sensitive strain. Of this strain-producer planted on the lawn of the sensitive culture. The size of the spot, where there is no growth of a sensitive strain around the colonies of the producer strain, to judge the extent of its activity (in this case antibiotic). For reproduction naturally select the most productive full. As a result of selection the performance of producers can be increased in hundreds and thousand times. For example, by combining mutagenesis and selection in working with the fungus Penicillium was increased the yield of the antibiotic penicillin is about 10 thousand times compared to the original wild strain.

An important approach in breeding work with microorganisms is to obtain recombinants by fusing protoplasts, or hybridization of different strains of bacteria. Fusion of protoplasts allows you to combine the genetic materials and of such micro-organisms which in natural conditions do not interbreed.

Код для цитирования: Скопировать